电工电子综合实验报告-裂相

电工电子综合实验论文课题：裂相（分相）电路的仿真研究学院:班级:学号:姓名：摘要本实验通过multisiml2软件仿真，理论分析验证了使用RC桥式裂相电路的方法。选取了优化方案，着重深入研究了RC桥式裂相电路中单相电裂相为两相、三相电时电压与负载的关系：裂相电路电压与电阻性阻抗、电容性容抗、电感性感抗的关系，裂相电路负载的功耗与所接负载的关系。关键词：multisim仿真RC桥式裂相电路单向电裂相为两相电单向电裂相为三相电双相电源负载功耗三相电负载功耗•引言 I^^i在日常生活中，我们所常用到的往往是单相交流电源没有电压值相等，相位差为90。的两相、相位差为120。三相电源，而在某些场合，单相交流电往往不能够满足电路的所需要求；为了克服这一弊端，设计了RC桥式裂相电路来产生符合要求的两相、三相电源。利用MUItiSin112软件对RC桥式裂相电路进行仿真实验，并进行分析，从而验证这种电路的可靠性和合理性；根据RC桥式分相电路原理图，本文深入研究了怎样将单相电源分裂为稳定相同有效值，相位差恒定的两相、三相电源，并且同时使之不会随着负载的改变作太大的改变。同时设计出了优化的裂相电路,进行了电压一阻抗的研究。利用MUltiSim12软件进行了仿真实验，用实验数据证明了电路在空载时功耗最小。为了使实验研究更加具有针对性和广泛代表性，我把负载的种类分为电阻性，电容性，电感性三种，分开讨论并用实验证明当负载为此三种阻抗时，电压一阻抗的关系。为了使实验研究具有针对性和广泛代表性，把负载的种类分为电阻性，电容性，电感性三种，分开讨论并用实验证明当负载为此三种阻抗时，电压一阻抗的关系。.正文(1)实验材料和设置装备实验一：将单相交流电源分裂成相位差为90。的两相电源一个单相交流电压源(220V/50HZ),两个阻值分别为IKC的电阻,两个电容均为3.183UF的电容,两台万用表，两台功率表，一台示波器，一些不同阻值的电阻，导线若干。实验二：将单相交流电源分裂成相位差为120对称的三相电源一个单相交流电压源(220V/50HZ),阻值为30k。和15k0的电阻各两个，电容为0∙1225uF和0.3676UF的电容各一个,三台万用表，三台功率表，一台四相示波器，一些不同阻值的电阻，导线若干。(2)实验原理由于电容元件两端的电压和通过它电流有90°的相位差，利用这一性质，可以将电容和电阻串联后作为电源，这样单相交流电源就分裂成相位差为90。的两相电源。同理可将单相交流电源分裂成相位差为120。的三相电源。(3)实验方法、过程、结果及数据分析

实验一：将单相交流电源分裂成相位差为90。对称的两相电源相量分析图2由图1的原理图设计要求可知：①空载时输出电压Ul与U2有效值相等②两输出电压的相位差φl-φ2=90。,则有：Ul_ ] 。2 1 瓦^6(WRC)2 「1；对于输入电压US而言，输出电压UI和02的相位为:φ1=-arctanwR∖C∖1=arctan *2 wR2C2或cotφ2=wR2C2=-tanθ(φ2+90°)所以φ2+90°=-arctanvvR2C2即若： Re=R2C2=RC则必有(Pl-(P2=90°一般而言，(PI和φ2与角频率3无羌但为使Ui和小数值相等，可令3RICI=3R2C2~1而Us=220V,角频率3=50Hz,UI=. 1 =Us U2= 1 =UsJi+(wRC)2 1 12综上所述，得要满足设计要求只需要满足下式即可：3RiCi-3R2C2—1综上所述，根据计算,选取参数RI=R2=1KO,C1=C2=3.183uF,设计如下图所示的电路图进行仿真,结果如下:

IL⅞≥Rl......IOOOQ::；::IL⅞≥Rl......IOOOQ::；::；仿真实验图3在仿真实验中：两输出电压分别为Ul=155.558V,U2=155.553V,Ul与U2的有效值在误差范围内认为是相等的，即U1=U2;且满足Ul=U2≤150x(1±4%)V;计算两电压的相位差：φ1=-arctanwR∖C∖=-44.999°φ9=arctan——-——=45.000°

