Multisim仿真軟件在供配電技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

曾禮光 黃鶯

【摘 要】以Multisim仿真軟件為平臺，以車間變電所為基本模型，以功率因數(shù)測試及無功功率補償?shù)膬?nèi)容為主線，通過仿真元件的創(chuàng)建、電路模型的設(shè)計與仿真測試，完成在虛擬的環(huán)境下代替真實的系統(tǒng)進行實驗教學(xué)的目標(biāo)，開創(chuàng)了Multisim在強電實驗教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

【關(guān)鍵詞】Multisim 供配電技術(shù) 課程教學(xué) 應(yīng)用

【中圖分類號】 G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）03C-0179-03

一、傳統(tǒng)式的教學(xué)方法及效果分析

傳統(tǒng)式的教學(xué)方法，一般采用以下基本程序：復(fù)習(xí)舊課—激發(fā)學(xué)習(xí)動機—講授新課—鞏固練習(xí)—檢查評價—間隔性復(fù)習(xí)。這種以教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法，其教學(xué)效果受到很多因素的制約，一是教師的專業(yè)技術(shù)水平，二是教師的語言表達能力，三是授課對象注意力的集中程度。而在上述三種因素中，最不穩(wěn)定的是授課對象的注意力，不僅控制難度大，而且對教學(xué)效果也是最具“破壞力”的因素，尤其在信息化快速發(fā)展的今天，人們獲取知識的途徑已經(jīng)顯現(xiàn)多樣化，過去那種“跟著老師在課堂上學(xué)”的教學(xué)方法也將受到前所未有的沖擊。面對自我意識更強的授課對象群，在知識的傳授過程中，如果還把學(xué)生當(dāng)做被動的接受者，結(jié)果只會增加學(xué)生的逆反心理，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性。

供配電技術(shù)是一門融理論性、工程性和實踐性于一體的專業(yè)技術(shù)課程，該課程主要面向的職業(yè)崗位群有三大類：一是變電所（站）值班員與維護員、供配電設(shè)備檢修員與設(shè)備管理員；二是建筑配電系統(tǒng)設(shè)計員與安裝員；三是供配電設(shè)備制造所需要的工藝員、檢查員、維護員、調(diào)試員等。按崗位目標(biāo)的要求和教學(xué)的目的，不僅要使學(xué)生明白“為什么”，而且要教會學(xué)生“怎么做”，實現(xiàn)教、學(xué)、做一體。然而，要實現(xiàn)這個教學(xué)目標(biāo)，僅有好的師資隊伍是不夠的，還需要相對完善的實訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)來支撐。

任何事物的發(fā)展都要經(jīng)歷一個逐漸成長的過程，實訓(xùn)基地的建設(shè)也不例外，在實驗實訓(xùn)設(shè)備不足的情況下，如何才能最大程度地提高教學(xué)質(zhì)量？引入現(xiàn)代教育技術(shù)輔助教學(xué)，是一個不錯的選擇。

二、Multisim強電仿真功能的開發(fā)

Multisim是一款電子應(yīng)用仿真軟件，它具有強大的元件庫功能，通過對其中機電元件庫功能的開發(fā)，實現(xiàn)了Multisim在強電環(huán)境下的仿真應(yīng)用。下面以“功率因數(shù)測試與無功功率補償”為實驗項目，介紹具體電路的設(shè)計與仿真運行的方法。

（一）實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計

1.變電所類型的選擇。電力系統(tǒng)主要由發(fā)電廠、變電所、輸電線路和用電設(shè)備等四大要素構(gòu)成，從變電所的配置上看，車間變電所位于系統(tǒng)的末級，是所有用電設(shè)備與電網(wǎng)連接的橋梁，其數(shù)量最多，接觸面最廣。因此，在設(shè)計“功率因數(shù)測試與無功功率補償”仿真電路模型時，選擇了車間變電所作為基本模型。車間變電所的基本結(jié)構(gòu)由10KV電源進線、10KV高壓斷路器、三相變壓器、低壓斷路器、用戶設(shè)備與電容補償裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 車間變電所電氣系統(tǒng)圖

2.中性點運行方式。車間變電所輸入電壓為10KV，而輸出電壓為220/380V，為滿足給三相和單相負荷供電的要求，采用中性點直接接地的運行方式，輸出模式為典型的“三相四線制”，即三個相線和一個中性線，也稱為N線或PN線。

