1、6、電工根底電路仿真舉例6.1電路根底理論仿真歐姆定律歐姆定律確定了線性電阻兩端的電壓與流過電阻的電流之間的關系。 歐姆定律的數學表達式：V=IR式中，I為流過電阻的電流， 單位為A 安培；R為電阻元件的阻值， 單位為Q 歐 姆；V為電阻兩端的電壓，單位為 V 伏特。圖6.1 1為一歐姆定律測試電路，圖中 M1和M2分別為顯示器件庫中的電壓表和 電流表，讀者可自行改變電壓 V1與電阻R1的數值，通過觀察電壓表和電流表讀數的變 化驗證其服從歐姆定律關系。M2-1："： m IR12 a| 佗.00VI12 V圖6.1 1歐姆定律測試電路串聯電路分析串聯電路的特點是，流過每個串聯元件的電

2、流相等。串聯電路的等效電阻等于各串 聯電阻之和。根據基爾霍夫電壓定律知，在電路中環繞任一閉和回路一周，所有電壓降 的代數和必須等于所有電勢升的代數和。在圖6.1 2所示的串聯測試電路中，各串聯電阻電壓降之和必須等于外加電源電壓，讀者可改變電路參數，作進一步觀察驗證。| -4.000 y |L4.000 L4000 yj|RRR1 kn1 kn1 kn1<P p3.UU4rri 口 _«P<I|Q|q<圖6.1 2串聯測試電路并聯電路分析并聯電路的特點是，每個并聯元件兩端的電壓都相同，電源輸出電流為各并聯支路 電流之和。并聯電阻的等效電阻R的倒數為各并聯電阻的倒數之和

3、。根據基爾霍夫電流定律知，在電路的任何一個接點上，流入節點的所有電流的代數 和必須等于流出節點的所有電流的代數和。在圖6.1 3所示的并聯測試電路中，流入各個并聯電阻支路的電流之和，必須等于流進電阻并聯電路的總電流。圖6.1 3并聯測試電路串一并聯電路分析串一并聯電路是由局部串聯電路和局部并聯電路混合組成的電路。這類電路在分析 時，首先應分清電路中哪些是串聯局部，哪些是并聯局部，然后根據串并聯的不同特點 進行分析。圖6.1 4為一串一并聯測試電路，讀者可根據串、并聯特點自行分析各元件之間的電流、電壓依存關系。圖6.1 4串一并聯測試電路分壓關系測試分壓關系是指，串聯電路中電阻兩端的電壓降之比與

4、電阻值之比相同。這種關系可 通過圖6.1 5所示分壓關系測試電路得到驗證。圖6.1 5分壓關系測試電路分流關系測試分流關系是指，在并聯電路中任何兩條并聯支路的電流之比與兩支路的電導之比相 同。因為電導是電阻的倒數，因此，電流的分配與電阻值的大小相反，即電阻值大的支 路流過的電流小，而電阻值小的支路流過的電流大。分流關系可通過圖6.1 5所示分流關系測試電路得到驗證。M1軸3 12 35 詞I IM4圖6.1 6分流關系測試電路疊加原理在電路分析理論中，疊加原理是指，在一個含有多個獨立源的線性網絡中，任一元 件上的電流或電壓，應等于網絡中各個獨立源單獨作用時所產生的電流或電壓的代數和。 對于圖6

5、.1 7所示電路，我們可以令電壓源V1和V2單獨作用時，求得各支路電流和電壓，然后進行疊加，求得各支路的實際電流和電壓，將計算結果與電流表和電壓表實 測結果進行比照，進一步加深對疊加原理的理解。M7IL7< k-15 VM61 .口 幣1由 口小 VJI M2| IO .OOR2 r2 koLL?-euum ail Ms3m A| IU|4| 5 OaA rn A|廠 10 Vb dkM3圖6.1 7疊加原理測試電路6.2交流電路仿真電感電路分析Ml在EWB主界面內，按圖6.21搭接電路，注意將電流表 Mi和電壓表M2置于交流 AC工作模式。電路中，輸入交流電壓 Vi的頻率為50Hz，電

6、壓有效值為10V。電感 L的感抗Xl=2 n fL=2 n X 50X 1X 103Q =0.314 Q。因為感抗值遠大于所串電阻 R的阻值， 因此，該電路可視為純電感電路。TL Iroooi a龍u M2圖6.2 1電感電路將電路中輸入電壓 V1接到示波器Va通道，電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道， 閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標得兩電壓波形如圖6.22所示。電阻R作為電感電流的采樣電阻，其兩端電壓驗證了流過電感的交流電流滯后外加交流電壓VJ相角n /2的根本關系。圖6.2 2電感兩端外加交流電壓與流過其電流的相位關系電容電路分析在EWB主界面內，按圖 6.2 3搭接電路，與電感電路相同，

