电工电子技术 课件 2任务二、基于Multisim的家庭照明电路仿真分析

基于Multisim的家庭照明电路仿真分析电工电子技术

黄燕华任务导学如何计算荧光灯电路中的电流和电压，如何基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件中对电流、电压的数值和相位进行测量?

任务导学电路中的电流和电压的计算同样的符合基尔霍夫定律，即KCL、KVL两个定律；同时，电路中的电参量为交流电量，元器件的性质除了电阻性的还有电感性和电容性的，则计算时需要将交流电量转换为相量的形式，应同时考虑大小和相位之间的关系；

在Multisim软件中使用博德图仪可以测量相位关系，使用万用表可以测量电压电流的数值。任务情境图2-21双控开关控制的荧光灯电路１)在图２-２１中标出电路中各未知电参数的符号和方向。标注双控开关控制荧光灯电路中电参量的符号和方向任务实施2）求解整流器的感抗XL，整流器的等效阻抗Z1。3）求解荧光灯电路的总阻抗Z。4）写荧光灯电路中各未知电参量的计算公式和计算结果，完成表2-7中。表2-7荧光灯电路中的参数的计算公式及计算结果5）说明如何提高荧光灯电路的功率因数。6）基于Multisim仿真软件测出

。在Multisim仿真软件中构建仿型，将仪器仪表安装正确，将测量结果与步骤４)中的计算结果进行对比，完成表２-８。表2-8荧光灯电路参数仿真测量结果17、请用Multisim软件测出PR、P、cosφ1，在Multisim软件中构建仿型，将仪器仪表安装正确，将测量结果与步骤４)中的计算结果进行对比，完成表２-9。表2-9荧光灯电路参数仿真测量结果2知识链接一、电阻元件的交流电路二、电感元件的交流电路三、电容元件的交流电路四、功率因数的提高

五、Multisim软件中虚拟仪器的使用

一、电阻元件的交流电路电工电子技术

黄燕华电阻元件的正弦交流电路(一)电压与电流的关系线性电阻元件:欧姆定律+--Ruiu=Umsin(ωt+ψu)电阻元件的端电压电流u=Umsin(ωt+ψu)电阻元件的端电压电流1.频率关系通过电阻元件的电流与端电压是同频率的正弦电量。2.数值关系有效值电流与端电压有效值之间具有欧姆定律的形式。3.相位关系电流与端电压同相位。Ψu=Ψi(二)欧姆定律的相量形式或0Ψu=ψiωtiuui+1Ψi=Ψu(三)功率1.瞬时功率p=uiu=Umsinωti=Imsinωt电压电流瞬时功率p≥0电阻是耗能元件。+--Ruiωt0piiuuωt01.瞬时功率p≥0电阻是耗能元件。ωt0piiuuωt02.平均功率

有功功率表示电阻元件的实际耗能效果。+--Rui例题已知R=100Ω、电压u=311sin（314t+30°）V解:电压相量电流相量电流

计算电流i和平均功率P。平均功率P=UI=220×2.2=484W二、电感元件的交流电路电工电子技术

黄燕华电感元件的正弦交流电路电感线圈(电感器)的应用限流、扼流整流电路中的滤波器。调谐与选频谐振电路。镇流器荧光灯电路。电抗器电焊机中改变电感量L，满足焊接工艺要求。电感元件

理想元件只表示电流建立磁场，储存磁场能这一物理（电磁）性质是储能元件1.线性电感元件电感元件是表示电流建立磁场,储存磁场能这一电磁现象的理想元件。φi磁链ψ=NΦψ=LiL是常数单位:亨(利)(H)电感元件的储能线性电感元件磁链ψ与电流i成正比。i++----euL2.电感元件的伏安关系电感元件的图形符号及有关电量的正方向。电磁感应定律线性电感元件ψ=Li根据KVL电感元件的伏安关系电感元件的电压与通过的电流对时间的变化率成正比。在直流电路中,电感元件相当于无阻导线。(二)在正弦交流电路中电感元件电压与电流的关系通过电感元件的正弦交流电流电感元件的端电压i=Imsinωt通过电感元件的正弦交流电流电感元件的端电压i=Imsinωt1.频率关系电感元件端电压与电流是同频率的正弦电量。2.数值关系Um=ωLImIm=Um／(ωL)有效值表示式感抗

