電工電子技術(shù) 課件 2任務(wù)二、基于Multisim的家庭照明電路仿真分析

基于Multisim的家庭照明電路仿真分析電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)如何計(jì)算熒光燈電路中的電流和電壓，如何基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中對電流、電壓的數(shù)值和相位進(jìn)行測量?

任務(wù)導(dǎo)學(xué)電路中的電流和電壓的計(jì)算同樣的符合基爾霍夫定律，即KCL、KVL兩個(gè)定律；同時(shí)，電路中的電參量為交流電量，元器件的性質(zhì)除了電阻性的還有電感性和電容性的，則計(jì)算時(shí)需要將交流電量轉(zhuǎn)換為相量的形式，應(yīng)同時(shí)考慮大小和相位之間的關(guān)系；

在Multisim軟件中使用博德圖儀可以測量相位關(guān)系，使用萬用表可以測量電壓電流的數(shù)值。任務(wù)情境圖2-21雙控開關(guān)控制的熒光燈電路１)在圖２-２１中標(biāo)出電路中各未知電參數(shù)的符號和方向。標(biāo)注雙控開關(guān)控制熒光燈電路中電參量的符號和方向任務(wù)實(shí)施2）求解整流器的感抗XL，整流器的等效阻抗Z1。3）求解熒光燈電路的總阻抗Z。4）寫熒光燈電路中各未知電參量的計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果，完成表2-7中。表2-7熒光燈電路中的參數(shù)的計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果5）說明如何提高熒光燈電路的功率因數(shù)。6）基于Multisim仿真軟件測出

。在Multisim仿真軟件中構(gòu)建仿型，將儀器儀表安裝正確，將測量結(jié)果與步驟４)中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，完成表２-８。表2-8熒光燈電路參數(shù)仿真測量結(jié)果17、請用Multisim軟件測出PR、P、cosφ1，在Multisim軟件中構(gòu)建仿型，將儀器儀表安裝正確，將測量結(jié)果與步驟４)中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，完成表２-9。表2-9熒光燈電路參數(shù)仿真測量結(jié)果2知識鏈接一、電阻元件的交流電路二、電感元件的交流電路三、電容元件的交流電路四、功率因數(shù)的提高

五、Multisim軟件中虛擬儀器的使用

一、電阻元件的交流電路電工電子技術(shù)

黃燕華電阻元件的正弦交流電路(一)電壓與電流的關(guān)系線性電阻元件:歐姆定律+--Ruiu=Umsin(ωt+ψu(yù))電阻元件的端電壓電流u=Umsin(ωt+ψu(yù))電阻元件的端電壓電流1.頻率關(guān)系通過電阻元件的電流與端電壓是同頻率的正弦電量。2.數(shù)值關(guān)系有效值電流與端電壓有效值之間具有歐姆定律的形式。3.相位關(guān)系電流與端電壓同相位。Ψu=Ψi(二)歐姆定律的相量形式或0Ψu=ψiωtiuui+1Ψi=Ψu(三)功率1.瞬時(shí)功率p=uiu=Umsinωti=Imsinωt電壓電流瞬時(shí)功率p≥0電阻是耗能元件。+--Ruiωt0piiuuωt01.瞬時(shí)功率p≥0電阻是耗能元件。ωt0piiuuωt02.平均功率

有功功率表示電阻元件的實(shí)際耗能效果。+--Rui例題已知R=100Ω、電壓u=311sin（314t+30°）V解:電壓相量電流相量電流

計(jì)算電流i和平均功率P。平均功率P=UI=220×2.2=484W二、電感元件的交流電路電工電子技術(shù)

黃燕華電感元件的正弦交流電路電感線圈(電感器)的應(yīng)用限流、扼流整流電路中的濾波器。調(diào)諧與選頻諧振電路。鎮(zhèn)流器熒光燈電路。電抗器電焊機(jī)中改變電感量L，滿足焊接工藝要求。電感元件