7、將電流表M1和電壓表M2置于交流AC工作模式，選擇輸入交流電壓V1的頻率為50Hz,電壓有效值為10V。電容 C 的容抗 Xc=1/ (2 n fC) =1/ (2n X 50X 1X 106) Q =3.18k Q。因為容抗值 遠大于所串電阻 R的阻值，因此，該電路可視為純電容電路。MlVI10 VJ50 Hz/D Deg;10.00圖6.23電容電路將電路中輸入電壓 Vi接到示波器Va通道，電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道，閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標得兩電壓波形如圖6.24所示。電阻R作為電容電流的采樣電阻，其兩端電壓驗證了流過電容的交流電流超前外加交流電壓(Vi)相角n /2-Os

8、cilloscopeT145 4WE0sT245 E359T2-T1iE0.日B00 nsVA11 $ 1421VVA2-14I 421U-28.2942UjVEImVVB2602VE2VB117.Z04| it V/EivAg| OlfPC"| mv1皿丫:L'linne A|也航日罰Kpositwn:B/AEd賈屯L艸時| » W?ia| Aui« Ik _fi Bit |尺駅33暑Reve*se的根本關系。圖6.2 4電容兩端外加交流電壓與流過其電流的相位關系6.2.3 L、C串聯諧振電路分析在EWB主界面內，按圖6.25搭接電路，將電流表Mi和電壓

9、表M2置于交流(AC ) 工作模式。電感L與電容C串聯構成串聯諧振電路，電阻R作為諧振電流的采樣電阻。先選擇輸入交流電壓 Vi的頻率為50Hz，電壓有效值為10V。選擇EWB分析菜單中的 交流頻率分析項，在交流頻率分析參數設置對話框中設置掃描起始和終止頻率分別為 1Hz和1GHz，掃描形式為十進制， 縱向尺度為線性，選擇節點4為輸出端。在交流頻率 分析參數設置完畢，點擊仿真開關，得L、C串聯諧振電路的頻率響應曲線如圖6.26所示。Ml1 mHgm “J甌空VILQ V/156 Hz JO DegI mF圖6.2 5L、C串聯諧振電路xl153,9927yi997 呂：31 召m8659643K

10、¥2103.7B93udx865苗K陽-997.64BOml/dx1-1550u.1/dy-1-0024min x1,0000max x1 匚1000Mmln y159.1549umax y997自3 ISrrii圖6.26 L、C串聯諧振電路的頻率響應曲線根據L、C串聯諧振電路的頻率響應曲線可判斷串聯諧振頻率在154 ( Xi) Hz左右。將輸入電壓Vi的頻率調整到串聯諧振頻率，將電路中輸入電壓Vi接到示波器Va通道,電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道，閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標得兩電壓波形 如圖6.27所示。因為電阻R作為L、C串聯諧振電流的采樣電阻，其兩端電壓與外加 電壓V

11、i之間的相為差為零，驗證了L、C串聯電路，在串聯諧振時等效阻抗的純電阻性質。圖6.25中電流表Mi顯示交流電流有效值為10A，這說明L、C串聯電路在諧振時，等效阻抗為零，回路電流由電阻R限定。T11 1 .75163VA11 4. 1361VB114.10187211.76155T2TI9.S634 rsVA2-14.1361VVA2-VA1-23.2723yVB2：-14.1916UVB2-VB1-28.±036Mk.UQ血聞ir XpgtiQTiiTnggei-LfM*lW腫目Chatmei 4|艸冒皿ir 甲拓訕fpOQChamml B|YT BfA| AJB|Ause<

12、 A| Bj Sit| go V/Dir Yposilioii TmOBMuoeSw暑圖6.27L、C串聯電路的外加電壓與諧振電流之間的相位關系6.2.4 L 、C并聯諧振電路分析在EWB主界面內，按圖6.2-8搭接電路，將電流表Mi和電壓表M2置于交流(AC) 工作模式。將電感 L與電容C并聯構成并聯諧振電路，電阻R與L、C并聯回路串聯，作電流采樣電阻。先選擇輸入交流電壓 Vi的頻率為50Hz，電壓有效值為10V。選擇EWB 分析菜單中的交流頻率分析項，在交流頻率分析參數設置對話框中設置掃描起始和終止 頻率分別為1Hz和1GHz ,掃描形式為十進制，縱向尺度為線性，選擇節點5為輸出端。在交流

