电工电子综合实验报告-裂相(分相)电路的仿真研究-优秀

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multisim12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1.引言在日常生活中，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Multisim12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—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—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—阻抗的关系。2.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1KΩ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30kΩ和15kΩ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1.与2.有效值相等②两输出电压的相位差φ1—φ2=90°，则有：121111()SUUwRC2222111()SUUwRC对于输入电压SU而言，输出电压1U和2U的相位为：φ111arctanwRCφ222arctan1wRC或cotφ2=wR2C2=-tanθ（φ2+90°）所以φ2+90°=22arctanwRC即若：1122RCRCRC则必有φ1−φ2=90°一般而言，φ1和φ2与角频率ω无关，但为使U1和U2数值相等，可令ωR1C1=ωR2C2=1而Us=220V，角频率ω=50Hz，121111()SUUwRC2222111()SUUwRC综上所述，得要满足设计要求只需要满足下式即可：ωR1C1=ωR2C2=1综上所述，根据计算，选取参数R1=R2=1KΩ,C1=C2=3.183uF，设计如下图所示的电路图进行仿真,结果如下：仿真实验图3在仿真实验中：两输出电压分别为U1=155.558V,U2=155.553V,U1与U2的有效值在误差范围内认为是相等的，即U1=U2；且满足U1=U2≤150×(1±4%)V;计算两电压的相位差：φ111arctanwRC=-44.999°φ222arctan1wRC=45.000°相位差为90°，满足实验相位差要求（90°×（1±2%））。探究电压-负载特性曲线实验1.负载为电阻性阻抗时的电压—阻抗曲线，功率—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：接阻性负载情况下的裂相电路图4表1：接阻性负载情况下的裂相电路各参数实验数据实验仿真截图如下：（负载电阻为4000欧姆时）示波器功率表数据处理：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，U1，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U1，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，P1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0。从而验证了该裂相电路在空载的时功耗最小这一结论。2.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U1、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=100uF时）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→0时，相当于开路，由此有U1=U2=155V，而当C→∞时相当于短路，所以有U1=U2=0。此外，随着负载电容的变化，U1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ωR1C1=ωR2C2=1，即R1=1/(ωC1),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。3.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U1、U2，数据如下：表3：接感性负载情况下的裂相电路各参数实验数据接感性负载情况下的裂相电路图5（L=100mH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0L3000mH时，电压随着电感的增加而增加，到L=3000mH时，电压达到最大值U1=U2=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U1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UoA,UoB,UOC互成120°的对称电压，其原理如下图所示：单相分裂成三相原理图单相分裂成三相电路相量图I2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I2与电流I1相位差成60°，使得电流I3与电流I1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：22RXc=tan60°33RXc=tan30°根据计算，选取参数R1=R3=500Ω,R2=250Ω,得C2=7.35μF，C3=11.03uF，设计如图6所示的电路图进行仿真；结果如下：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：UOA=110.000,UOB=109.998，UOC=110.999;满足实验要求的110V（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：1.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U1(UOA)、U2(UOB)、U3(UOC）、P1、P2、P3等的实验数。接阻性负载情况下的裂成三相电源电路图7（当R=3000Ω时）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3kΩ时）功率表电压表数据处理：绘制电压-负载、功率-负载曲线：电压-负载曲线：功率-负载曲线：由电压-负载曲线可以看出：当R大于3000Ω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110V的要求。同时由于参数满足22RXc=tan60°，33RXc=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1000Ω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0，由此验证了空载时功耗最小。2.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U1、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=1uF时）电压表表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0，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。3.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U1、U2、U3、等的实验值；电压表接感性负载情况下的裂成三相电源电路图9（当L=5000m时）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110V,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增加，到一定值时，电压达到最大值；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。实验二：裂成三相电源（1）三相电源接入相同阻值的电阻性负载后，变换阻值的大小，三相电压相差较大，这方面与裂两相电源实验明显不同。（2）负载为感性和容性时，曲线的趋势与裂两相电源实验基本一致，但各相电压还是存在明显区别，这些都说明了，同一单相交流电裂成三相电源与两相电源，即存在类似的地方，也存在着较大的不同处；3.分相电路用途：该RC桥式裂相电路可把单相交流电分裂成两相相位差为90°或者三相相位差为120°的交流电，用途非常广泛。本文的研究了一种把单相交流电分裂成两相相位差相差为90°的等输出交流电的思路，为只有单相交流电的地方提供了一种获得两相交流电的方法。如果能设计出相位差可调的裂相电路，则能为单相交流电路的有效利用提供了广泛的市场前景。1.分相电路可以提供更多的接口，使各负载之间能够分开，而不需要同时并联到哪一单相电源上，用电更加安全。2.阻性负载时，负载越大，得到的电压越稳定，越接近理论值。空载时，电阻趋向无穷大，此时功耗最小。3.三相对称电源与单相比较起来有着很多的优点，但在民用及教学演示等场合，往往没有三相电源。这时用分相电路即可在一定条件下，在单相电源的作用下获得对称的三相电源，从而，使仅有单相供电的场合，能够运用三相电源。4.在单相异步时机里，需要不同的相位的电压以形成移进磁场或者旋转磁场，这时采用的电源是单相的内部却要多相的，这种时刻要靠分相电路来实现；3、参考文献《电工仪表与电路实验技术》马鑫金编著机械工业出版社，2007《电路》黄锦安主编机械工业出版社，2007《电机学》张俊芳顾春雷康明才编著，中国电力出版社，2010