应用Multisim进行三相电路的仿真与分析

兰海燕

郑州电力高等专科学校 河南郑州 450000

在高职高专院校电力类或电力相关专业教学中，讲练结合是非常必要的。在三相交流电路的学习过程中，三相三线制、三相四线制、负载平衡、负载不平衡等多种情况对于学习中的学生来说，有时理解得不是那么透彻，或者理论和实际情况不容易结合到一起。所以本文讨论这一部分内容理论与实际相结合的教学研究[1]。本仿真实验基于学生已学过相应理论基础的情况下进行。

1 构建实验电路

为了方便地模拟各种实验情况，这里采用9个独立的SPST开关J1～J9控制九盏灯泡X1～X9；电压采取三相星型电源，380/220 V，50 Hz。考虑到不同实验条件下灯泡耐压及功耗问题，这里选取虚拟灯泡元件LAMP-VIRTUAL，并设置最大额定电压400 V，最大额定功率15 W，三相电路如图1所示。

图1 三相实验电路

2 测量实验数据

本次实验共有以下几种情况，三相四线制Y0接平衡负载，三相三线制Y接平衡负载，三相四线制Y0接不平衡负载，三相三线制Y接不平衡负载。不平衡负载考虑包含短路、断路的特殊情况。实验需要测量三相线电压、负载相电压、负载线电流、中线电流和中点电压。图2为三相四线制Y0接平衡负载情况下所有万用表的接线及读数。双击仪表，显示读数，然后按以下顺序放置，便于读数。左侧3块仪表(XMM1～XMM3)为线电流，中间3块表(XMM5～XMM7)为线电压，右侧3块表(XMM8～XMM10)为相电压。中间及右侧最下面2块表分别为中线电流(XMM4)和中点电压(XMM11)。不同万用表需要根据调至不同的测量档位。

图2 三相四线制Y0接平衡负载

需要注意的是，当稍后测量三相三线制不同负载的时候，需要去掉中线，即需要去掉XMM4所在的导线，而不能去掉XMM11所在的导线。因为这2块表XMM11是测量电压，其内阻非常大，本来这根线就是断路的情况。去掉该表所在导线后，中线(XMM4所在的导线)仍然存在，无法正确观察三相三线制情况。三相三线制不平衡负载的一种情况如图3所示。

表1 三相星型负载的实验数据

图3 三相三线制Y接B相短路

本实验中，一共设计了7种不同的连线及负载情况，其余连线情况不再一一截图显示。实验数据见表1。

3 分析实验结果

3.1 平衡负载情况

根据表1前两行数据，很明显看到只要接的是平衡负载，无论是否有中线，对电路无明显影响。负载中的电压和电流都保持不变。说明Y0接平衡负载时，中线电流为20 μA左右，对比负载中毫安级的电流，可以忽略不计，两次的中点电压都是非常小的数据，在真实实验环境下，可能完全测不出来。

3.2 普通不平衡负载情况

控制开关，改变接通灯泡的数量。根据表1第三到第六行数据，可以看出，当接入不平衡负载时，线电压完全没有发生改变，说明线电压是不受负载影响的，只和电源有关。而负载相电压有所不同。三相四线制Y0时，负载相电压仍然对称，都是220 V，三相三线制Y时，由于产生中性点位移，所以负载相电压不再相等。中点位移电压分别是64 V和116 V，负载不平衡情况越明显，中点位移电压越大。

3.3 某一相负载发生短路情况

根据图3的接线，通过在B相负载旁加短路线，人为设置短路情况，得到表1最后一行数据。这其实仍然是负载不平衡的情况，不过是比较极端的情况，这里画出相量图帮助分析(如图4所示)。

图4 三相三线制Y接B相短路的相量图

设电源中性点为N，当B相负载发生短路时，负载中点O与B点重合，即中点位移电压等于220∠-120°V，新的负载相电压在图中用'和'表示，分别等于380∠30°V和380∠90°V。也就是灯泡上承受了380 V的电压。实验前，为了避免灯泡烧毁，设置了较高的耐压400 V，而在实际工作中，若出现这样的情况，极易造成负载的损坏。

3.4 中线的重要性

通过上述实验可以看出，中线在工作中起到了重要的保障作用。当负载不平衡时，中线的存在可以使得中点电压强制为零，避免了中点位移现象的发生，也就保证了负载的安全工作。所以中线不允许断开，不允许加装熔断器和开关等设备。

4 结语

通过上面的实验可以看出，在教学过程中，如果能够合理利用Multisim仿真软件，可以极大地帮助学生理解所学知识。因为在实验室环境中，基本都以人员和设备的安全为首要考虑因素，很难在做实验过程中边做变分析，而实验结束后，再次回到教室，不少学生都已经对实验现象或结果印象不深了，理论联系实际做得就不是很好。而利用Multisim仿真软件将实验搬到课堂，边做变分析，理论结合实际能够做得到位，帮助学生理解所学内容，实践证明，效果比较好。

但也要注意，仿真实验不能完全代替实际现场动手操作[2]。因为现场环境下，需要考虑接线因素，设备因素等各种情况，是对学生综合动手能力的锻炼，所以实际动手做真正的实验也是非常有必要的。因此将仿真实验与传统实验有机结合在一起，很好地设计在教学过程中，才能更好更有效地促进教学，提高学生的学习效果。