基于EWB的电路综合设计的研究与实践

杨欢红，杨尔滨，李晓华

(上海电力学院电力及自动化工程学院，上海 200090)

电路分析(Circuits Analysis)是电气类专业必须掌握的一门专业基础课，理论性强、公式多、计算复杂.由于这门课程要求学生掌握电路的基本概念、规律和分析计算方法，需要学生具备扎实的高等数学及大学物理基础.同时，电路分析又是一门实践性很强的课程，要求学生掌握基本实验技能和方法，并能将电路理论知识应用在解决电气工程的实际问题上［1］.由于实验设备条件的限制，在传统实验室里只能进行有限的基础性实验，很难实现设计性实验和综合性实验.近年来，在实践性教学中，为了弥补实验室硬件条件的不足，上海电力学院引入了电路计算机辅助设计，利用EWB软件实现了对各种综合电路的分析设计，并设计出接近于实际器件的电路模型，可测试电压、电流及其他参数，观察动态波形，避免了手工计算的麻烦，弥补了实验设备的不足，以达到快速仿真计算和分析的教学目的.通过应用计算机辅助设计与电路理论教学和实验教学的有机结合，大大激发了学生的学习兴趣，加深了对电路概念和原理的理解，培养了他们积极思考、分析和解决问题的能力，为解决电气工程的实际问题打下了坚实的基础.

1 EWB软件的特点及分析方法

EWB(Electronics Workbench，现称为MultiSim)软件是加拿大Interactive Image Technology公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作平台［2］，具有以下4个特点.

(1)具备丰富的电路元件库 EWB提供了各种建模所需的精确的元器件，如电阻、电容、电感、二极管、三极管、继电器、可控硅、数码管等.

(2)具备多种仪器仪表 EWB提供了电压表、电流表、万用表、信号发生器、示波器、波特仪、逻辑分析仪、失真度分析仪、频谱分析仪等仪器仪表，熟悉这些常用电子仪器的使用方法，可以比实验室更灵活的方式进行电路实验，并仿真电路的实际运行情况.

(3)具有形象直观的人机交互界面 在计算机屏幕上可模仿真实实验室的工作平台，绘制电路图所需要的元器件及进行电路仿真时所需要的测试仪器均可从屏幕上直接选取，软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，并可以实时显示测量结果.

(4)具有通用性 作为设计工具，它可以同其他流行的电路分析、设计和制板软件进行数据交换.

EWB具有强大的电路分析手段，可进行直流、交流分析，稳态、暂态分析，显示仿真电路的实际运行情况，显示测量结果.此外，还可提供直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪音分析、失真分析，交流分析、参数扫描、温度扫描、零极点分析、传递函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析等常用的仿真分析方法［3］.利用这些工具，可以观察各种条件和参数变化时电路的运行情况.

(1)直流工作点分析 是对直流电路进行进一步分析的基础.在分析直流工作点之前，要选定Circuit/Schematic Option中Show nodes项，可以把电路的节点号显示在电路图上.

(2)交流频率分析 即分析电路的频率特性，需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处于交流模式，输入信号也设定为正弦波形式.

(3)瞬态分析 即观察所选定的节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形.在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件.在对选定的节点作瞬态分析时，一般可先对该节点作直流工作点的分析，这样直流工作点的结果就可作为瞬态分析的初始条件.

(4)傅里叶分析 用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量.一般将电路中交流激励源的频率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数上.

2 设计实例及分析

本文选取对称非正弦三相电路作为实例进行设计和分析.

2.1 设计要求

对称非正弦三相电路，A相电源电压uA=V，负载基波复阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω，分析负载相电压、线电压、线电流及两中性点间电压的有效值大小，并进行故障分析.

2.2 理论分析

对称非正弦三相电路结构如图1所示.

图1 对称非正弦三相电路结构

我们要分析负载相电压UAN'，线电压UAB，线电流IA，两中性点间电压UN'N的有效值大小.

A，B，C 3相电压源分别由基波和3次谐波合成，其中基波电压源 uA1，uB1，uC1为正序组，3次谐波电压源 uA3，uB3，uC3为零序组.A，B，C 3 相电压源可表示为:

基波、3次谐波电压源的有效值分别为UA1=180 V，UA3=40 V，由三相正序、零序的特点，可以得出以下结论.

负载相电压不含零序谐波:

负载线电压不含零序谐波:

负载线电流不含零序谐波:

中性点之间的电压只含零序谐波:

2.3 EWB模型设计及测试结果

每相非正弦电源中含有基波与3次谐波，用示波器观察到3次谐波的频率是基波的3倍，如图2所示.

