电工基础电路仿真举例

1、6、电工基础电路仿真举例6.1电路基础理论仿真6.1.1欧姆定律欧姆定律确定了线性电阻两端的电压与流过电阻的电流之间的关系。 欧姆定律的数学表达式：V=IR式中，I为流过电阻的电流， 单位为A （安培）；R为电阻元件的阻值， 单位为Q （欧 姆）；V为电阻两端的电压，单位为 V （伏特）。图6.1 1为一欧姆定律测试电路，图中 M1和M2分别为显示器件库中的电压表和 电流表，读者可自行改变电压 V1与电阻R1的数值，通过观察电压表和电流表读数的变 化验证其服从欧姆定律关系。M2-1： m IR12 a| 佗.00VI12 V图6.1 1欧姆定律测试电路6.1.2串联电路分析串联电路的特点是，流

2、过每个串联元件的电流相等。串联电路的等效电阻等于各串 联电阻之和。根据基尔霍夫电压定律知，在电路中环绕任一闭和回路一周，所有电压降 的代数和必须等于所有电势升的代数和。在图6.1 2所示的串联测试电路中，各串联电阻电压降之和必须等于外加电源电压，读者可改变电路参数，作进一步观察验证。| -4.000 y |L4.000 L4000 yj|RRR1 kn1 kn1 kn1P p3.UU4rri 口 _PI|Q|q图6.1 2串联测试电路116.1.3并联电路分析并联电路的特点是，每个并联元件两端的电压都相同，电源输出电流为各并联支路 电流之和。并联电阻的等效电阻R的倒数为各并联电阻的倒数之和。根

3、据基尔霍夫电流定律知，在电路的任何一个接点上，流入节点的所有电流的代数 和必须等于流出节点的所有电流的代数和。在图6.1 3所示的并联测试电路中，流入各个并联电阻支路的电流之和，必须等于流进电阻并联电路的总电流。图6.1 3并联测试电路6.1.4串一并联电路分析串一并联电路是由部分串联电路和部分并联电路混合组成的电路。这类电路在分析 时，首先应分清电路中哪些是串联部分，哪些是并联部分，然后根据串并联的不同特点 进行分析。图6.1 4为一串一并联测试电路，读者可根据串、并联特点自行分析各元件之间的电流、电压依存关系。图6.1 4串一并联测试电路6.1.5分压关系测试分压关系是指，串联电路中电阻两

4、端的电压降之比与电阻值之比相同。这种关系可 通过图6.1 5所示分压关系测试电路得到验证。图6.1 5分压关系测试电路6.1.6分流关系测试分流关系是指，在并联电路中任何两条并联支路的电流之比与两支路的电导之比相 同。因为电导是电阻的倒数，因此，电流的分配与电阻值的大小相反，即电阻值大的支 路流过的电流小，而电阻值小的支路流过的电流大。分流关系可通过图6.1 5所示分流关系测试电路得到验证。M1軸3 12 35 词I IM4图6.1 6分流关系测试电路6.1.7叠加原理在电路分析理论中，叠加原理是指，在一个含有多个独立源的线性网络中，任一元 件上的电流或电压，应等于网络中各个独立源单独作用时所

5、产生的电流或电压的代数和。 对于图6.1 7所示电路，我们可以令电压源V1和V2单独作用时，求得各支路电流和电压，然后进行叠加，求得各支路的实际电流和电压，将计算结果与电流表和电压表实 测结果进行对比，进一步加深对叠加原理的理解。M7IL7 k-15 VM61 .口 币1由 口小 VJI M2| IO .OOR2 r2 koLL?-euum ail Ms3m A| IU|4| 5 OaA rn A|厂 10 Vb dkM3图6.1 7叠加原理测试电路6.2交流电路仿真6.2.1电感电路分析Ml在EWB主界面内，按图6.21搭接电路，注意将电流表 Mi和电压表M2置于交流 （AC）工作模式。电路

6、中，输入交流电压 Vi的频率为50Hz，电压有效值为10V。电感 L的感抗Xl=2 n fL=2 n X 50X 1X 103Q =0.314 Q。因为感抗值远大于所串电阻 R的阻值， 因此，该电路可视为纯电感电路。TL Iroooi a龍u M2图6.2 1电感电路将电路中输入电压 V1接到示波器Va通道，电阻R上的电压接到示波器 Vb通道， 闭合仿真电源后，双击示波器图标得两电压波形如图6.22所示。电阻R作为电感电流的采样电阻，其两端电压验证了流过电感的交流电流滞后外加交流电压（VJ相角n /2的基本关系。图6.2 2电感两端外加交流电压与流过其电流的相位关系6.2.2电容电路分析在EW

7、B主界面内，按图 6.2 3搭接电路，与电感电路相同，将电流表M1和电压表M2置于交流（AC）工作模式，选择输入交流电压V1的频率为50Hz,电压有效值为10V。电容 C 的容抗 Xc=1/ (2 n fC) =1/ (2n X 50X 1X 106) Q =3.18k Q。因为容抗值 远大于所串电阻 R的阻值，因此，该电路可视为纯电容电路。MlVI10 VJ50 Hz/D Deg;10.00图6.23电容电路将电路中输入电压 Vi接到示波器Va通道，电阻R上的电压接到示波器 Vb通道，闭合仿真电源后，双击示波器图标得两电压波形如图6.24所示。电阻R作为电容电流的采样电阻，其两端电压验证了流