理想元件只表示電流建立磁場，儲存磁場能這一物理（電磁）性質(zhì)是儲能元件1.線性電感元件電感元件是表示電流建立磁場,儲存磁場能這一電磁現(xiàn)象的理想元件。φi磁鏈ψ=NΦψ=LiL是常數(shù)單位:亨(利)(H)電感元件的儲能線性電感元件磁鏈ψ與電流i成正比。i++----euL2.電感元件的伏安關(guān)系電感元件的圖形符號及有關(guān)電量的正方向。電磁感應(yīng)定律線性電感元件ψ=Li根據(jù)KVL電感元件的伏安關(guān)系電感元件的電壓與通過的電流對時(shí)間的變化率成正比。在直流電路中,電感元件相當(dāng)于無阻導(dǎo)線。(二)在正弦交流電路中電感元件電壓與電流的關(guān)系通過電感元件的正弦交流電流電感元件的端電壓i=Imsinωt通過電感元件的正弦交流電流電感元件的端電壓i=Imsinωt1.頻率關(guān)系電感元件端電壓與電流是同頻率的正弦電量。2.數(shù)值關(guān)系Um=ωLImIm=Um／(ωL)有效值表示式感抗

XL=ωL

單位:歐(姆)引入感抗后,電感元件端電壓與電流的有效值之間具有歐姆定律的形式。感抗XL=ωL=2πfL感抗XL與電流的頻率f成正比在直流電路中XL=0。3.相位關(guān)系i=Imsinωt電流電壓相位差

φ=ψu(yù)--ψi=90°電壓超前電流90°90°ωt0ui90°相量表示式j(luò)XL復(fù)數(shù)感抗或(三)功率1.瞬時(shí)功率i++----euLi=Imsinωt電流電壓瞬時(shí)功率p以二倍頻按正弦規(guī)律交變。瞬時(shí)功率p的最大值是UI。p＜0電感釋放磁場能,返還電源,電感中的磁場在消失。p＞0電感吸收電能,并轉(zhuǎn)換為磁場能,儲存在磁場中。ωtp0ωtuuii0電感元件不消耗電功率,是儲能元件。2.平均功率3.無功功率衡量電感元件與電源進(jìn)行能量交換的規(guī)模。取瞬時(shí)功率的最大值表示單位:乏(爾)(var)或仟乏(kvar)三、電容元件的交流電路電工電子技術(shù)

黃燕華電容元件的交流電路電容元件：表示電路中儲存電荷、建立電場、儲存電場能這一電磁現(xiàn)象的理想元件。電容儲存電場能儲存的電荷量q∝U+qC+--U－qq=CU線性電容元件電容單位：法拉(F)--+uCi電容元件的伏安特性電容電流(一)

在正弦交流電路中電容元件電壓與電流的關(guān)系交流電壓

u=Umsinωt(2)數(shù)值關(guān)系容抗(1)頻率關(guān)系電流i與電壓u是同頻率的正弦電量。交流電壓

u=Umsinωt電容電流最大值有效值引入容抗之后,電壓有效值與電流有效值之間具有歐姆定律的形式。電容C一定,頻率f越高,容抗XC越小。在直流電路中f=0，XC→∞，電容可視為開路。電容具有隔直流、通交流的作用。高頻電流越容易通過。容抗容抗的單位是歐姆。（三）相位關(guān)系交流電壓

u=Umsinωt交流電流

i=Imsin（ωt+90°）相位差

φ=ψu(yù)--ψi=-－---90°電容電壓u滯后電流i90°0Ψi=90°ωtiiuu0Ψi=90°ωtiiuu相量表示式或復(fù)數(shù)容抗相量圖I·U·(二)功率1.瞬時(shí)功率交流電壓

u=Umsinωt交流電流

i=Imsin（ωt+90°）1.瞬時(shí)功率瞬時(shí)功率p以二倍頻按正弦規(guī)律交變。瞬時(shí)的功率p的最大值是UI。ωtuuii0p0ωtp＜0電容釋放電場能,返還電源,電容中的電場在消失。p＞0電容吸收電能,并轉(zhuǎn)換為電場能,儲存在電場中。電容不消耗電功率,是儲能元件。ωtuuii0p0ωt2.平均功率3.無功功率衡量電容元件與電源進(jìn)行能量交換的規(guī)模。取瞬時(shí)功率的最大值表示單位:乏(爾)(var)或仟乏(kvar)四、功率因數(shù)的提高電工電子技術(shù)

