正弦信號(hào)激勵(lì)下RL電路暫態(tài)過程的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)分析

王艷梅

（渤海大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州121000）

正弦信號(hào)激勵(lì)下RL電路暫態(tài)過程的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)分析

王艷梅

（渤海大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州121000）

正弦信號(hào)激勵(lì)下的RL一階電路，正弦激勵(lì)信號(hào)的初相位角和電路的阻抗角滿足一定關(guān)系時(shí)其換路瞬間的暫態(tài)過程會(huì)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。由于硬件實(shí)驗(yàn)儀器的正弦信號(hào)發(fā)生器不能隨意設(shè)置初相位角，無法對(duì)這種過電流現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于探索RL一階電路過電流現(xiàn)象仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的目的，用Multisim14軟件對(duì)RL一階電路的過電流現(xiàn)象進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并給出實(shí)驗(yàn)原理和方法，結(jié)論是仿真實(shí)驗(yàn)可直觀形象地描述暫態(tài)過程及過電流現(xiàn)象，有利于系統(tǒng)地研究電路元件參數(shù)的選擇。

正弦激勵(lì)信號(hào)；RL電路；暫態(tài)過程；過電流；Multisim

由電阻、電感構(gòu)成的RL一階電路，在換路時(shí)由于儲(chǔ)能元件中的能量不能突變，電路的響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過程。正弦激勵(lì)下的RL一階電路，正弦激勵(lì)信號(hào)的初相角和電路的阻抗角滿足一定關(guān)系時(shí)其換路瞬間的暫態(tài)過程會(huì)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象[1]。一些文獻(xiàn)，對(duì)這種過電流現(xiàn)象僅從理論上進(jìn)行了分析而缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，原因是硬件實(shí)驗(yàn)儀器的正弦信號(hào)發(fā)生器不能隨意設(shè)置初相位角，用Multisim軟件仿真可解決上述問題。

仿真實(shí)驗(yàn)的目的，是給出正弦信號(hào)激勵(lì)下RL一階電路在換路瞬間的暫態(tài)過程中電感元件過電流現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)原理和方法。

以下分析用Multisim14版本，所述方法亦適于其他版本。

1 RL一階Multisim仿真電路的構(gòu)建及工作原理

在Multisim14軟件[2-15]中構(gòu)建的正弦信號(hào)激勵(lì)RL一階仿真電路如圖1所示。其中，uS（t）為輸入正弦激勵(lì)信號(hào)，XSC1為雙蹤示波器，R為電阻元件，L為電感元件。uL（t）為電感兩端電壓，uR（t）為電阻兩端電壓，電感電流即RL串聯(lián)回路的電流iL（t）為響應(yīng)電流。

圖1 RL一階Multisim仿真測試電路

Multisim仿真測試電路的構(gòu)建關(guān)鍵要點(diǎn)如下。

1）Multisim仿真測試電路沒有設(shè)置換路開關(guān)，用Multisim仿真軟件的仿真開始按鈕Run或計(jì)算機(jī)鍵盤的F5按鍵替代換路開關(guān)，按下Run按鈕或F5按鍵電路開始工作，相等于換路開關(guān)閉合。按下Multisim仿真軟件的Stop按鈕結(jié)束仿真。

2）信號(hào)電壓源的選擇

產(chǎn)生最大過電流時(shí)對(duì)正弦激勵(lì)信號(hào)的初相角有要求，仿真實(shí)驗(yàn)電路中的信號(hào)電壓源必須能設(shè)置初相角。

Multisim14軟件虛擬儀器庫中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸出產(chǎn)生正弦波時(shí)只能對(duì)工作頻率、幅度和直流偏置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，不能設(shè)置初相角。因此，不能選用虛擬儀器庫中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

Multisim14軟件的元器件庫（元器件工具欄）中的電源/信號(hào)源庫的信號(hào)電壓源為虛擬器件，可通過自身的屬性對(duì)話框?qū)ζ湎嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，由Voltage（RMS）設(shè)置有效值、Frequency（F）設(shè)置頻率、Phase設(shè)置初相角。

3）電流量的測試

RL一階電路中電感元件中的電流量即RL串聯(lián)回路的電流量是過電流現(xiàn)象的主要測試電量，而顯示儀器示波器只能顯示和測量電壓量，不能顯示和測量電流量。因此，實(shí)驗(yàn)測試電流量iL（t）由暫態(tài)過程到穩(wěn)態(tài)過程的變化情況只能通過電壓量間接進(jìn)行。RL一階電路中，電阻R又是電流檢測電阻，其兩端電壓的波形與電感中電流的波形形狀相同，再用歐姆定律將電壓量轉(zhuǎn)換成電流量?？紤]到示波器要求所測量的電壓量必須是一端接地，因此，仿真實(shí)驗(yàn)測試電路中電阻R必須是一端接地。

4）顯示儀器的選擇

仿真測試時(shí)，需用波形顯示的方式直觀地反映電路由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過程，需要同步顯示的信號(hào)有輸入正弦激勵(lì)電壓信號(hào)和電阻兩端的電壓，因此選用Multisim14軟件虛擬儀器庫中的雙蹤示波器、四蹤示波器（用其中的2路）均可。圖1中，雙蹤示波器XSC1用于觀測正弦激勵(lì)輸入信號(hào)uS（t）、電阻兩端電壓uR（t）的波形。

