Proteus仿真软件在三相交流电路教学中的应用探索

宫亚梅，陈兴业，李洪达，王二化

（常州信息职业技术学院 智能装备学院，江苏常州，213164）

0 引言

三相交流电路作为工业企业及生产生活中广泛应用的电路形式，非常有必要让学生正确掌握它的工作原理和特征，因此在电工学课程体系中将该部分知识列为教学的重点内容。另一方面，从知识点的横向比较来分析，三相交流电路相对于直流电路、单相交流电路而言，特征多而且复杂，理论更抽象、更晦涩，对于初学者而言理解起来相当困难，因此它也是教学中的难点。这部分知识如果老师仅仅是照本宣科理论讲解，对于学生来讲被动接受，难以做到理解深入，概念清晰，不利于知识的真正吸收。因此，为了弥补在教学过程中纯理论学习的动力不足，效果不佳，迫切地需要寻求借助其他手段或资源，与理论教学二者相辅相成一起用于三相电路的重点和难点的实施，让学生学起来不再枯燥、容易理解。目前，随着教学改革的不断深入，越来越多新的教学手段和模式用于课堂实施，并取得了很好的成效[1-3]。

1 仿真软件引入教学改革的缘由

随着科学技术的发展，许多计算机辅助分析与设计软件应运而生，也逐渐成为辅助教学的重要手段[2,6～8]。在三相交流电路教学中引入仿真软件，第一，考虑到三相交流电路的电压高，危险性大，直接在实验室演示或者操作难度比较大，而且不安全，应用软件仿真，是安全、可靠的。第二，针对关键问题难理解，长时间听不懂，学生容易失去听课兴趣，通过引入互动性强的仿真软件，学生在整个学习过程中会保持较集中的注意力，提高学习的积极性。第三，软件仿真过程中根据需要可以随时调整电路参数、结构、设计方案，直观、逼真的现象以及精确、误差小的测量数据，帮助学生轻松熟悉三相电路的特征、加深电路理论的理解，提高学习效率。第四，因仿真软件运行的实现只需要一台电脑，不仅易于在课堂中实施，在课外学生也可以不受时间和空间限制多次重复课内的操作内容，还可以根据自己的思考尝试重新设计新的电路来测试新功能和新要求，增加成就感，为学生的创新能力培养提供了便捷的平台和手段[4～5]。

2 Proteus在三相交流电路中应用方案实施

在众多仿真软件中选择Proteus，是因为它应用的广泛性和综合性，不仅可以绘制电路原理图，还可以绘制PCB图，而且可以加载程序进行软硬件的联调。借助Proteus仿真软件辅助三相交流电路教学，考虑的关键问题是针对某一知识点如何设计恰当的电路完成特征显示和数据测量，不仅通过仿真的结果帮助学生掌握基本概念和基本电路知识，而且通过测试电路的巧妙设计传达给学生具备扎实电路设计技能的必要性，从理论和实践两方面让学生明白学好本门课程的重要性。

下面从四个知识模块来探讨应用实施过程。

■2.1 三相交流电的波形特征

三相交流电是三个单相交流信号的组合，要想正确掌握其三个单相彼此特殊的关系，必须通过可视化的仪器观察三相输出的波形，从而根据波形去比对它们实际的联系，因此，设计电路的思路就是把三相交流电产生的三路电信号送入示波器不同的通道同步显示，这样三路信号的大小关系、频率关系、相位关系就会一目了然地呈现在示波器的屏幕上。具体的实施步骤如下：

首先，从软件元器件库中选择组成测试电路的元器件：三相电源V3PHASE、接地GROUND、示波器OSCILLOSCOPE，搭建电路如图1所示，三相电源的三根相线L1、L2、L3与示波器ABC通道分别相连，中线与接地相连；然后，双击三相电源，如图2所示，将参数Amplitude mode选择为Rms模式，其他均为默认值；最后，点击仿真运行按钮，测试电路开始工作，示波器窗口弹出，如图3所示，调整D通道到OFF挡关闭显示，调整ABC三通道纵向幅值以及横向周期显示的粗调和细调旋钮，使得三路波形在屏幕上同步显示1个周期完整波形。观察三个单相波形：(a)三个波形纵向格子数均为相同的12格，右侧ABC通道标尺显示纵向每个格子均为50V，因此幅值相同；(b)三个波形横向一个周期所占横向格子数相同为20格，因此周期（或频率）相同；(c)三个波形波峰相差6.6格，也就是一个周期的1/3（20/3格），即相位彼此相差120°。综上所述，三个单相幅值相同、频率相同、相位互差120°，这也就是三相交流电的特征。软件仿真过程中波形显示特征具体直观，给学生留下深刻的印象，掌握起来轻松不抽象。

图1 三相波形显示电路

图2 三相交流电源参数设置

图3 三相波形示波器显示

■2.2 三相交流电的输出电压测试

三相交流电最常用的是三相四线制的供电系统，有三根相线L1、L2、L3和一根中线N，这些电压怎么用，输出是多大，需要设计的电路是能够用电压表逐个测量显示，并与我们常识中的市电220V和工业用电380V进行联系，具体的实施步骤如下：