黃燕華提高功率因數(shù)的方法原則:不影響負(fù)載的正常工作。電感元件的無功功率與電容元件的無功功率相互補(bǔ)償。R1+-I·U·jXLIRL·原理:減小電路的無功功率。補(bǔ)償電容器C方法：與電感性負(fù)載并聯(lián)一個(gè)容量合適的電容器。-jXCIC·C分解無功分量有功分量IX=IRLsinφ1IR=IRLcosφ1IX·IR·電路的功率因數(shù)λ1=cosφ1I·總電流IRL·=U·IRL·φ1感性負(fù)載支路電流IRL·工作原理+-I·U·jXLR1IRL·未并聯(lián)電容IX·IC·與無功分量相位相反、相互補(bǔ)償有效值I＜IRLU·總電流I·與電壓的相位差角φ2＜

φ1補(bǔ)償后的功率因數(shù)λ2=cosφ2＞λ1=cosφ1+-I·U·jXL-jXCR1IRL·IC·IC·并入電容后,電容支路電流IC·U·IRL·IX·IR·φ1總電流I·IRL·=IC·+I·IC·φ2φ2U·IRL·IC·IC·IX·IR·φ1I·把功率因數(shù)從λ1=cosφ1提高到λ2=cosφ2應(yīng)該并聯(lián)電容器的容量。電容支路的電流

IC

=U／XC

=UωC代入上式注意P=UIRLcosφ1=UIcos1φ2五、Multisim軟件中虛擬儀器的使用

電工電子技術(shù)

黃燕華（1）功率表功率表用來測量電路的交流、直流功率，功率的大小是流過電路的電流和電壓差的乘積，量綱為瓦特。所以，功率表有四個(gè)引線端：分別是電壓的正極和負(fù)極，電流的正極和負(fù)極。功率表中有兩組端子，左邊兩個(gè)端子為電壓輸入端子，與所要測試的電路并聯(lián)；右邊兩個(gè)端子為電流輸入端子，與所要測試的電路串聯(lián)。功率表也能測量功率因素，功率因素是電壓和電流相位差角的余弦值。功率表的圖標(biāo)、接線符號、面板如圖2-36所示。功率表圖標(biāo)、接線符號、面板示意圖（2）博德圖儀博德圖儀(BodePlotter)能產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍很寬的掃描信號，用于測量電路幅頻特性和相頻特性。博德圖儀圖標(biāo)、接線符號如圖2-37，面板如圖2-38所示。顯示屏顯示的是測量幅頻特性曲線。博德圖儀圖標(biāo)、接線符號注意：使用博德圖儀測量幅頻特性和相頻特性曲線時(shí)，電路輸入端必須接有信號源。若沒有信號源，電路將不能仿真。但使用何種信號源并不會(huì)影響測量結(jié)果，如用函數(shù)函數(shù)發(fā)生器或用元器件庫中的AC_POWER作為電路輸入端信號源，效果一樣。博德圖儀面板測量模式1）Mode模式選擇Magnitude幅頻特性測量。幅頻特性是指在一定頻帶內(nèi)，兩測試點(diǎn)間（如電路輸入in，電路輸出out兩測試點(diǎn)）的幅度比率隨頻率變化的特性，如電壓放大器，放大器電壓增益在一定頻帶內(nèi)并非一致。為了了解在一個(gè)頻帶內(nèi)段內(nèi)放大器各頻率點(diǎn)的電壓增益，就要對放大器進(jìn)行電壓增益的幅頻特性的測量。將博德圖儀與被測電路相連，用鼠標(biāo)單擊按鈕，博德圖儀顯示屏上就會(huì)繪制出幅頻特性曲線。Phase相頻特性的測量。相頻特性曲線，是指在一定的頻帶段內(nèi)，兩測試點(diǎn)間（如電路輸入in，電路輸出out兩測試點(diǎn)）的相位差值，以度表示。與測量幅頻特性一樣，用鼠標(biāo)單擊