wRιCι相位差为90。，满足实验相位差要求(90o×(1±2%))o探究电压-负载特性曲线实验.负载为电阻性阻抗时的电压—阻抗曲线，功率一阻抗曲线的研究；线路连接如图4所示，改变负载电阻，记录相应参数的仿真实验值如下:表表1：接阻性负载情况下的裂相电路各参数实验数据R315QQonUIACIMOhm150.394R4i5oαon150.343IX'WM∕QQ©9接阻性负载情况下的裂相电路图4WfcRl=IOOOQRMOOOQCl⅛183μFCH183μFRQCO16QQ120001100010000≡80007000600050004000哂155.558150.707150,394150.037149,629149,149148.587147.918147.101146,089144,801143,105140,774137,368期155.533150.703150,39。150.033149,622149.145148.587Itt147.09?146.048IttW143.101140,773137.321P1V0.000U201.5081.6081,7221.8542,0072.1882.4042,6682.M53.4133.M34,717&『0.0001.4191.5081.6081.7221.8542,0072.1882,4042,6682,9953.4133,9634.717Pa∕⅛0.0002,8393,0163.2163,4443.7084.0144,3764.8085,3365,99。6,8267,9269,434∆τ⅛5.0115.0004,9924,9874,98。4,9804,98。4,98。4,9804,98。4,9824,9844,9874,988T/ffls20.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.00020.000一卜90.19890,00089,85689,76689.64089,64。89.64089,64089.04089.64089,67689,71289.7«89,784实验仿真截图如下：（负载电阻为4000欧姆时）示波器数据处理：利用excel,绘制负载阻性情况下电压-负载；功率-负载曲线：电压-阻性负载曲线由图中的曲线可知，Ul,U2的曲线几乎重合，即他们的有效值相等，与上诉理论分析是一致的，且Ul,U2的值随负载的减小而下降;功率-阻性负载曲线由图可以看出，Pl和P2的曲线几乎重叠；可以得出结论：负载消耗的功率随着负载的增大而减小，在负载无穷大，即电路空载时，功耗最小为Oo从而验证了该裂相电路在空载的时功耗最小这一结论。.负载为容性阻抗时的电压—阻抗曲线的研究按如图5所示的接容性负载情况下的裂相电路图，将负载电阻改为负载电容，改变负载的电容值，记录UI、U2,数据如下：表2：接容性负载情况下的裂相电路各参数实验数据接容性负载情况下的裂相电路图5（C=IOOuF时）表表3：接感性负载情况下的裂相电路各参数实验数据数据处理：利用excel,绘制负载容性情况下电压-负载曲线如下:由该曲线，我们发现：电压随着电容容值的增大而减小，直到最后趋近于0。而当C-O时，相当于开路，由此有U尸&=155V,而当C-8时相当于短路，所以有UlU2=0。止匕外，随着负载电容的变化，Ul和U2虽然发生了变化，但两者对应的值却保持基本不变。这是因为ωRlCl=ωR2C2=1,即Rl=I/(①Cl),那么各部分的阻抗相等，两个相等的阻抗并上同一个电容，阻抗仍然相等，由并联电路分压原理可知，两部分的电压相等。.负载为感性阻抗时的电压—阻抗曲线的研究按如图6所示的接感性负载情况下的裂相电路图，将负载电阻改为负载电感，改变负载的电感值，记录UI、U2,数据如下：XSClXWMl猊芷XWM27.132U2AGlMohmIOQmH接感性负载情况下的裂相电路图5(L=IOOInH时)数据处理:利用excel,绘制负载感性情况下电压-负载曲线如下:由该曲线我们发现：当(KL<3000mH时，电压随着电感的增加而增加，到L=3000mH时，电压达到最大值UlU2=219.302V;然后随着电感的继续增加，电压又慢慢的减少，渐渐逼近空载电压155V。和负载电容一样，虽然负载电感值在变化，但相对应的Ul和U2基本相等;实验二：将单相交流电源分裂成相位差为120。对称的三相电源同样，将单相电源Us(220V/50HZ)分裂成三相U。a,UoB,UOC互成1200单相分裂成三相电路相量图

设计电路关键是原件参数。从相量图中可见，B和C两点的轨迹是在圆周上变化。只要使得电流12与电流Ii相位差成60。,使得电流%与电流Ii相位差成30°,则可以使三相输出电压之间的相位差120。，利用公式：Z=tan60° 丛=tan30°根据计算，选取参数Rι⅛500Q,R2=250Q,得C2=7.35μF,C3=ll.03uF,设计如图6所示的电路图进行仿真；结果如下：110.000ACIOMOhmC3≠11W109.999U4AC10MOIιm.R115QQQ110.000ACIOMOhmC3≠11W109.999U4AC10MOIιm.R115QQQ单相电源裂成三相电源仿真图6仿真实验中，三相输出电压分别为：U0A=110.000,U0B=109.998,U0C=110∙999;满足实验要求的HOV(1+4%),计算出相位差均为120。,满足实验要求的120。(1+2%)；探究电压-负载特性曲线实验：.负载为阻性阻抗时的电压—阻抗曲线，功率—阻抗曲线的研究:按如图7所示的电路图连接,改变负载电阻,记录UI(UOA)、U2(Uob)、U3(Uoc)>Pl、P2、P3等的实验数。

