基于Multisim14.0的三相電路分析

喬一明

摘要：三相電路是一種特殊形式的復(fù)雜正弦電路，在發(fā)電、輸電和用電等方面應(yīng)用廣泛。該文利用Multisim14.0模擬仿真星形對稱三相電源供電，分析了負(fù)載短路、斷路情況下的電路響應(yīng)，以此分析三相電路性質(zhì)，揭示了星形對稱三相電源中線對于電路安全的重要性。

關(guān)鍵詞：Multisim14.0；三相電路；電路分析基礎(chǔ)；中線；電路仿真

中圖分類號(hào) TN 710-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）25-0246-03

Analysis of the Three-phase Circuit Based on Multisim14.0

QIAO Yi-ming

（Bell Honors School， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210046， China）

Abstract： Three-phase Circuit is a special form of complex Sinusoidal circuit， and it is widely used in many aspects such as power generation， transmission and power supply. In this article， we simulate the star-phase symmetrical three-phase circuit based on Multisim14.0 and analyze response under load short circuit and open circuit condition. Thus， we conclude the p properties of the three-phase circuit and reveal the importance of the existence of neutral line.

Key words：Multisim14.0； Three-phase Circuit； circuit analysis basis

在電子工程學(xué)中，三相交流電一般是將可變的電壓通過三組不同的導(dǎo)體。這三組電壓幅值相等、頻率相等、彼此之間的相位差為120度。通常來說，三相交流電分三角形接法（Δ）和星型接法（Y）兩種。三角形接法即為將各相電源或負(fù)載依次首尾相連，形成一個(gè)三角環(huán)；而星型接法則是將各相電源或負(fù)載的一端連接在一點(diǎn)，形成一個(gè)中性點(diǎn)，本文著重研究了三相電路的性質(zhì)及對稱三相電源中線的重要性。[]

NI Multisim是一款著名的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，在學(xué)術(shù)界以及產(chǎn)業(yè)界被廣泛地應(yīng)用于電路教學(xué)、電路圖設(shè)計(jì)以及SPICE模擬。Multisim?將?業(yè)界?標(biāo)準(zhǔn)?的?SPICE?仿真?與?交互?式?電路?圖?設(shè)計(jì)?環(huán)境?集成?在一起，?可?立即?查看?和?分析?電子?電路?行為。Multisim?還?在?電路?設(shè)計(jì)?流程?中?增加?了?強(qiáng)大?的?電路?仿真?和?分析，?可?幫助?研究?人員?和?設(shè)計(jì)?人員?減少?印刷?電路?板?（PCB）?原型?迭代?次數(shù)，?從而?節(jié)省?開發(fā)?成本。

在此探究中，由于資源及安全性的限制，不能夠?qū)?shí)際電路進(jìn)行操作。因此，我們使用Multisim來仿真實(shí)驗(yàn)過程，使用其強(qiáng)大的交互式電路圖設(shè)計(jì)環(huán)境，得到直觀的電路圖像界面并完成體驗(yàn)，以此來強(qiáng)化電路分析基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。生活中的供電方式多為星形連接的三相四線，受此啟發(fā)，本文將Multisim14.0來仿真模擬真實(shí)供電情況，研究三相電路性質(zhì)，揭示中線的作用。

1 三相電路基本概念

三相電路是由三相電源和三相負(fù)載所組成的電路整體的總稱。

所謂三相電源，是指能同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)頻率相同，但相位不同的正弦電壓的電源總體。如果三相電源產(chǎn)生的3個(gè)同頻正弦電壓的振幅相等、相位彼此相差120°，則稱為對稱三相電源。

在三相電路中，三相電源有星形和三角形兩種連接方式。星形連接如上圖所示，是將三相電源的三個(gè)負(fù)極性端X、Y和Z連接起來形成一個(gè)公共點(diǎn)O，O點(diǎn)稱為三相電源的中點(diǎn)，從三相電源的三個(gè)正極性端A、B和C引出供電線，引出的供電線稱為端線，俗稱火線。從電路分析的角度看，穩(wěn)定工作中的三相電路實(shí)際上是一個(gè)正弦穩(wěn)態(tài)電路，可按一般正弦穩(wěn)態(tài)電路分析。在三相電路中，將每相電源或負(fù)載上的電壓稱為電源或負(fù)載電壓，流過每相電源或負(fù)載的電流稱為電源或負(fù)載的相電流，火線間的電壓稱為線電壓，火線上的電流稱為線電流。

對于星形連接，以圖1為例，線電流就是相電流，而線電壓與相電壓不等，線電壓U12、U23和U31與相電壓U1、U2和U3的關(guān)系為：

因此，如圖2所示，作星形連接的對稱三相電源，數(shù)值上線電壓為相電壓的倍，相位上線電壓超前相應(yīng)的相電壓30°。使用220V，50Hz的對稱三相電源進(jìn)行仿真，符合預(yù)期。