XL=ωL

单位:欧(姆)引入感抗后,电感元件端电压与电流的有效值之间具有欧姆定律的形式。感抗XL=ωL=2πfL感抗XL与电流的频率f成正比在直流电路中XL=0。3.相位关系i=Imsinωt电流电压相位差

φ=ψu--ψi=90°电压超前电流90°90°ωt0ui90°相量表示式jXL复数感抗或(三)功率1.瞬时功率i++----euLi=Imsinωt电流电压瞬时功率p以二倍频按正弦规律交变。瞬时功率p的最大值是UI。p＜0电感释放磁场能,返还电源,电感中的磁场在消失。p＞0电感吸收电能,并转换为磁场能,储存在磁场中。ωtp0ωtuuii0电感元件不消耗电功率,是储能元件。2.平均功率3.无功功率衡量电感元件与电源进行能量交换的规模。取瞬时功率的最大值表示单位:乏(尔)(var)或仟乏(kvar)三、电容元件的交流电路电工电子技术

黄燕华电容元件的交流电路电容元件：表示电路中储存电荷、建立电场、储存电场能这一电磁现象的理想元件。电容储存电场能储存的电荷量q∝U+qC+--U－qq=CU线性电容元件电容单位：法拉(F)--+uCi电容元件的伏安特性电容电流(一)

在正弦交流电路中电容元件电压与电流的关系交流电压

u=Umsinωt(2)数值关系容抗(1)频率关系电流i与电压u是同频率的正弦电量。交流电压

u=Umsinωt电容电流最大值有效值引入容抗之后,电压有效值与电流有效值之间具有欧姆定律的形式。电容C一定,频率f越高,容抗XC越小。在直流电路中f=0，XC→∞，电容可视为开路。电容具有隔直流、通交流的作用。高频电流越容易通过。容抗容抗的单位是欧姆。（三）相位关系交流电压

u=Umsinωt交流电流

i=Imsin（ωt+90°）相位差

φ=ψu--ψi=-－---90°电容电压u滞后电流i90°0Ψi=90°ωtiiuu0Ψi=90°ωtiiuu相量表示式或复数容抗相量图I·U·(二)功率1.瞬时功率交流电压

u=Umsinωt交流电流

i=Imsin（ωt+90°）1.瞬时功率瞬时功率p以二倍频按正弦规律交变。瞬时的功率p的最大值是UI。ωtuuii0p0ωtp＜0电容释放电场能,返还电源,电容中的电场在消失。p＞0电容吸收电能,并转换为电场能,储存在电场中。电容不消耗电功率,是储能元件。ωtuuii0p0ωt2.平均功率3.无功功率衡量电容元件与电源进行能量交换的规模。取瞬时功率的最大值表示单位:乏(尔)(var)或仟乏(kvar)四、功率因数的提高电工电子技术

黄燕华提高功率因数的方法原则:不影响负载的正常工作。电感元件的无功功率与电容元件的无功功率相互补偿。R1+-I·U·jXLIRL·原理:减小电路的无功功率。补偿电容器C方法：与电感性负载并联一个容量合适的电容器。-jXCIC·C分解无功分量有功分量IX=IRLsinφ1IR=IRLcosφ1IX·IR·电路的功率因数λ1=cosφ1I·总电流IRL·=U·IRL·φ1感性负载支路电流IRL·工作原理+-I·U·jXLR1IRL·未并联电容IX·IC·与无功分量相位相反、相互补偿有效值I＜IRLU·总电流I·与电压的相位差角φ2＜

φ1补偿后的功率因数λ2=cosφ2＞λ1=cosφ1+-I·U·jXL-jXCR1IRL·IC·IC·并入电容后,电容支路电流IC·U·IRL·IX·IR·φ1总电流I·IRL·=IC·+I·IC·φ2φ2U·IRL·IC·IC·IX·IR·φ1I·把功率因数从λ1=cosφ1提高到λ2=cosφ2应该并联电容器的容量。电容支路的电流