按鈕，相頻特性曲線就會(huì)繪制出來。2）測量方法將儀器輸入端口正極與電路in的正極相連，將儀器輸出端口正極與電路out正極相連。將儀器輸入端口的負(fù)極與儀器輸出端口的負(fù)極一并接地。如果測量是針對一個(gè)組件的，則將博德圖儀正極分別接到組件輸入in和輸出out兩端，負(fù)極一并接地。水平軸與垂直軸的設(shè)置1）基本設(shè)置當(dāng)比值或增益有較大變化范圍時(shí)，坐標(biāo)軸一般設(shè)置為對數(shù)的方式，這時(shí)頻率通常也用對數(shù)表示。當(dāng)刻度由對數(shù)（log）形式變?yōu)榫€性（lin）形式時(shí)，可以不必重新仿真，如圖2-39所示。2）Horizontal水平軸刻度水平軸（X軸）顯示的是頻率。它的刻度由橫軸的初始值和最終值決定。當(dāng)要分析的頻率范圍比較大時(shí)，使用對數(shù)刻度。設(shè)置水平軸初始值（I）和最終值（F）時(shí)，切記：一定要是使（I<F），Multisim不允許（I>F）的情況出現(xiàn)。博德圖儀坐標(biāo)軸的設(shè)置3）Vertical縱軸刻度縱軸（Y軸）的刻度和單位是由測量的內(nèi)容決定的，見表2-10。測量電壓增益時(shí)，縱軸顯示的是電路輸出電壓與輸入電壓的比率，使用對數(shù)坐標(biāo)時(shí)，單位是分貝。使用線性時(shí)，顯示輸出電壓與輸入電壓的比率。當(dāng)測量相頻響應(yīng)曲線時(shí)，縱軸刻度顯示相位角的差值，單位為度。設(shè)置縱軸（Y軸）初始值（I）和最終值（F）時(shí)，也一定要是使（I<F），Multisim不允許（I>F）的情況出現(xiàn)。測量內(nèi)容使用坐標(biāo)最小初始值最大最終值幅頻增益log-200dB200dB幅頻增益lin010e+09相頻lin-720°720°測量內(nèi)容讀數(shù)垂直游標(biāo)使用前一般都在博得圖儀屏幕的左邊沿上，如圖2-40所示。移動(dòng)博得圖儀的垂直游標(biāo)到某一頻率上，與該頻率相對應(yīng)增益或相位的差值將被顯示出來，如圖2-40。游標(biāo)所在位置頻率對應(yīng)測量值１)在圖２-２１中標(biāo)出電路中各未知電參數(shù)的符號和方向。標(biāo)注雙控開關(guān)控制熒光燈電路中電參量的符號和方向任務(wù)實(shí)施標(biāo)注雙控開關(guān)控制熒光燈電路中電參量的符號和方向2）求解整流器的感抗XL，整流器的等效阻抗Z1。

因感抗XL=ωL=2πfL所以代入?yún)?shù)得XL=2×3.14×50×1.47=461.58Ω因整流器的等效阻抗Z1=RL+jXL所以代入?yún)?shù)得

Z1=RL+jXL=50+j461.58=464.28∠83.82°3）求解熒光燈電路的總阻抗Z。因熒光燈的等效模型為燈管的電阻R和整流器的串聯(lián)，所以有：Z=R+RL+jXL代入數(shù)值得Z=250+50+461.58j=300+461.58j=550.51∠57°4）寫熒光燈電路中各未知電參量的計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果，完成表2-7中。表2-7熒光燈電路中的參數(shù)的計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果熒光燈電路中的參數(shù)的計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果5）說明如何提高熒光燈電路的功率因數(shù)。提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的方法是在電感性負(fù)載的