1、96、電工基礎電路仿真舉例6.1電路基礎理論仿真6.L1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T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）；丫為電阻兩端的電壓，單位為V（伏特）。圖6J1為一歐姆定律測試電路，圖中Ml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VI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。M2VI12 V-1：11：MR1H佗,002a圖6.11歐姆定律測試電路6.L2串聯電路分析串聯電路的特點是，流過每個串聯元件的電流相等。串聯電路的等

2、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。|-4.000yI-L4.000-L4000yj|RRR1knIkiiIknPo3.UU4rri:P<1<圖6.1-2串聯測試電路6.1.3 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。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

3、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。6.1.4 串一并聯電路分析串一并聯電路是由部分串聯電路和部分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部分，哪些是并聯部分，然后根據串并聯的不同特點進行分析。圖6.14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。15可R2kQ圖6.1-4串一并聯測試電路6.1.5 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

4、試電路得到驗證。圖6.1-5分壓關系測試電路6.L6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。M1V112 V審由 3 12 35 i司 I IM4圖6.1-6分流關系測試電路6.1.7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6.1-7所示電路，我們可以令

5、電壓源VI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對比，進一步加深對疊加原理的理解。M715VM6IL7<k-1.口”幣/J2 M VJI3m A|IU:4|5 0aArn A|R17 koII IO .ooR2r2koM3圖6.1-7疊加原理測試電路6.2 交流電路仿真6.2.1 電感電路分析在EWB主界面內，按圖6.2-1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V的頻率為50Hz，電壓有效值為10V。電感L的感抗Xl=2n小2nx50XIX10-3Q=0.314

6、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。MlTL-IBuM2圖6.21電感電路roooia將電路中輸入電壓W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的基本關系。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6.2.2 電容電路分析Mi和電壓在EWB主界面內,按圖6.2-3搭接電路,與電感電路相同,將電流表表M2置于交流(AC)工作模式，選擇輸入交流電壓Vi的頻率為50Hz，電壓有效值為10V

7、。電容C的容抗Xc=1/(2nfC)=1/(2nX50XIX10_6)Q=3.18kQ。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。圖6.2-3電容電路將電路中輸入電壓V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(V。相角n/2的基本關系。Ed賈一屯L勉時L W?I Aui« Ik Ji BhlAgl Olf PC',T1454WE0sT245E359T2-T1IEOUBOOnsVA11$142/VVA2-

8、14/421U-28.2942UiVEIMVVB2A602VE2AVB1I7AZ04尺飄33gLlinneAIitV/EivImv1nnY: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，將電流表肺和電壓表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V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

9、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6.2-6所示。MlImHgm “J J覽空VILQ V/156 Hz JO DegI mF圖6.2- 5 L、C串聯諧振電路O|言舊|昌|固M|電|司里延旦厄£|S)詈一石> a”p)<>SEqd100 le-KC4 le+006Frequency (Hz)AC AnalysisStatistics Analog| | Oscilloscopexlyi¥2 dx汨l/dxI/dy min xmax x mln y max y153,9927997b:31m865人96

10、43K103.7B93u865苗K-997.64BOm1-1550u.-1-00241,00001!_：1000m159.1549u997自3ISrrii圖6.2-6L、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(X)Hz左右。將輸入電壓M的頻率調整到串聯諧振頻率，將電路中輸入電壓V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M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

11、流表Mi顯示交流電流有效值為10A，這表明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。T1VAIVB11 1 .75163/4. 136114.10187211.76155T2TI9.S634 RSVA2-14.1361VVA2-VA1-23.2723VVB2-14.1916UVB2-VB1-28. ±036MChatmei 4 -I-一皿ir 甲拓 目訕fpOQChamml Bi 0。V, DirYposilioii TMOBMuoe一Swk.UQ 向 sa|I 347|YAT BfA； AJBITnggeiLfM*l W 腫|Ause< A| Bj Sit圖

12、6.2-7L、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M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V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?？贖imH口R

13、VI |10 V/157J04 Hz/D Deg圖6.2-8L、C并聯電路同樣，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ve勺頻率調整到串聯諧振頻率，將電路中輸入電壓接到示波器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，區兩端的電壓最小，可由示波器顯示的兩波形對比得到驗證。1 0 8 -0 .6 -04 -0 .2 -0 -100 -150 -0-50 -100 -100le-H)04le-K

14、)06Frequency (Hz)Ki153- 9927Y1£5 - S15 6 rnx21.0000 HV21000.0000 indx959.8460 Kdy日刁斗 1S44 in1/dKI- 0002 U】/創丫1.CT、1弓win x!xnax x1 Nminy百 5 S156 mm>a.x y1000 口圖6.29L、C舟聯諧振出路的頻率響應曲線呀田昌心射電GI堡何鄒FIIStatisticsAnalog)|0seiIIIoscopeACAnalysis|土JVJk|VBILdT22«-450 5434 mVVB2Tng眠6抑詢孔Edge卜.更, I刪討血

15、LeP/Qg目丫昨會血上I羽塑J 如型T2-T1VA2-V41 VK-VBI11時,UW騎-Ypoiiflim | o.uoACI 1JM11.137 ms -14.5&E5 V24 54&八 KVEtdyV Epvers*T-l圖6.2-10L、C并聯諧振電路的外加電壓與諧振電流之間的相位關系16.3 三相交流電路仿真6.3.1 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

16、，便于觀察其相位關系。電流表M。專門用于觀測中線電流。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/lkQ）=220mA，因為三相負載完全對稱，所以電流表悵指示中線電流為零。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

17、電壓可逐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1632三相四線制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lkQ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220mA022。V"軻）Deg05kQdi【3酊j220 V60 Hz/120 Deg FMEkQ11亞cijom宵1一一74301.0VfiO Hz/240 DegMCikaMO右E五圖6.33三相四線制Y形非對稱負載連接方式通過三相電流矢量分析（圖6.34）可知，電流表M。指示的中線電

18、流L值，是三相電流的矢量和，且與A相電流（Ia）同相位。圖6.3-4三相四線制Y形非對稱負載矢量圖6.3.3 三相三線制Y形非對稱負載情況在圖6.33中，若將Y形非對稱負載的中點與“地”斷開，則電路就成為圖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，因此不論負載有無變動，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則遭到破壞。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，則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?。?.5kQ）的一相，相電壓為165V。而另外兩相負載電阻均為1kQ,其承受的相電壓均為252V，已經超過了2