基于Multisim的三相交流負載星型連接電路仿真

田清華， 李巾帥

(石家莊職業(yè)技術學院 機電工程系,河北 石家莊 050081)

三相交流電路星型連接是電路連接的重要形式.為加深學生對三相電路星型連接特性的理解，教師一般會通過三相交流負載電路的測量實驗來驗證中線的作用.通常，實驗采用三相四線制供電系統(tǒng)，相電壓220 V，線電壓380 V，測量電壓高，測量數(shù)據(jù)多，稍有不慎會造成電源短路.對于初學的學生來說，理解中線的作用非常困難，在實驗室進行三相交流電路實驗不僅有較大的危險性，操作難度也比較大，且實驗測量數(shù)據(jù)誤差也較大，數(shù)據(jù)處理非常麻煩.而用Multisim(美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真軟件)仿真，不僅安全、可靠，能避免實際操作中的許多不足，而且能直觀、形象地展示精確的測量值，分析方便，有利于提高學生的學習興趣和增加其完成實驗的成就感.

本文通過Multisim仿真實驗，分析三相交流負載星型連接時，對稱負載和不對稱負載情況下，線電壓與相電壓、線電流與相電流的關系，以及中線的重要作用.

1 Multisim簡介

Multisim是一款自動化軟件，主要用于電路教學、電子電路的設計及仿真模擬[1].這款軟件的基礎是Windows,具有強大的仿真能力.它的操作界面是一個虛擬的電工電子實訓臺，該實訓臺包含設計電路所需的17 000多種元器件和22種測試儀器，其中，元器件的參數(shù)可以根據(jù)需要修改.所有的元器件均可通過鼠標直接拖動，操作簡單.軟件中包含18種分析手段.

在實際教學中，電子電路課程的理論教學和學生的動手操作環(huán)節(jié)存在一定程度的脫節(jié)現(xiàn)象，而Multisim軟件很好地解決了這一問題，學生可以把教師講的理論知識通過軟件呈現(xiàn)出來[2].

2 三相交流負載星型連接電路搭建

在Multisim中，按圖1搭建三相交流負載星型電路.電路中的三相電源V1為星型三相對稱交流電源，相電壓為220 V，線電壓為380 V，相位差為120°，頻率為50 Hz.三相交流負載的每相安裝2個燈泡，燈泡的額定電壓為220 V，額定功率為220 W.U1-U3為交流安培計，用來測量線電流；U4-U6為交流安培計，用來測量相電流；U7-U9為交流伏特計，用來測量線電壓；U10-U12為交流伏特計，用來測量相電壓；U13為交流安培計，用來測量中線電流[3].

圖1 三相負載星型接法仿真電路

3 電路仿真

3.1 有中線時的電路仿真

3.1.1 負載對稱時的電路仿真

3.1.2 負載不對稱時的電路仿真

3.1.3 負載一相斷路時的電路仿真

3.1.4 負載有一相短路時的電路仿真

3.2 無中線時的電路仿真

3.2.1 負載對稱時的電路仿真

星型連接負載對稱時的仿真結果見表1.

表1 負載對稱時的測量結果

3.2.2 負載不對稱時的電路仿真

星型連接負載不對稱時的仿真結果見表2.

表2 負載不對稱時的測量結果

由表2可知，有中線時，線電壓為380 V,相電壓為220 V，由于負載不對稱，相電流不再相等，中線電流不再為0；無中線時，由于負載不對稱，相電壓、相電流不再相等.負載電阻越大，對應的相電壓越高，當某相電壓超過額定電壓時，會燒壞負載，影響電路正常工作.因此，中線是保持負載相電壓對稱和負載正常工作的關鍵，在三相負載星形連接電路中，中線必須連接.

3.2.3 負載一相斷路時的電路仿真

星型連接負載有一相斷路時的仿真結果見表3.

表3 負載有一相斷路時的測量結果

由表3可知，有中線時，線電壓為380 V,相電壓為220 V，各相負載能正常工作，但由于負載不對稱，相電流不再相等，中線電流不再為0，此時各相負載不對稱程度加大，中線電流變大；無中線時，由于負載不對稱，相電壓、相電流不再相等，負載電阻越大，對應的相電壓越高，當某相電壓超過額定電壓時，會燒壞負載，影響電路正常工作.為保證負載正常工作，中線必須連接.

3.2.4 負載有一相短路時的電路仿真

將圖1所示電路中的開關G斷開，其他所有開關均閉合，此時為三相不對稱負載電路，且無中線連接.此時A相負載短路，B相、C相負載均為440 W，觀察安培計和伏特計讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，三相的線電壓不再存在與相電壓的倍數(shù)關系，無中線電流.觀察仿真電路發(fā)現(xiàn)，A相短路時，B相、C相燈泡均被燒毀，不能正常工作.其原因在于，當A相短路時，B相、C相燈泡承受的電壓均為380 V，遠遠超過額定電壓220 V.

星型連接負載有一相短路時的仿真結果見表4.

表4 負載有一相短路時的測量結果

由表4可知，有中線時，線電壓為380 V,相電壓為220 V，各相負載能正常工作，但由于負載不對稱，相電流不再相等，中線電流不再為0，此時各相負載不對稱程度加大，中線電流進一步變大.無中線時，由于負載一相短路，其他兩相的相電壓直接變?yōu)榫€電壓380 V，超過負載的額定電壓，負載被燒毀，影響電路正常工作.因此，為保證負載正常工作，中線必須連接.

4 結論

通過仿真實驗可以進一步驗證，當三相交流負載星型連接電路的負載對稱時，每相負載上的相電壓相等，均為額定值，各相負載正常工作，中線不起作用.三相負載不對稱或某一相電路出現(xiàn)故障(極端不對稱)時，有中線可保證其他兩相電壓正常;若沒有中線，各相負載上的電壓不再等于額定值，各相負載均不能正常工作，甚至被燒毀.因此，中線是保持負載相電壓對稱和負載正常工作的關鍵.三相交流負載星型連接電路中不能沒有中線，也不能在中線上安裝開關或保險絲.這也是生活中常用的三相交流負載電路為保持各相電壓不變一般采用三相四線制的原因[6].