13、頻率分析參數設置完畢，點擊仿真開關，得L、C并聯諧振電路的頻率響應曲線如圖6.2-9所示。同樣，根據L、C并聯諧振電路的頻率響應曲線可判斷并聯諧振頻率在154 (Xi) Hz左右。將輸入電壓V1的頻率調整到串聯諧振頻率， 將電路中輸入電壓 V1接到示波器VA 通道，電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道，閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標得兩電壓波形如圖6.210所示。因為電阻R與L、C并聯回路相串聯，因此，在L、C并聯諧振時，流過 R的電流近似為零，R兩端的電壓最小，可由示波器顯示的兩波形比照得到驗證。100le-H)04le-K)06Frequency (Hz)Kl1539927Y1£

14、5 S15 6 rnx21.0000 Hy21000.0000 mdx959.8460 Kdy日刁斗1S44 m1/dK10002 U】/創丫1c弓win x1口xnax x1口 Nmin y百5S156 mm>a.x y1000 口 mLysis Graphs呀田昌心射電G|堡何鄒F|Statistics Analog) | 0 sei III os cope AC Analysis |±JLdT2VJk|VBIVB22 «-450 5434 mVT2-T1VA2-V41 VK-VBI11.131 ms -14.5&E5 V24 54& kVTng卿

15、匚6抑詢孔Edge 上更一 I恥討血 一Led Qg目 丫昨*血上|羽塑J妙型Eel;口1時輯耳財丿騎Ypoiiflim | o.uoAC| 1JMEtdyt*Epvers*Tl圖6.210 L、C并聯諧振電路的外加電壓與諧振電流之間的相位關系6.3三相交流電路仿真三相四線制Y形對稱負載工作方式在EWB主界面內按圖6.3 1所示，搭建三相四線制 Y形對稱負載交流電路。其中 三相電壓有效值均為 220V，頻率為50Hz,相位互差120°。所用電壓表和電流表均置于 交流AC工作模式。將示波器 VA和VB通道分別接入兩相電壓，便于觀察其相位關 系。電流表Mo專門用于觀測中線電流。圖6.3

16、1三相四線制Y形對稱負載連接方式當按圖6.3 1將電路搭建完畢，閉合EWB仿真電源，系統自動進行仿真分析，分析結果通過儀表和示波器顯示。其中三塊電壓表分別指示三相線電壓的有效值均為381V，是相電壓有效值220V的.3倍。相電流有效值為220V/1k Q =220mA，因 為三相負載完全對稱，所以電流表 M。指示中線電流為零。讀者還可將圖 6.3 1中三相 負載中點與“地之間斷開，三相電流將不發生任何變化，這說明了在Y形負載完全對稱的情況下，三相四線制與三相三線制是等效的。雙擊示波器圖標，觀察到上圖所選兩相電壓波形如圖6.3 2所示，兩相波形之間的相位差為120°，改變所選相電壓可逐

17、一觀察三相電壓之間互差120°的相位關系。圖6.3 2三相四線制中的兩相電壓波形632三相四線制Y形非對稱負載工作方式圖6.33為三相四線制 Y形非對稱負載情況，其中一相負載電阻由1k Q降為0.5kQ,其相電流也由220mA增至440mA 由電流表 Ma指示。電流表 M。指示，此時， 中線電流為220mA。301.0VfiO Hz/240 Deg3酊.1ME】kQ1| 亞cijom 宵17405 kQMCikaMO右E五圖6.3 3三相四線制Y形非對稱負載連接方式通過三相電流矢量分析圖6.3 4可知，電流表 M0指示的中線電流I。值，是三相電流的矢量和，且與 A相電流Ia同相位。圖

18、6.3 4三相四線制Y形非對稱負載矢量圖三相三線制Y形非對稱負載情況在圖6.33中，假設將Y形非對稱負載的中點與“地斷開，那么電路就成為圖6.3 5所示三相三線制Y形非對稱負載情況。因為在三相四線制 Y形非對稱負載情況下，由于 中線的作用，能使三相負載成為三個互不影響的獨立回路，因此不管負載有無變動，每 相負載均承受對稱的電源相電壓，從而能保證負載正常工作。如果中線一旦斷開，這時 雖然線電壓仍然對稱，但各相負載所承受的對稱相電壓那么遭到破壞。一般負載電阻較大 的一相所承受的電壓會超過額定相電壓，如果超過太多時會把負載燒毀；而電阻較小的 一相，那么由于承受的電壓低于額定相電壓，而不能正常工作。在圖6.35所示三相三線制 Y形非對稱負載情況下，負載電阻最小 0.5k Q 的一 相，相電壓為165V。而另外兩相負載電阻均為 1 k Q,其承受的相電壓均為 252V，已經 超過了 220V的額定電壓。220 V/50 Hz皿