基于EWB的電路綜合設(shè)計的研究與實踐

楊歡紅，楊爾濱，李曉華

(上海電力學(xué)院電力及自動化工程學(xué)院，上海 200090)

電路分析(Circuits Analysis)是電氣類專業(yè)必須掌握的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性強、公式多、計算復(fù)雜.由于這門課程要求學(xué)生掌握電路的基本概念、規(guī)律和分析計算方法，需要學(xué)生具備扎實的高等數(shù)學(xué)及大學(xué)物理基礎(chǔ).同時，電路分析又是一門實踐性很強的課程，要求學(xué)生掌握基本實驗技能和方法，并能將電路理論知識應(yīng)用在解決電氣工程的實際問題上［1］.由于實驗設(shè)備條件的限制，在傳統(tǒng)實驗室里只能進(jìn)行有限的基礎(chǔ)性實驗，很難實現(xiàn)設(shè)計性實驗和綜合性實驗.近年來，在實踐性教學(xué)中，為了彌補實驗室硬件條件的不足，上海電力學(xué)院引入了電路計算機輔助設(shè)計，利用EWB軟件實現(xiàn)了對各種綜合電路的分析設(shè)計，并設(shè)計出接近于實際器件的電路模型，可測試電壓、電流及其他參數(shù)，觀察動態(tài)波形，避免了手工計算的麻煩，彌補了實驗設(shè)備的不足，以達(dá)到快速仿真計算和分析的教學(xué)目的.通過應(yīng)用計算機輔助設(shè)計與電路理論教學(xué)和實驗教學(xué)的有機結(jié)合，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對電路概念和原理的理解，培養(yǎng)了他們積極思考、分析和解決問題的能力，為解決電氣工程的實際問題打下了堅實的基礎(chǔ).

1 EWB軟件的特點及分析方法

EWB(Electronics Workbench，現(xiàn)稱為MultiSim)軟件是加拿大Interactive Image Technology公司推出的用于電子電路仿真的虛擬電子工作平臺［2］，具有以下4個特點.

(1)具備豐富的電路元件庫 EWB提供了各種建模所需的精確的元器件，如電阻、電容、電感、二極管、三極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等.

(2)具備多種儀器儀表 EWB提供了電壓表、電流表、萬用表、信號發(fā)生器、示波器、波特儀、邏輯分析儀、失真度分析儀、頻譜分析儀等儀器儀表，熟悉這些常用電子儀器的使用方法，可以比實驗室更靈活的方式進(jìn)行電路實驗，并仿真電路的實際運行情況.

(3)具有形象直觀的人機交互界面 在計算機屏幕上可模仿真實實驗室的工作平臺，繪制電路圖所需要的元器件及進(jìn)行電路仿真時所需要的測試儀器均可從屏幕上直接選取，軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，并可以實時顯示測量結(jié)果.

(4)具有通用性 作為設(shè)計工具，它可以同其他流行的電路分析、設(shè)計和制板軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

EWB具有強大的電路分析手段，可進(jìn)行直流、交流分析，穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析，顯示仿真電路的實際運行情況，顯示測量結(jié)果.此外，還可提供直流工作點分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪音分析、失真分析，交流分析、參數(shù)掃描、溫度掃描、零極點分析、傳遞函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析等常用的仿真分析方法［3］.利用這些工具，可以觀察各種條件和參數(shù)變化時電路的運行情況.

(1)直流工作點分析 是對直流電路進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ).在分析直流工作點之前，要選定Circuit/Schematic Option中Show nodes項，可以把電路的節(jié)點號顯示在電路圖上.

(2)交流頻率分析 即分析電路的頻率特性，需先選定被分析的電路節(jié)點，在分析時，電路的直流源將自動置零，交流信號源、電容、電感等均處于交流模式，輸入信號也設(shè)定為正弦波形式.

(3)瞬態(tài)分析 即觀察所選定的節(jié)點在整個顯示周期中每一時刻的電壓波形.在進(jìn)行瞬態(tài)分析時，直流電源保持常數(shù)，交流信號源隨時間而改變，電容和電感都是能量儲存模式元件.在對選定的節(jié)點作瞬態(tài)分析時，一般可先對該節(jié)點作直流工作點的分析，這樣直流工作點的結(jié)果就可作為瞬態(tài)分析的初始條件.

(4)傅里葉分析 用于分析一個時域信號的直流分量、基頻分量和諧波分量.一般將電路中交流激勵源的頻率設(shè)定為基頻，若在電路中有幾個交流源時，可以將基頻設(shè)定在這些頻率的最小公因數(shù)上.

2 設(shè)計實例及分析

本文選取對稱非正弦三相電路作為實例進(jìn)行設(shè)計和分析.

2.1 設(shè)計要求

對稱非正弦三相電路，A相電源電壓uA=V，負(fù)載基波復(fù)阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω，分析負(fù)載相電壓、線電壓、線電流及兩中性點間電壓的有效值大小，并進(jìn)行故障分析.

2.2 理論分析

對稱非正弦三相電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 對稱非正弦三相電路結(jié)構(gòu)

我們要分析負(fù)載相電壓UAN'，線電壓UAB，線電流IA，兩中性點間電壓UN'N的有效值大小.

A，B，C 3相電壓源分別由基波和3次諧波合成，其中基波電壓源 uA1，uB1，uC1為正序組，3次諧波電壓源 uA3，uB3，uC3為零序組.A，B，C 3 相電壓源可表示為:

基波、3次諧波電壓源的有效值分別為UA1=180 V，UA3=40 V，由三相正序、零序的特點，可以得出以下結(jié)論.

