裂相分相电路的仿真研究.docx
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裂相分相电路的仿真研究
裂相（分相）电路的仿真研究
摘要
本文主要介绍用Multisim7对裂相电路进行仿真，主要讨论了将单相交流电源（220V/50Hz）分裂成相位差为90°的两相电源的情况。
根据电源特性，通过多次实验，选出一个质量好的电源进行实验，并画出电压随电阻的变化曲线；然后在电压输出端接负载电阻，仿真测出不同电阻阻值时功耗大小，并绘出功率-电阻图像，通过观察研究，得出当其空载时功耗最小。
然后将负载换成电感或电容，同样画出阻抗-电压图像，观察所绘图像，发现电感的电压—感抗曲线有一个最高点，据试验数据，结合代数运算，得出当WL=R（3.183Ω）时，电压取得最大值。
关键词
裂相分相单相电源两相电源
1.引言
随着3G时代的到来，电子科学及电工技术在日常及社会生活中的应用也越来越广泛，裂相技术作为一项较为简单的技术，在教学演示和实际生活中有着很大的实用价值。
而本次试验中就有R-C裂相电路，我对此很感兴趣，在参考了一些课内及课外资料后，决定研究下这个课题。
本次试验对裂相电路进行了仿真研究，将单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源，并作出电压---负载（两负载相等，（分别有电阻，电感，电容）的特性曲线，并证明设计电路在空载时功耗最小。
2.正文
（1）实验材料与设备装置
裂成两相电源
一个单相交流电压源（220V/50HZ），两个阻值分别为3.183Ω的电阻,两个电容均为1mF的电容,两台万用表，两台功率表，一台示波器，一些可变电阻，可变电容及可变电感和导线若干。
本实验的所有数据均为在Multisim7上仿真得出。
（2）实验原理
因为电容元件两端的电压和通过它电流有90°的相位差，所以可以利用这个性质，将电容和电阻串联后加上电源，由两个支路分流，其中一个电路电阻及另一电路电容两端的电压就有一个相位差，调整电阻及电容的值，就能把单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源。
（3）实验方法
做实验过程中，我参考了《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金编著）中第144页，145页的方法。
电路图与向量图如下。
裂成两相电源电路图
向量图
（4）实验过程及结果
裂成两相电源
1）按照上图接好裂相电路后，在空载情况下用示波器观察裂相后两相电源输出的相位差，用万用表读出此时的各相电压。
2）两相电源的每一相上分别接一个电阻，两电阻阻值相等。
分别测量记录不同阻值时二相电源的电压和此时的负载功率，然后绘制电压——负载特性曲线和功率——负载特性曲线。
3）两相电源的每一相上分别接一个电感，两电感值相等。
分别测量记录不同电感值时两相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。
4）两相电源的每一相上分别接一个电容，两电容值相等。
分别测量记录不同电容值时两相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。
电阻电容的选择
在实验过程中，同样满足R1C1=R2C2=RC且wR1C1=wR2C2=1条件的电阻电容组合成千上万，比如我一开始选择3.183kΩ的电阻及电容均为1uF的电容，在空载情况下，测得电压表电压分别为155.651V和155.644V，但是发现当负载可变电阻调至50Ω*80%时，两电压表示数居然有不小的变化，分别为132.913V和149.453V；当负载可变电阻调至50Ω*85%时，两电压表示数变为126.364V和149.806V！
显然这样的电源输出质量不好，然后经过多次实验，发现电阻越小，电容越大时，其电源输出质量也就越好，电压越稳定！
于是我最后选择阻值分别为3.183Ω的电阻以及容量为1mF的电容，开始做实验。
示波器观察电源输出的相位差
示波器图像
由图可见，裂相后的两电源输出的相位差为90°
各相电压值
电压随电阻变化曲线
有图可见，电压前后变化很小
不同阻值时二相电源的负载功率
实验结果：
R*1000
T1-T2
T
相位差
P2（W）
P1（W）
2.5
4.847
20.153
86.58
0.509
0.51
5
4.847
20.153
86.58
0.538
0.538
10
4.847
20.153
86.58
0.604
0.603
15
4.847
19.898
87.69
0.691
0.691
20
5.102
20.153
91.14
0.806
0.805
25
5.102
20.153
91.14
0.968
0.967
30
5.102
20.153
91.14
1.21
1.212
35
5.102
20.153
91.14
1.613
1.61
40
5.102
20.153
91.14
2.419
2.421
45
5.102
20.153
91.14
4.837
4.836
47.5
5.102
19.898
92.31
9.667
9.668
此图为两电阻所消耗的功率随电阻变化而改变的折线图
电感
电感负载的实验电路图
以下为所测电感感抗---电压对应数据表
WL
L（mH）
U1（V）
U2（V）
1.57
5
153.47
153.475
3.14
10
219.91
219.916
4.71
15
209.195
209.201
6.28
20
197.236
197.242
7.87
25
189.033
189.039
9.42
30
183.363
183.367
10.99
35
179.291
179.296
12.56
40
176.219
176.226
14.13
45
173.87
173.861
15.7
50
171.956
176.961
其间有一电压最高点，当WL=R（3.183Ω）时，电压取得极大值
电容
电容负载的实验电路图
U1
U2
C1（uF）
1/WC1
C2（uF）
1/WC2
155.69
155.7
1
3184.71338
1
3184.713
155.364
155.369
2
1592.35669
2
1592.357
155.25
155.251
3
1061.57113
3
1061.571
155.1
155.1
4
796.178344
4
796.1783
155
155
5
636.942675
5
636.9427
154.92
154.92
6
530.785563
6
530.7856
154.91
154.91
7
454.959054
7
454.9591
154.901
154.905
8
398.089172
8
398.0892
154.816
154.821
9
353.857042
9
353.857
154.737
154.742
10
318.471338
10
318.4713
此为电容容抗---电压之间关系图
（5）结果的讨论
仿真测出不同电阻阻值时功耗大小，通过观察研究功率-电阻图像，得出当其空载时功耗最小。
然后将负载换成电感时，观察所绘阻抗-电压图像，发现电感的电压—感抗曲线有一个最高点，据试验数据，结合代数运算，得出当WL=R（3.183Ω）时，电压取得最大值。
3.结论
本实验的实验原理较简单，实验过程基本顺利，有些问题在问过老师之后得到了圆满解答。
经过反复思考，反复做实验，查阅书籍资料，终于克服了诸多困难，很好的完成了实验，并得到以下结论：
1）裂相后电源接阻值相等的电阻性负载时，两端的电压和负载阻值具有相同的增减性。
2）裂相后，各相电源空载时功耗最小。
3）负载为感性时，负载电压随电感值先增后减，有一最大值，再趋于平稳。
4）负载为容性时，负载电压随电容值先平稳再减小呈递减趋势。
在这次试验中，我受益匪浅，不但加深了对裂相技术的理解，更好的理解了电子电工技术的博大精深及其重要性，并熟悉了Multisim7的使用与操作，为以后的研究打下了基础。
1.致谢
衷心感谢指导我做实验的老师以及在本次试验中对我有过帮助的同学。
2.参考文献
《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金编著机械工业出版社）
《电路》（黄锦安主编机械工业出版社）
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