基于Multisim14.0的三相电路分析
2018-12-17乔一明
乔一明
摘要：三相电路是一种特殊形式的复杂正弦电路，在发电、输电和用电等方面应用广泛。该文利用Multisim14.0模拟仿真星形对称三相电源供电，分析了负载短路、断路情况下的电路响应，以此分析三相电路性质，揭示了星形对称三相电源中线对于电路安全的重要性。
关键词：Multisim14.0；三相电路；电路分析基础；中线；电路仿真
中图分类号 TN 710-34 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0246-03
Analysis of the Three-phase Circuit Based on Multisim14.0
QIAO Yi-ming
（Bell Honors School， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210046， China）
Abstract： Three-phase Circuit is a special form of complex Sinusoidal circuit， and it is widely used in many aspects such as power generation， transmission and power supply. In this article， we simulate the star-phase symmetrical three-phase circuit based on Multisim14.0 and analyze response under load short circuit and open circuit condition. Thus， we conclude the p properties of the three-phase circuit and reveal the importance of the existence of neutral line.
Key words：Multisim14.0； Three-phase Circuit； circuit analysis basis
在電子工程学中，三相交流电一般是将可变的电压通过三组不同的导体。这三组电压幅值相等、频率相等、彼此之间的相位差为120度。通常来说，三相交流电分三角形接法（Δ）和星型接法（Y）两种。三角形接法即为将各相电源或负载依次首尾相连，形成一个三角环；而星型接法则是将各相电源或负载的一端连接在一点，形成一个中性点，本文着重研究了三相电路的性质及对称三相电源中线的重要性。[]
NI Multisim是一款著名的电子设计自动化软件，在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。Multisim?将?业界?标准?的?SPICE?仿真?与?交互?式?电路?图?设计?环境?集成?在一起，?可?立即?查看?和?分析?电子?电路?行为。Multisim?还?在?电路?设计?流程?中?增加?了?强大?的?电路?仿真?和?分析，?可?帮助?研究?人员?和?设计?人员?减少?印刷?电路?板?（PCB）?原型?迭代?次数，?从而?节省?开发?成本。
在此探究中，由于资源及安全性的限制，不能够对实际电路进行操作。因此，我们使用Multisim来仿真实验过程，使用其强大的交互式电路图设计环境，得到直观的电路图像界面并完成体验，以此来强化电路分析基础的学习。生活中的供电方式多为星形连接的三相四线，受此启发，本文将Multisim14.0来仿真模拟真实供电情况，研究三相电路性质，揭示中线的作用。
1 三相电路基本概念
三相电路是由三相电源和三相负载所组成的电路整体的总称。
所谓三相电源，是指能同时产生3个频率相同，但相位不同的正弦电压的电源总体。如果三相电源产生的3个同频正弦电压的振幅相等、相位彼此相差120°，则称为对称三相电源。
在三相电路中，三相电源有星形和三角形两种连接方式。星形连接如上图所示，是将三相电源的三个负极性端X、Y和Z连接起来形成一个公共点O，O点称为三相电源的中点，从三相电源的三个正极性端A、B和C引出供电线，引出的供电线称为端线，俗称火线。从电路分析的角度看，稳定工作中的三相电路实际上是一个正弦稳态电路，可按一般正弦稳态电路分析。在三相电路中，将每相电源或负载上的电压称为电源或负载电压，流过每相电源或负载的电流称为电源或负载的相电流，火线间的电压称为线电压，火线上的电流称为线电流。
对于星形连接，以图1为例，线电流就是相电流，而线电压与相电压不等，线电压U12、U23和U31与相电压U1、U2和U3的关系为：
因此，如图2所示，作星形连接的对称三相电源，数值上线电压为相电压的
2 对称三相电路供电的仿真与分析
仿真电路图如上所示，三相对称电源的电压位220V，频率位50Hz，5个灯泡均为220V 100W，保险丝为5AMP。设置了四个开关来获得负载的不同状况，改变S1可使B相负载短路，改变S2，可使B相负载短路，改变S3或S4可分别改变A、B相的负载阻值，以获得非对称负载。
经过仿真，得到了如上所示的原始数据记录，接下来我们分情况讨论：
2.1 对称负载
将S1、S3、S4开关断开，S2闭合，即得到对称负载情况下的电路，调整S5，可决定中线是否存在。由原始数据表中的记录可得，在负载对称的情况下，各个功率、相电压、线电压以及电流都较为稳定，情况较为理想。然而在我们现实生活中，常见的是非对称负载情况。
2.2 非对称负载
2.2.1 中线存在
闭合S2、S3、S4、S5， S1断开，得到非对称负载中线存在情况下的电路。闭合S1可将B相短路，断开S2可将B相断路。B相负载为通路时， 所有灯泡均正常工作，A相为两个220V 100W灯泡并联，消耗功率200W， 电流为0.909A；B相只有一个220V 100W灯泡负载，消耗功率100W，电流为0.454；C相也是两个220V 100W灯泡并联，消耗功率220W，电流为0.909A。需要注意的是，此时中线上有0.454A的电流通过，以此来平衡非对称的负载。
断开S2开关，使得B相负载断路。此时，A相与C相负载均正常工作，B相灯泡熄灭，中线电流变为0.909A。说明B相负载的断路情况并没有影响其他负载的运行情况。
闭合S1，将B相负载短路。仿真电路发现，B相电流过大，使得熔断器F1熔断，B相负载变为断路的状态，三相电路运行状态与B相断路情况一致。
2.2.2 中线不存在
闭合S2、S3、S4，断开S1与S5，此时中线不存在。仿真得各相电压不等于额定值，B相电压在329V左右，烧坏B相负载。A、C相负载在190V电压下工作。
断开S2，使得B相断路。仿真得，各相电压不为额定值，A、C相电压为190V左右，灯泡在低功率状态下工作。
闭合S1，使得B相断路。仿真得，此时A、C相电压为380V左右，B相电压接近于0， A、C相的所有灯泡都被烧坏，熔断器没有发挥相应的作用。
3 中线的作用及分析
由上仿真的结果可以发现，中线的存在对于三相电路正常工作有着重要的作用。在三相负载不对称的情况下，没有中线，各相电压不等于额定值，容易出现负载低功率工作甚至是烧坏负载的情况，给用户造成严重的经济损失。而中线存在则可以保证电路某一相出现问题时，其他两相的电压依旧是额定值，因此，在实际应用之中，中线的存在至关重要，并且中线不允许安装开关或者保险丝等元件，常见的输电电路也多使用三相四線制。
4 结束语
通过使用Multisim14.0对星型连接三相电源的三相电路进行设计与仿真，可以看出三相电路中线存在的重要性，同时对三相电路的性质有了更深刻的认识与理解。中线的存在可以保证各相负载的独立性，即某一相的意外情况不会影响其他相的工作情况，为三相电路的安全性提供了强有力的保证。
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【通联编辑：王力】
