基于Multisim的三相交流负载星型连接电路仿真

田清华， 李巾帅

(石家庄职业技术学院 机电工程系,河北 石家庄 050081)

三相交流电路星型连接是电路连接的重要形式.为加深学生对三相电路星型连接特性的理解，教师一般会通过三相交流负载电路的测量实验来验证中线的作用.通常，实验采用三相四线制供电系统，相电压220 V，线电压380 V，测量电压高，测量数据多，稍有不慎会造成电源短路.对于初学的学生来说，理解中线的作用非常困难，在实验室进行三相交流电路实验不仅有较大的危险性，操作难度也比较大，且实验测量数据误差也较大，数据处理非常麻烦.而用Multisim(美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真软件)仿真，不仅安全、可靠，能避免实际操作中的许多不足，而且能直观、形象地展示精确的测量值，分析方便，有利于提高学生的学习兴趣和增加其完成实验的成就感.

本文通过Multisim仿真实验，分析三相交流负载星型连接时，对称负载和不对称负载情况下，线电压与相电压、线电流与相电流的关系，以及中线的重要作用.

1 Multisim简介

Multisim是一款自动化软件，主要用于电路教学、电子电路的设计及仿真模拟[1].这款软件的基础是Windows,具有强大的仿真能力.它的操作界面是一个虚拟的电工电子实训台，该实训台包含设计电路所需的17 000多种元器件和22种测试仪器，其中，元器件的参数可以根据需要修改.所有的元器件均可通过鼠标直接拖动，操作简单.软件中包含18种分析手段.

在实际教学中，电子电路课程的理论教学和学生的动手操作环节存在一定程度的脱节现象，而Multisim软件很好地解决了这一问题，学生可以把教师讲的理论知识通过软件呈现出来[2].

2 三相交流负载星型连接电路搭建

在Multisim中，按图1搭建三相交流负载星型电路.电路中的三相电源V1为星型三相对称交流电源，相电压为220 V，线电压为380 V，相位差为120°，频率为50 Hz.三相交流负载的每相安装2个灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为220 W.U1-U3为交流安培计，用来测量线电流；U4-U6为交流安培计，用来测量相电流；U7-U9为交流伏特计，用来测量线电压；U10-U12为交流伏特计，用来测量相电压；U13为交流安培计，用来测量中线电流[3].

图1 三相负载星型接法仿真电路

3 电路仿真

3.1 有中线时的电路仿真

3.1.1 负载对称时的电路仿真

3.1.2 负载不对称时的电路仿真

3.1.3 负载一相断路时的电路仿真

3.1.4 负载有一相短路时的电路仿真

3.2 无中线时的电路仿真

3.2.1 负载对称时的电路仿真

星型连接负载对称时的仿真结果见表1.

表1 负载对称时的测量结果

3.2.2 负载不对称时的电路仿真

星型连接负载不对称时的仿真结果见表2.

表2 负载不对称时的测量结果

由表2可知，有中线时，线电压为380 V,相电压为220 V，由于负载不对称，相电流不再相等，中线电流不再为0；无中线时，由于负载不对称，相电压、相电流不再相等.负载电阻越大，对应的相电压越高，当某相电压超过额定电压时，会烧坏负载，影响电路正常工作.因此，中线是保持负载相电压对称和负载正常工作的关键，在三相负载星形连接电路中，中线必须连接.

3.2.3 负载一相断路时的电路仿真

星型连接负载有一相断路时的仿真结果见表3.

表3 负载有一相断路时的测量结果

由表3可知，有中线时，线电压为380 V,相电压为220 V，各相负载能正常工作，但由于负载不对称，相电流不再相等，中线电流不再为0，此时各相负载不对称程度加大，中线电流变大；无中线时，由于负载不对称，相电压、相电流不再相等，负载电阻越大，对应的相电压越高，当某相电压超过额定电压时，会烧坏负载，影响电路正常工作.为保证负载正常工作，中线必须连接.

3.2.4 负载有一相短路时的电路仿真

将图1所示电路中的开关G断开，其他所有开关均闭合，此时为三相不对称负载电路，且无中线连接.此时A相负载短路，B相、C相负载均为440 W，观察安培计和伏特计读数可以发现，三相的线电压不再存在与相电压的倍数关系，无中线电流.观察仿真电路发现，A相短路时，B相、C相灯泡均被烧毁，不能正常工作.其原因在于，当A相短路时，B相、C相灯泡承受的电压均为380 V，远远超过额定电压220 V.

星型连接负载有一相短路时的仿真结果见表4.

表4 负载有一相短路时的测量结果

由表4可知，有中线时，线电压为380 V,相电压为220 V，各相负载能正常工作，但由于负载不对称，相电流不再相等，中线电流不再为0，此时各相负载不对称程度加大，中线电流进一步变大.无中线时，由于负载一相短路，其他两相的相电压直接变为线电压380 V，超过负载的额定电压，负载被烧毁，影响电路正常工作.因此，为保证负载正常工作，中线必须连接.

4 结论

通过仿真实验可以进一步验证，当三相交流负载星型连接电路的负载对称时，每相负载上的相电压相等，均为额定值，各相负载正常工作，中线不起作用.三相负载不对称或某一相电路出现故障(极端不对称)时，有中线可保证其他两相电压正常;若没有中线，各相负载上的电压不再等于额定值，各相负载均不能正常工作，甚至被烧毁.因此，中线是保持负载相电压对称和负载正常工作的关键.三相交流负载星型连接电路中不能没有中线，也不能在中线上安装开关或保险丝.这也是生活中常用的三相交流负载电路为保持各相电压不变一般采用三相四线制的原因[6].