負(fù)載相電壓不含零序諧波:

負(fù)載線電壓不含零序諧波:

負(fù)載線電流不含零序諧波:

中性點之間的電壓只含零序諧波:

2.3 EWB模型設(shè)計及測試結(jié)果

每相非正弦電源中含有基波與3次諧波，用示波器觀察到3次諧波的頻率是基波的3倍，如圖2所示.

對負(fù)載供電的三相電源是基波與3次諧波疊加后的波形，為馬鞍波，各相電源對稱，見圖3.

按要求設(shè)計出對稱非正弦三相電路，見圖4.

圖2 基波與3次諧波

圖3 基波與3次諧波疊加后的波形

由于電壓頻率可自由選擇，我們將基波和3次諧波的頻率分別選為50 Hz和150 Hz.另外，負(fù)載復(fù)阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω為基波復(fù)阻抗，可以等效成一個R=6 Ω的電阻和一個L=8/314=25.465 ×10－3H=25.465 mH 電感的串聯(lián)組合.

雙蹤示波器觀察的是C相電源的基波、基波與3次諧波疊加后的電壓波形，交流電壓表讀數(shù)為電壓有效值、交流電流表讀數(shù)為電流有效值.仿真結(jié)果顯示:負(fù)載相電壓為180 V，負(fù)載線電壓為312.3 V，線電流為18 A，兩中性點間電壓為40 V.可見，仿真結(jié)果與理論分析基本一致.

圖4 對稱非正弦三相電路的設(shè)計模型

2.4 故障分析

從圖4可以看出，對稱非正弦三相電路正常運行時負(fù)載的相電壓為180 V，相電流為18 A.

當(dāng)C相負(fù)載發(fā)生短路時，A，B兩相的電壓為311.7 V，電流為31.2 A，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電壓和額定電流，過大的電壓、電流將損壞負(fù)載設(shè)備.具體故障分析見圖5.

圖5 C相負(fù)載短路故障分析

當(dāng)C相負(fù)載發(fā)生開路時，A，B兩相的電壓為156.1 V，電流為 15.55 A，導(dǎo)致負(fù)載的電壓電流太小，系統(tǒng)不能正常運行，具體故障分析見圖6.

圖6 C相負(fù)載開路故障分析

在傳統(tǒng)實驗中，當(dāng)電路出現(xiàn)開路、短路故障時，可能會使電壓電流過大燒壞元器件和儀器儀表，造成巨大損失，所以很難用實驗去模擬這些故障情況.而用EWB做仿真設(shè)計時，只需改變元器件的參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)就可以模擬出元器件出現(xiàn)故障時的情況，以便進(jìn)行各種故障分析.

3 EWB仿真設(shè)計的優(yōu)點

將運用EWB軟件進(jìn)行的仿真實驗與傳統(tǒng)的電路實驗進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)其具備如下優(yōu)點.

(1)投資少 傳統(tǒng)的電路實驗室成本很高，配置50套電路實驗臺動輒上百萬元，而且只能完成有限的幾個實驗，使用周期一般5年左右.而仿真實驗可利用學(xué)?，F(xiàn)成的計算機機房，只需要安裝相應(yīng)的軟件就可以進(jìn)行各種實驗，可大量節(jié)省硬件投資.

(2)維護(hù)方便 實驗過程中不消耗元器件，所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，虛擬元器件和虛擬儀器不存在因使用不當(dāng)而損壞的問題，可節(jié)約大量的后期維護(hù)成本，節(jié)省實驗室工作人員的精力.

(3)功能完善 實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可作各種電路實驗，一般的實驗室不可能有如此齊全的理想實驗條件.

(4)故障分析容易 在傳統(tǒng)實驗室的實驗中，出現(xiàn)開路、短路、漏電等故障將造成元器件的損耗和儀器的損壞.而運用EWB進(jìn)行仿真實驗時，只需改變電路結(jié)構(gòu)或元器件的參數(shù)就可模擬出各種故障對電路的影響，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)故障診斷分析.

(5)綜合性強 可以設(shè)計出貼近實際的應(yīng)用性、綜合性電路.在分析三相電路時，可以設(shè)計家庭電源系統(tǒng)、住宅房屋的接線圖，以及家庭單相3線的接線圖.這些設(shè)計能與工程電路實例聯(lián)系起來，有利于培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，加深對專業(yè)知識的理解和掌握，提高創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力.

4 結(jié)語

EWB作為一種全新的虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生將免費試用版軟件安裝到自己的電腦上，不受時間和場地的限制.

由于虛擬儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，反復(fù)操練就可熟悉各種儀器儀表的功能，達(dá)到事半功倍的效果.電路計算機輔助設(shè)計是對課堂教學(xué)的擴展和延伸，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的充實與改進(jìn)，既克服了傳統(tǒng)教學(xué)過于抽象和枯燥，以及教學(xué)內(nèi)容難以擴展的缺點，又彌補了傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)的不足，特別適合于開發(fā)一些在實驗室無法完成的綜合性設(shè)計，可大大激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，為學(xué)生拓展課外科技活動或電子競賽打下了堅實的基礎(chǔ).

［1］楊歡紅，楊爾濱，劉蓉暉.電路［M］.北京:中國電力出版社，2007:329-367.

［2］路而紅.虛擬電子實驗室——Electronics Workbench［M］.北京:人民郵電出版社，2001:49-77.

［3］張建宏.基于EWB的電路仿真實驗研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2009(15):94-96.

［4］朱偉興，馬長華，李鳳祥.以學(xué)生為本的電工電子學(xué)課程教學(xué)改革與實踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010(s2):3-5.