8、过电容的交流电流超前外加交流电压(Vi)相角n /2-OscilloscopeT145 4WE0sT245 E359T2-T1iE0.日B00 nsVA11 $ 1421VVA2-14I 421U-28.2942UjVEImVVB2602VE2VB117.Z04| it V/EivAg| OlfPC| mv1皿丫:Llinne A|也航日罰Kpositwn:B/AEd贾屯L艸时| W?ia| Aui Ik _fi Bit |尺駅33暑Reve*se的基本关系。图6.2 4电容两端外加交流电压与流过其电流的相位关系6.2.3 L、C串联谐振电路分析在EWB主界面内，按图6.25搭接电路，将电流表

9、Mi和电压表M2置于交流(AC ) 工作模式。电感L与电容C串联构成串联谐振电路，电阻R作为谐振电流的采样电阻。先选择输入交流电压 Vi的频率为50Hz，电压有效值为10V。选择EWB分析菜单中的 交流频率分析项，在交流频率分析参数设置对话框中设置扫描起始和终止频率分别为 1Hz和1GHz，扫描形式为十进制， 纵向尺度为线性，选择节点4为输出端。在交流频率 分析参数设置完毕，点击仿真开关，得L、C串联谐振电路的频率响应曲线如图6.26所示。Ml1 mHgm “J甌空VILQ V/156 Hz JO DegI mF图6.2 5L、C串联谐振电路xl153,9927yi997 呂：31 召m865

10、9643K2103.7B93udx865苗K阳-997.64BOml/dx1-1550u.1/dy-1-0024min x1,0000max x1 匚1000Mmln y159.1549umax y997自3 ISrrii图6.26 L、C串联谐振电路的频率响应曲线根据L、C串联谐振电路的频率响应曲线可判断串联谐振频率在154 ( Xi) Hz左右。将输入电压Vi的频率调整到串联谐振频率，将电路中输入电压Vi接到示波器Va通道,电阻R上的电压接到示波器 Vb通道，闭合仿真电源后，双击示波器图标得两电压波形 如图6.27所示。因为电阻R作为L、C串联谐振电流的采样电阻，其两端电压与外加 电压Vi

11、之间的相为差为零，验证了L、C串联电路，在串联谐振时等效阻抗的纯电阻性质。图6.25中电流表Mi显示交流电流有效值为10A，这表明L、C串联电路在谐振时，等效阻抗为零，回路电流由电阻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肿目Chatmei 4|艸冒皿ir 甲拓讪fpOQChamml B|YT BfA| AJB|Ausea.x y1000 口

12、 mLysis Graphs呀田昌心射电G|堡何邹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卿匚6抑询孔Edge 上更一 I恥讨血 一Led Qg目 丫昨*血上|羽塑J妙型Eel;口1时辑耳财丿骑Ypoiiflim | o.uoAC| 1JMEtdyt*Epvers*Tl图6.210 L、C并联谐振电路的外加电压与谐振电流之间的相位关系6.3三相交流电路仿真6.3.1三相

13、四线制Y形对称负载工作方式在EWB主界面内按图6.3 1所示，搭建三相四线制 Y形对称负载交流电路。其中 三相电压有效值均为 220V，频率为50Hz,相位互差120。所用电压表和电流表均置于 交流（AC）工作模式。将示波器 VA和VB通道分别接入两相电压，便于观察其相位关 系。电流表Mo专门用于观测中线电流。图6.3 1三相四线制Y形对称负载连接方式当按图6.3 1将电路搭建完毕，闭合EWB仿真电源，系统自动进行仿真分析，分析结果通过仪表和示波器显示。其中三块电压表分别指示三相线电压的有效值均为381V，是相电压有效值（220V）的.3倍。相电流有效值为（220V/1k Q） =220mA，

14、因 为三相负载完全对称，所以电流表 M。指示中线电流为零。读者还可将图 6.3 1中三相 负载中点与“地”之间断开，三相电流将不发生任何变化，这说明了在Y形负载完全对称的情况下，三相四线制与三相三线制是等效的。双击示波器图标，观察到上图所选两相电压波形如图6.3 2所示，两相波形之间的相位差为120，改变所选相电压可逐一观察三相电压之间互差120的相位关系。图6.3 2三相四线制中的两相电压波形632三相四线制Y形非对称负载工作方式图6.33为三相四线制 Y形非对称负载情况，其中一相负载电阻由1k Q降为0.5kQ,其相电流也由220mA增至440mA （由电流表 Ma指示）。电流表 M。指示

15、，此时， 中线电流为220mA。301.0VfiO Hz/240 Deg3酊.1ME】kQ1| 亚cijom 宵17405 kQMCikaMO右E五图6.3 3三相四线制Y形非对称负载连接方式通过三相电流矢量分析（图6.3 4）可知，电流表 M0指示的中线电流I。值，是三相电流的矢量和，且与 A相电流（Ia）同相位。图6.3 4三相四线制Y形非对称负载矢量图6.3.3三相三线制Y形非对称负载情况在图6.33中，若将Y形非对称负载的中点与“地”断开，则电路就成为图6.3 5所示三相三线制Y形非对称负载情况。因为在三相四线制 Y形非对称负载情况下，由于 中线的作用，能使三相负载成为三个互不影响的独

16、立回路，因此不论负载有无变动，每 相负载均承受对称的电源相电压，从而能保证负载正常工作。如果中线一旦断开，这时 虽然线电压仍然对称，但各相负载所承受的对称相电压则遭到破坏。一般负载电阻较大 的一相所承受的电压会超过额定相电压，如果超过太多时会把负载烧毁；而电阻较小的 一相，则由于承受的电压低于额定相电压，而不能正常工作。在图6.35所示三相三线制 Y形非对称负载情况下，负载电阻最小（ 0.5k Q ）的一 相，相电压为165V。而另外两相负载电阻均为 1 k Q,其承受的相电压均为 252V，已经 超过了 220V的额定电压。220 V/50 Hz皿 DigMA 0.5 eqIWv卜题juHTBF诃剜$ 可）| 3ST.22C