3.主要技術(shù)指標(biāo)。（1）變電所受電電壓，即配電電壓為10KV。（2）變電所饋出電壓，即輸出電壓為220/380V。（3）變壓器采用10/0.4KV三相變壓器，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為Dyn0。（4）負載配置：三相異步電動機2臺，單相照明設(shè)備3組，額定功率3×1000W，分別接于三相四線制的U、V、W相上，未接補償電容器時系統(tǒng)總的功率為117KW。（5）補償前系統(tǒng)高壓側(cè)的功率因數(shù)為0.817，補償后高壓側(cè)的功率因數(shù)≥0.9。（6）無功功率補償選擇并聯(lián)電容器法，電容器的采用△連接，補償裝置的接入點為變壓器低壓母線。

（二）仿真電路的設(shè)計

仿真軟件的版本為Multisim9，設(shè)計內(nèi)容：車間變電所“功率因數(shù)測試與無功功率補償”電路。設(shè)計的步驟如下：

1.仿真元件的創(chuàng)建與選擇。從仿真元件庫中選擇元件，是Multisim仿真電路設(shè)計的第一步，只有選擇與供配電系統(tǒng)相匹配的仿真元件，才能實現(xiàn)相應(yīng)的仿真功能。

（1）三相變壓器的創(chuàng)建。車間變電所電氣主接線圖仿真電路的設(shè)計，關(guān)鍵的問題是解決三相變壓器元件的創(chuàng)建及參數(shù)的設(shè)置，因為在Multisim9現(xiàn)有的元件庫中無法找到符合車間變電所需要的電力變壓器的元件模型，本設(shè)計方案利用元件庫里現(xiàn)有的虛擬變壓器進行組裝。具體做法是：將3個變壓器的一次繞組6個接頭按照頭尾相接（注意變壓器的同名端）的原則接成△，再從三角形的3個頂點各引出一根線，分別與三相交流電源的三個相線相接；將3個變壓器的二次繞組的6個接頭接成星形，即將3個變壓器的二次繞組的3個異名端連接在一起，并直接與地相連接，作為車間供配電系統(tǒng)的N線，變壓器另外3個同名端各引出一根線作為車間供配電系統(tǒng)3個相線U、V、W。仿真模型如圖2所示。

圖2 三相變壓器仿真模型

（2）10KV三相交流電源及其它元件的選擇。10KV三相交流電源，可直接從電源庫中選擇，方法是在元件工具欄里找到電源庫的圖標(biāo)，雙擊打開該元件庫，選擇信號電壓源即可，如圖2的V1所示。其余電路元件可從Multisim9相應(yīng)的元件庫中查找。

2.元件參數(shù)的設(shè)置。對于車間變電所“功率因數(shù)測試及無功功率補償”的仿真電路來說，對仿真運行影響較大的元器件是三相變壓器和10KV交流電源，參數(shù)設(shè)置方法如下：

（1）三相變壓器的參數(shù)設(shè)置。本設(shè)計所選擇的變壓器，是由元件庫里虛擬的單相變壓器組裝而成，其特點是各相磁路獨立，因此，對每個單相變壓器的參數(shù)設(shè)置要完全相同。首先，確定變壓器的變壓比。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB156-1993《電壓標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，車間變電所高壓側(cè)的額定電壓10KV，低壓側(cè)的額定電壓220/380V，因此，其變壓比為：

（1）

如果變壓器的二次繞組為100匝，那么其一次繞組的匝數(shù)為：

（匝） （2）

其次，確定變壓器初次繞組的電阻。以一個100KV.A的全密封式三相變壓器為例，其型號：S9-M-100/10。主要性能參數(shù)：空載損耗0.29KW、短路損耗1.5KW、空載電流1.6%、阻抗電壓4%，由此可推算變電壓器的勵磁電阻Rm：

（3）

“變壓器在空載時，”，因此，該變壓器一次繞組的直流電阻約為20Ω左右。仿真試驗時，該電阻值可在20～60Ω的范圍內(nèi)選擇，具體數(shù)值需要根據(jù)負荷的大小而定。而變壓器二次繞組的直流電阻一般均小于1Ω，具體數(shù)值的選擇也需視負荷的大小而定。值得注意的是，3個單相變壓器的參數(shù)設(shè)置要相同，設(shè)置的參數(shù)包括：初級匝數(shù)、初級電阻、次級匝數(shù)、次級電阻，其它參數(shù)采用系統(tǒng)默認值。

（2）10KV交流電源的參數(shù)設(shè)置。Multisim9元件庫所提供的交流信號源，其有效值為相電壓值，而車間變電所高壓側(cè)10KV的輸入電壓為線電壓，因此，該交流信號源的電壓為：