2 正弦信號(hào)激勵(lì)下RL一階電路的完全響應(yīng)及過電流現(xiàn)象

圖1所示電路，設(shè)正弦激勵(lì)信號(hào)為

其中：Usm為輸入正弦激勵(lì)信號(hào)的最大值；ω為角頻率；為接通電源時(shí)的初相角，以按下仿真開始按鈕Run或計(jì)算機(jī)鍵盤的F5按鍵作為t≥0仿真開始的時(shí)刻為電路換路時(shí)刻。

以電感電流iL（t）為變量，建立t≥0開關(guān)閉合電路微分方程，可求出在初始條件為iL（0）=0的條件下，由正弦穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量上相疊加的電路存在過電流現(xiàn)象的完全響應(yīng)為[1]

其中，ILm為RL一階電路穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流的最大值，θ為RL一階電路的阻抗角。

分析式（2），顯然接通電源換路時(shí)若初相角為

電路的完全響應(yīng)為

3 正弦信號(hào)激勵(lì)下RL一階電路完全響應(yīng)的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)分析

圖1所示仿真實(shí)驗(yàn)電路的參數(shù)選取及理論計(jì)算結(jié)果如下。

電阻：R=100 Ω。電感：L=0.1 H。電路初始條件：iL（0）=0。

圖2 時(shí)的仿真波形

圖3 時(shí)的仿真波形

圖2、圖3中表明，換路后暫態(tài)過程中電路產(chǎn)生了過電流現(xiàn)象，經(jīng)過約5個(gè)輸入信號(hào)變化周期暫態(tài)過程結(jié)束；時(shí)正弦穩(wěn)態(tài)分量疊加在負(fù)向暫態(tài)分量上，時(shí)，正弦穩(wěn)態(tài)分量疊加在正向暫態(tài)分量上。

Multisim仿真測試的結(jié)果與理論分析相一致。

4 結(jié)束語

文中的討論，可以清楚地全面了解正弦信號(hào)激勵(lì)下RL一階電路的完全響應(yīng)情況，以及接通電源換路后在暫態(tài)過程中正弦信號(hào)初相角與過電流現(xiàn)象的關(guān)系。

RL一階電路的過電流現(xiàn)象雖然時(shí)間很短暫，但在工程上卻有著十分重要的意義，在實(shí)際工程中應(yīng)引起足夠的重視。

[1]李瀚蓀．電路及磁路[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版，1994．

[2]騰香．RC電路正弦穩(wěn)態(tài)特性的Multisim仿真分析[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（10）:10-12．

[3]任駿原．74LS161異步置零法構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的Multisim仿真[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（14）: 135-137．

[4]任駿原．用Multisim仿真軟件分析觸發(fā)器的狀態(tài)變化過程[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（1）：53-56．

[5]任駿原．555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)特性分析 [J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2013，31（2）：170-172．

[6]任駿原．RC橋式正弦波振蕩電路的輸出幅值分析[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（14）:107-108．

[7]騰香．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中RC電路時(shí)間常數(shù)的Multisim仿真測試[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（5）:100-102．

[8]騰香．RLC正弦交流電路電量的Multisim仿真測試[J]．渤海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（2）:126-130．

[9]馬敬敏.基本RS觸發(fā)器工作狀態(tài)的Multisim仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（17）:24-26．

[10]馬敬敏．基本放大電路工作波形的Multisim仿真[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（3）:133-135．

[11]馬敬敏．非對(duì)稱式多諧振蕩器的Multisim仿真[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（9）:11-12．

[12]馬敬敏．CMOS傳輸門工作特性的Multisim分析[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（21）:8-10．

[13]馬敬敏．多路競賽搶答器電路的仿真設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（6）:20-23．

[14]馬敬敏．基于74LS161的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器自啟動(dòng)設(shè)計(jì)[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2011，29（5）：477-480．

[15]馬敬敏．基于集成移位寄存器的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器自啟動(dòng)設(shè)計(jì)[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2013，40（1）：47-50．

Multisim simulation experiment analysis of transient process of RL circuit under sinusoidal excitation

WANG Yan-mei
（College of Information Science and Technology，Bohai University，Jinzhou 121000，China）

Sinusoidal excitation signal RL first order circuits，sinusoidal excitation circuit and the initial phase angle signal impedance angle satisfy certain relations，in transient circuit changing moment will appear over-current phenomenon.Since the hardware laboratory instruments sinusoidal signal generator can not arbitrarily set the initial phase angle，can not this over-current experimental verification. Objective To explore based on the first order RL over-current circuit simulation technology with Multisim14 software over-current RL first order circuits simulation experiments，and experiments are given principles and methods，concluded that the simulation can describe the visual image transient and over-current phenomenon is conducive to systematic study of the selection circuit element parameters.

sinusoidal excitation signal；RL circuit；transient process；over-current；Multisim

TN702

A

1674-6236（2017）09-0046-03

2016-04-01稿件編號(hào)：201604004

遼寧省教育廳一般項(xiàng)目（L2015007）

王艷梅（1972—），女，遼寧錦州人，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。