1041?8U3AC10MOhmC3：11.03uFU4ACIOMOhnl1041?8U3AC10MOhmC3：11.03uFU4ACIOMOhnl接阻性负载情况下的裂成三相电源电路图7（当R=3000Ω时）各实验参数：R1⅛500Ω,R2=250Ω,C2=L35μF,C3=ll.03uFTOC\o"1-5"\h\zR/Q 50 100 200 300 500 700 1000 1300 1600 2000 3000U1/V 46.902 66.897 84.768 84. 768 92.962 103.88 106.33 107.55 108.24 108.79 109.4U2/V 31.084 48.032 66.249 66. 249 75.89 91.126 95.577 98.246 100.05 101.71 104.13U3/V 26.085 41.222 59.969 59.969 71.287 90.353 95.878 99.036 101.07 102.85 105.25P1/W 43.996 44.751 35.928 28. 806 28.806 15.415 11.305 8.897 7.323 5.913 3.99P2/W 19.324 23.071 21.945 19.198 19.198 11.863 9.135 7.425 6.256 5.173 3.614P3/W,13.608,16.993,17.982,16.902,16.90211.8629.1937.5456.3845.2893.693P总/W'76.928’84.815’75.855’64.906’64.906’39.14’29.633’23.867’19.963’16.375’IL297表4:接阻性负载情况下的裂成三相电路各参数实验数据仿真截图：（取负载电阻为3kQ时）功率计-XWMl 功率计-XWM2 功率计-XWM3电压 电压 电流 电压 电流电压 电流+ — ÷ — + — + — 十_ +_功率表电压表电压表数据处理：绘制电压-负载、功率-负载曲线:电压-负载曲线：功率-负载曲线:→-Pl∕W→-Pl∕W*P2∕WTHP3/W '一∙≡P总/W由电压-负载曲线可以看出：当R大于300OQ后，三相输出电压的曲线基本完全重合，当R区域无穷时（即空载时）达到输出电压有效值为∏0V的要求。同时由于参数满足丛=tan60°,^=tan30°,所以三相间的相位差为120。,满足要求。由功率-负载曲线可以看出：负载功耗随着电阻的增大有一段增大的过程，后逐渐减小,并且在电阻大于IOOOQ后,三相输出功率的图像基本完全重合,说明输出功率相等；当R趋向于无穷时（即空载时），功耗为3由此验证了空载时功耗最小。.负载为容性阻抗时的电压—阻抗曲线的研究按如图8所示的电路图进行连接，将负载电阻换成负载电容，改变负载电容的值，记录UI、U2、U3、等的实验值；接容性负载情况下的裂成三相电源电路图8（当C=IUF时）各实脸参数:R1⅛500Ω,R2≡250Ω,C2=7.35uF,C3=Il.03uFC∕μF1510152030501002005001000U1/V110.446109.226101.64293.99587.11175.61459.20237.60121.3939.2394.736U2/V105.42284.03267.68358.04157.53142.9332.91220.97312.0795.2812.72U3/V103.27388.77677.31167.99260.48349.35335.88421.00611.3524.7932.39∣表5：接容性负载情况下的裂成三相电路各参数实验数据

数据处理：绘制电压-容性负载曲线:电压-容性负载曲线：由该曲线可知：三相输出电压随着负载电容的增大而逐渐减小，最后趋近于3且当电容值较大或者较小时三相电压的有效值吻合的较好。该结论和裂成两相的电路仿真实验类似。，豆丁.负载为感性阻抗时的电压—阻抗曲线的研究按如图9所示的电路图进行连接，将负载换成负载电感，改变负载电感的值，记录UI、U2、U3、等的实验值；表压表压•电3CUA-接感性负载情况下的裂成三相电源电路图9（当L=5000πι时）⅜gf∣⅛500Ω,Rf250Q,年7.35uF,Cfll.03uF—L∕⅛IO2050IOO200300500id。IOOO1500200030005000Ul/V4,9Q110,Q2226.o7936,334103.1118.94121.93126.5131.1128.62124,5118.6?113.6112T28455.85615.85635.173/3.05798,829134.43154.02；152.74136.14126,4118.64114.93眼V2,424.88312,4624,39638.524419477,9M117.35142.44IU583.140.33133.3612U3表6：接感性负载情况下的裂成三相电路各参数实验数据数据处理：绘制电压-负载曲线如下:由曲线可以看出：输出电压先随着电感的增大而增大,然后逐渐减小趋近于空载电压输出∏OV,该结论也和裂成两相电路的感性负载结论类似。(4)实验结果讨论实验一：将单相交流电源裂成两相电源(1)在裂成的两相电源中接入相同阻值的电阻性负载时，变换阻值的大小，每相获得的电压曲线和功率曲线基本重合；由功率曲线可知，接入适当大小的电阻时，功率可达到最大值；空载时功耗最小。(2)裂成的两相电源中接入相同值的电容负载时，电压随着电容容值的增大而减小，直到最后趋近于0。(3)裂成的两相电源中接入相同值的电感负载时，电压先随着电感的增加而