（4）

因此對信號源參數(shù)設(shè)置為： “Voltage”為5774V、“Frequency”為50Hz。

3.仿真電路的連接。完成元件查找后，可按車間變電所電氣主接線圖的連接關(guān)系，合理調(diào)整元件的布局，并將電路接通，如圖3所示。

圖3 車間變電所“功率因數(shù)測試及無功功率補償”仿真電路圖

（三）仿真運行

1.補償電容器組接入前的仿真運行。車間變電所“功率因數(shù)測試及無功功率補償”仿真電路圖如圖3所示。仿真運行時，先閉合出線斷路器S2，后合高壓斷路器S1，此時，照明燈X1、X2、X3被點亮，各電壓、電流表相繼顯示各線路的額定電壓及負載電流值。雙擊圖3所示的功率表XWM1，如圖4所示。表中顯示的數(shù)據(jù)即為系統(tǒng)的有功功率和功率因數(shù)。

圖4 無補償?shù)墓β屎凸β室驍?shù)

2.系統(tǒng)無功功率補償量的計算。從圖4所示的測試結(jié)果可知，未接入電容補償裝置前功率因數(shù)只有0.817，不符合我國電業(yè)部門規(guī)定的≥0.9的要求，因此，需要對該系統(tǒng)進行無功功率的補償，補償?shù)姆椒ú捎迷诘蛪耗妇€并接電容器的方法。

（1）無功功率補償量的計算。無功功率補償量用Qc表示，考慮到變壓器的無功功率的損耗遠大于有功功率的損耗，因此，在變壓器低壓側(cè)補償時，低壓補償后功率因數(shù)應(yīng)略高于0.9，本設(shè)計方案按0.95計算。

（5）

取整數(shù)。

（2）需接入并聯(lián)電容量的計算。并聯(lián)補償電容器采用△形連接，并聯(lián)電容器的裝設(shè)位置采用了低壓集中補償?shù)姆绞?，C=1μF時，其三相無功功率補償量為：

（6）

那么單相無功功率補償量為（電容器C=1μF時）：

（7）

需要并聯(lián)電容器的總?cè)萘浚?/p>

（8）

（3）補償電容器的個數(shù)及分組。補償電容器采用△連接，若每個電容器的容量為100μF，12個電容器共計1200μF，考慮到電容器的無功損耗，因此補償量稍大是合適的。每組需3個電容器，12個電容共分為4組。其連接關(guān)系如圖3所示。

3.補償電容器接入后的仿真運行。在補償電容器接入前仿真運行的基礎(chǔ)上，依次閉合S3和S4，將補償電容器接入系統(tǒng)，此時測試的數(shù)據(jù)即為補償后有功功率和功率因數(shù)，雙擊圖3所示的功率表XWM1，即可顯示所測試的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 補償后的功率和功率因數(shù)

從測試結(jié)果可以看出，并接電容補償裝置后的功率因數(shù)達到0.923，基本滿足了設(shè)計要求。在功率因數(shù)提高的同時，系統(tǒng)的有功功率也由原來的117.326KW增加到133.975KW，這是由于變壓器的無功功率損耗所造成的。

三、教學(xué)過程的設(shè)計與課時安排

教學(xué)過程的設(shè)計，以創(chuàng)設(shè)真實的工作情景為指導(dǎo)，以完成車間變電所“功率因數(shù)測試與無功功率補償”仿真電路的設(shè)計與運行為主線，通過讓學(xué)生親自參與項目的實驗，達到“做中學(xué)”的教學(xué)目的。

基于Multisim“功率因數(shù)測試與無功功率補償”電路設(shè)計及仿真運行的成功，為Multisim在供配電技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代仿真技術(shù)開展輔助教學(xué)，模擬真實的供配電系統(tǒng)，將復(fù)雜、抽象的理論問題，通過仿真實驗進行直觀、形象化的教學(xué)，既有效激勵了學(xué)生的求知欲望，更重要的是通過讓其參與仿真實驗，學(xué)到了許多分析和解決問題的方法。

【參考文獻】

[1]郭鎖利，劉延飛，李琪，王曉戎，張延偉. 基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真與綜合應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2012

[2]翁雙安. 供配電工程設(shè)計指導(dǎo)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008

[3] 付艮秀，王邦林. 工廠供電技術(shù)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2006

[4]張廣溢，郭前崗. 電機學(xué)（第2版）[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

[5]唐志平，魏勝宏，楊衛(wèi)東. 工廠供配電[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002

【資助項目】2011年廣西高校科研立項項目（201106LX808）

【作者簡介】曾禮光（1958- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電氣自動化技術(shù)。黃 鶯（1980- ），男，工學(xué)碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：智能檢測與控制技術(shù)。

（責(zé)編 丁 夢）