对负载供电的三相电源是基波与3次谐波叠加后的波形，为马鞍波，各相电源对称，见图3.

按要求设计出对称非正弦三相电路，见图4.

图2 基波与3次谐波

图3 基波与3次谐波叠加后的波形

由于电压频率可自由选择，我们将基波和3次谐波的频率分别选为50 Hz和150 Hz.另外，负载复阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω为基波复阻抗，可以等效成一个R=6 Ω的电阻和一个L=8/314=25.465 ×10－3H=25.465 mH 电感的串联组合.

双踪示波器观察的是C相电源的基波、基波与3次谐波叠加后的电压波形，交流电压表读数为电压有效值、交流电流表读数为电流有效值.仿真结果显示:负载相电压为180 V，负载线电压为312.3 V，线电流为18 A，两中性点间电压为40 V.可见，仿真结果与理论分析基本一致.

图4 对称非正弦三相电路的设计模型

2.4 故障分析

从图4可以看出，对称非正弦三相电路正常运行时负载的相电压为180 V，相电流为18 A.

当C相负载发生短路时，A，B两相的电压为311.7 V，电流为31.2 A，已远远超过额定电压和额定电流，过大的电压、电流将损坏负载设备.具体故障分析见图5.

图5 C相负载短路故障分析

当C相负载发生开路时，A，B两相的电压为156.1 V，电流为 15.55 A，导致负载的电压电流太小，系统不能正常运行，具体故障分析见图6.

图6 C相负载开路故障分析

在传统实验中，当电路出现开路、短路故障时，可能会使电压电流过大烧坏元器件和仪器仪表，造成巨大损失，所以很难用实验去模拟这些故障情况.而用EWB做仿真设计时，只需改变元器件的参数或电路结构就可以模拟出元器件出现故障时的情况，以便进行各种故障分析.

3 EWB仿真设计的优点

将运用EWB软件进行的仿真实验与传统的电路实验进行比较后，发现其具备如下优点.

(1)投资少 传统的电路实验室成本很高，配置50套电路实验台动辄上百万元，而且只能完成有限的几个实验，使用周期一般5年左右.而仿真实验可利用学校现成的计算机机房，只需要安装相应的软件就可以进行各种实验，可大量节省硬件投资.

(2)维护方便 实验过程中不消耗元器件，所需元器件的种类和数量不受限制，虚拟元器件和虚拟仪器不存在因使用不当而损坏的问题，可节约大量的后期维护成本，节省实验室工作人员的精力.

(3)功能完善 实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可作各种电路实验，一般的实验室不可能有如此齐全的理想实验条件.

(4)故障分析容易 在传统实验室的实验中，出现开路、短路、漏电等故障将造成元器件的损耗和仪器的损坏.而运用EWB进行仿真实验时，只需改变电路结构或元器件的参数就可模拟出各种故障对电路的影响，有助于学生学习故障诊断分析.

(5)综合性强 可以设计出贴近实际的应用性、综合性电路.在分析三相电路时，可以设计家庭电源系统、住宅房屋的接线图，以及家庭单相3线的接线图.这些设计能与工程电路实例联系起来，有利于培养理论联系实际的能力，加深对专业知识的理解和掌握，提高创新能力和综合运用知识的能力.

4 结语

EWB作为一种全新的虚拟实验环境，学生将免费试用版软件安装到自己的电脑上，不受时间和场地的限制.

由于虚拟仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，反复操练就可熟悉各种仪器仪表的功能，达到事半功倍的效果.电路计算机辅助设计是对课堂教学的扩展和延伸，是对传统实验教学的充实与改进，既克服了传统教学过于抽象和枯燥，以及教学内容难以扩展的缺点，又弥补了传统实验环节的不足，特别适合于开发一些在实验室无法完成的综合性设计，可大大激发学生的主动性和创造性，为学生拓展课外科技活动或电子竞赛打下了坚实的基础.

［1］杨欢红，杨尔滨，刘蓉晖.电路［M］.北京:中国电力出版社，2007:329-367.

［2］路而红.虚拟电子实验室——Electronics Workbench［M］.北京:人民邮电出版社，2001:49-77.

［3］张建宏.基于EWB的电路仿真实验研究［J］.中国现代教育装备，2009(15):94-96.

［4］朱伟兴，马长华，李凤祥.以学生为本的电工电子学课程教学改革与实践［J］.电气电子教学学报，2010(s2):3-5.