（1）相电压的测试

首先，选择组成测试电路的元器件：三相电源V3PHASE（参数设置同图2）、接地GROUND、交流电压表ACVOLTMETER和单刀三掷开关SW-ROT-3，搭建电路如图4所示，单刀三掷开关的单刀端与电压表一端相连，三掷端分别与三根相线相连，电压表另一端与中线和接地连接，通过切换开关三掷端可以依次将电压表连接在相线L1（或L2或L3）和中线之间，也就是测量三相交流电源的三个相电压；接着，点击仿真运行按钮，如图5所示，当开关拨到最上方，测量的是L1-中线之间的相电压，此时电压表测量值为220V，这也是目前所用市电的电压值，依次向下切换开关可以测量L2-中线和L3-中线之间的电压，操作和显示与测试L1和中线方法相似，这里不再赘述。在软件仿真过程中，电压表显示的相电压数值会让学生更容易接受及牢记，并了解了日常生活中一直所用的220V电源电压的来源；开关从上往下依次切换连接到不同相线上的重复操作，让学生清楚地看到每次切换其实就是测量不同相线和中线之间的相电压，对相电压概念的进一步掌握起到了重要的作用。同时，在该测试电路中添加了一个单刀三掷开关，达到了不重新调整电压表的接线，只通过切换开关就可以一气呵成完成三个相电压的测量，让学生真切地感受到了巧妙电路设计方法的重要性。

图4 相电压测量电路

图5 相电压测量值显示

（2）线电压的测试

首先，选择组成测试电路的元器件：三相电源V3PHASE（参数设置同图2）、接地GROUND、交流电压表ACVOLTMETER和2个单刀三掷开关SW-ROT-3，搭建电路如图6所示，2个单刀三掷开关一端分别与电压表的两个端口相连，另一端与三相电源的三根相线L1、L2和L3相连，如图7所示，当下面一个开关拨到最下方与L1相连，上面一个开关拨到中间与L2相连，就可以实现电压表测量的是L1-L2之间的电压，切换2个开关连接状态可以达到测量L2-L3或L3-L1之间的电压，实际上也就是三相交流电源的三个线电压；接着，点击仿真运行按钮，观察交流电压表的示数，测量值为381V，忽略测量误差接近工业用电380V，依次改变切换开关的状态，可以测量L2-L3（或L3-L1）的线电压，操作和显示与测量线电压L1-L2方法相似，这里不再赘述。本测试方案中软件仿真起到的作用与1）方案相电压的测试相同，另外，该方案中巧妙地添加了2个单刀三掷开关，还在开关与三根相线L1、L2、L3走线上做了规划，使得导线连接规范、清晰，达到在不改变任何接线的情况下，通过切换开关的状态，一气呵成地完成三个线电压的测量，也让学生明白了电路设计巧妙和规范的必要性。

图6 线电压测量电路

图7 线电压测量值显示

■2.3 负载星型连接的电压特征

三相电路负载的星型连接模式是三相异步电机常用工作方式之一，为了让学生理解星型连接的定义和掌握该连接实操接线以及该模式下负载的工作情况，设计的测试电路中用三个独立电阻代替电机的三相绕阻，并使用电压表测量每相绕阻（即独立电阻）的工作电压，从而根据连接过程和电压表的测试结果掌握星型连接负载的工作性能，具体操作步骤如下：

首先，选择组成负载星型连接的元器件：三相电源V3PHASE（参数设置同图2）、接地GROUND、电阻RES（默认10kΩ即可），搭建电路如图8所示，三个电阻一端连接在一起，另一端分别与三相电源的三根相线相连，这种连接方式就是负载星（Y）型连接。接着，如图9所示，在三个电阻并联接上交流电压表，用来测量每相负载的工作电压，点击仿真运行按钮，观察交流电压表的示数，分别为219V、218V、220V，忽略测量误差，均在220V左右，与图5中测试的相电压是相同的。通过软件仿真，学生不仅掌握了负载星型连接时实际接线方式和过程，而且可以得出结论，当负载星型连接时，每相负载实际获得的电压就是供电系统中的相电压，也初步了解了三相异步电机星型工作的性能。

图8 星型负载连接电路

图9 星型负载连接电阻的电压测量

■2.4 负载三角型连接的电压特征

三相电路负载的三角型连接模式也是三相异步电机常用工作方式之一，同样为了让学生理解三角型连接的定义和掌握实操接线过程以及该模式下负载的工作情况，设计的测试电路 也用三个独立电阻代替电机的三相绕阻，并使用电压表测量每相绕阻（即独立电阻）的工作电压，就可以掌握三角型连接负载的工作性能，具体操作步骤如下：

首先，选择组成负载三角型连接的元器件：三相电源V3PHASE（参数设置同图2）、接地GROUND、电阻RES（默认10kΩ即可），搭建电路如图10所示，三个电阻首尾顺序相连，然后将三个连接点分别与三相电源三根相线相连，这种连接方式就是负载三角型（△）连接。接着，如图11所示，在三个电阻并联接上交流电压表，测量每相负载的工作电压，点击仿真运行按钮，观察交流电压表的示数，分别为373V、378V、376V，忽略测量误差，均为380V左右，与图7中测试的线电压是相同的。通过软件仿真，学生不仅掌握了负载三角型连接时实际连接方式和过程，而且得出结论，当负载三角型连接时，每相负载实际获得的电压就是供电系统中的线电压，也初步了解了三相异步电机三角型工作的性能。

图10 三角型负载连接电路

图11 三角型连接负载电阻的电压测量

3 结论

近年来，源于生源的多样化，为了取得较好的教学效果，在教学实施过程中更应该加大教学改革的力度，摒弃繁琐的理论推导和计算，重点放在如何运用知识与实践技能方面。目前，将Proteus仿真软件引入到三相电路教学中，一些晦涩、难懂、抽象的知识点实时通过仪器仪表直观地呈现，加深了学生对电路功能、电路特征的理解，教学效果得到提升。同时，通过Proteus仿真软件虚拟操作，激发学生将理论知识和实践操作相融合的学习兴趣，培养了学生自主学习和探究学习的能力。当然，由于软件是仿真，与实际情况还有一些差距，这就需要我们定位软件是用来辅助教学的，合理应用软件进行学习，电路测试，电路设计，才能有效通过软件仿真这个桥梁，由理论到达实践的彼岸。