2 對稱三相電路供電的仿真與分析

仿真電路圖如上所示，三相對稱電源的電壓位220V，頻率位50Hz，5個(gè)燈泡均為220V 100W，保險(xiǎn)絲為5AMP。設(shè)置了四個(gè)開關(guān)來獲得負(fù)載的不同狀況，改變S1可使B相負(fù)載短路，改變S2，可使B相負(fù)載短路，改變S3或S4可分別改變A、B相的負(fù)載阻值，以獲得非對稱負(fù)載。

經(jīng)過仿真，得到了如上所示的原始數(shù)據(jù)記錄，接下來我們分情況討論：

2.1 對稱負(fù)載

將S1、S3、S4開關(guān)斷開，S2閉合，即得到對稱負(fù)載情況下的電路，調(diào)整S5，可決定中線是否存在。由原始數(shù)據(jù)表中的記錄可得，在負(fù)載對稱的情況下，各個(gè)功率、相電壓、線電壓以及電流都較為穩(wěn)定，情況較為理想。然而在我們現(xiàn)實(shí)生活中，常見的是非對稱負(fù)載情況。

2.2 非對稱負(fù)載

2.2.1 中線存在

閉合S2、S3、S4、S5， S1斷開，得到非對稱負(fù)載中線存在情況下的電路。閉合S1可將B相短路，斷開S2可將B相斷路。B相負(fù)載為通路時(shí)， 所有燈泡均正常工作，A相為兩個(gè)220V 100W燈泡并聯(lián)，消耗功率200W， 電流為0.909A；B相只有一個(gè)220V 100W燈泡負(fù)載，消耗功率100W，電流為0.454；C相也是兩個(gè)220V 100W燈泡并聯(lián)，消耗功率220W，電流為0.909A。需要注意的是，此時(shí)中線上有0.454A的電流通過，以此來平衡非對稱的負(fù)載。

斷開S2開關(guān)，使得B相負(fù)載斷路。此時(shí)，A相與C相負(fù)載均正常工作，B相燈泡熄滅，中線電流變?yōu)?.909A。說明B相負(fù)載的斷路情況并沒有影響其他負(fù)載的運(yùn)行情況。

閉合S1，將B相負(fù)載短路。仿真電路發(fā)現(xiàn)，B相電流過大，使得熔斷器F1熔斷，B相負(fù)載變?yōu)閿嗦返臓顟B(tài)，三相電路運(yùn)行狀態(tài)與B相斷路情況一致。

2.2.2 中線不存在

閉合S2、S3、S4，斷開S1與S5，此時(shí)中線不存在。仿真得各相電壓不等于額定值，B相電壓在329V左右，燒壞B相負(fù)載。A、C相負(fù)載在190V電壓下工作。

斷開S2，使得B相斷路。仿真得，各相電壓不為額定值，A、C相電壓為190V左右，燈泡在低功率狀態(tài)下工作。

閉合S1，使得B相斷路。仿真得，此時(shí)A、C相電壓為380V左右，B相電壓接近于0， A、C相的所有燈泡都被燒壞，熔斷器沒有發(fā)揮相應(yīng)的作用。

3 中線的作用及分析

由上仿真的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，中線的存在對于三相電路正常工作有著重要的作用。在三相負(fù)載不對稱的情況下，沒有中線，各相電壓不等于額定值，容易出現(xiàn)負(fù)載低功率工作甚至是燒壞負(fù)載的情況，給用戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而中線存在則可以保證電路某一相出現(xiàn)問題時(shí)，其他兩相的電壓依舊是額定值，因此，在實(shí)際應(yīng)用之中，中線的存在至關(guān)重要，并且中線不允許安裝開關(guān)或者保險(xiǎn)絲等元件，常見的輸電電路也多使用三相四線制。

4 結(jié)束語

通過使用Multisim14.0對星型連接三相電源的三相電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，可以看出三相電路中線存在的重要性，同時(shí)對三相電路的性質(zhì)有了更深刻的認(rèn)識(shí)與理解。中線的存在可以保證各相負(fù)載的獨(dú)立性，即某一相的意外情況不會(huì)影響其他相的工作情況，為三相電路的安全性提供了強(qiáng)有力的保證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱學(xué)來.不對稱三相電路的分析[J].科技信息，2010（32）：108.

[2] 紀(jì)明霞，陳世夏，高玉章.Multisim在三相電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：189-191+194.

[3] 王翰卓，陳海花.基于Multisim10和Matlab7.0的正弦穩(wěn)態(tài)電路分析[J].電子科技，2013，26（1）：146-149.

[4] 方潔. 三相交流電源的產(chǎn)生及特點(diǎn)研究[A].《決策與信息》雜志社、北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院.決策論壇——政用產(chǎn)學(xué)研一體化協(xié)同發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集（下）[C].《決策與信息》雜志社、北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，2015.

[5] 劉陳，周井泉，于舒娟. 電路分析基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2017.

【通聯(lián)編輯：王力】