IC

=U／XC

=UωC代入上式注意P=UIRLcosφ1=UIcos1φ2五、Multisim软件中虚拟仪器的使用

电工电子技术

黄燕华（1）功率表功率表用来测量电路的交流、直流功率，功率的大小是流过电路的电流和电压差的乘积，量纲为瓦特。所以，功率表有四个引线端：分别是电压的正极和负极，电流的正极和负极。功率表中有两组端子，左边两个端子为电压输入端子，与所要测试的电路并联；右边两个端子为电流输入端子，与所要测试的电路串联。功率表也能测量功率因素，功率因素是电压和电流相位差角的余弦值。功率表的图标、接线符号、面板如图2-36所示。功率表图标、接线符号、面板示意图（2）博德图仪博德图仪(BodePlotter)能产生一个频率范围很宽的扫描信号，用于测量电路幅频特性和相频特性。博德图仪图标、接线符号如图2-37，面板如图2-38所示。显示屏显示的是测量幅频特性曲线。博德图仪图标、接线符号注意：使用博德图仪测量幅频特性和相频特性曲线时，电路输入端必须接有信号源。若没有信号源，电路将不能仿真。但使用何种信号源并不会影响测量结果，如用函数函数发生器或用元器件库中的AC_POWER作为电路输入端信号源，效果一样。博德图仪面板测量模式1）Mode模式选择Magnitude幅频特性测量。幅频特性是指在一定频带内，两测试点间（如电路输入in，电路输出out两测试点）的幅度比率随频率变化的特性，如电压放大器，放大器电压增益在一定频带内并非一致。为了了解在一个频带内段内放大器各频率点的电压增益，就要对放大器进行电压增益的幅频特性的测量。将博德图仪与被测电路相连，用鼠标单击按钮，博德图仪显示屏上就会绘制出幅频特性曲线。Phase相频特性的测量。相频特性曲线，是指在一定的频带段内，两测试点间（如电路输入in，电路输出out两测试点）的相位差值，以度表示。与测量幅频特性一样，用鼠标单击

按钮，相频特性曲线就会绘制出来。2）测量方法将仪器输入端口正极与电路in的正极相连，将仪器输出端口正极与电路out正极相连。将仪器输入端口的负极与仪器输出端口的负极一并接地。如果测量是针对一个组件的，则将博德图仪正极分别接到组件输入in和输出out两端，负极一并接地。水平轴与垂直轴的设置1）基本设置当比值或增益有较大变化范围时，坐标轴一般设置为对数的方式，这时频率通常也用对数表示。当刻度由对数（log）形式变为线性（lin）形式时，可以不必重新仿真，如图2-39所示。2）Horizontal水平轴刻度水平轴（X轴）显示的是频率。它的刻度由横轴的初始值和最终值决定。当要分析的频率范围比较大时，使用对数刻度。设置水平轴初始值（I）和最终值（F）时，切记：一定要是使（I<F），Multisim不允许（I>F）的情况出现。博德图仪坐标轴的设置3）Vertical纵轴刻度纵轴（Y轴）的刻度和单位是由测量的内容决定的，见表2-10。测量电压增益时，纵轴显示的是电路输出电压与输入电压的比率，使用对数坐标时，单位是分贝。使用线性时，显示输出电压与输入电压的比率。当测量相频响应曲线时，纵轴刻度显示相位角的差值，单位为度。设置纵轴（Y轴）初始值（I）和最终值（F）时，也一定要是使（I<F），Multisim不允许（I>F）的情况出现。测量内容使用坐标最小初始值最大最终值幅频增益log-200dB200dB幅频增益lin010e+09相频lin-720°720°测量内容读数垂直游标使用前一般都在博得图仪屏幕的左边沿上，如图2-40所示。移动博得图仪的垂直游标到某一频率上，与该频率相对应增益或相位的差值将被显示出来，如图2-40。游标所在位置频率对应测量值１)在图２-２１中标出电路中各未知电参数的符号和方向。标注双控开关控制荧光灯电路中电参量的符号和方向任务实施标注双控开关控制荧光灯电路中电参量的符号和方向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所以代入参数得XL=2×3.14×50×1.47=461.58Ω因整流器的等效阻抗Z1=RL+jXL所以代入参数得

Z1=RL+jXL=50+j461.58=464.28∠83.82°3）求解荧光灯电路的总阻抗Z。因荧光灯的等效模型为灯管的电阻R和整流器的串联，所以有：Z=R+RL+jXL代入数值得Z=250+50+461.58j=300+461.58j=550.51∠57°4）写荧光灯电路中各未知电参量的计算公式和计算结果，完成表2-7中。表2-7荧光灯电路中的参数的计算公式及计算结果荧光灯电路中的参数的计算公式及计算结果5）说明如何提高荧光灯电路的功率因数。提高供电系统的功率因数的方法是在电感性负载的