南理工电子电工综合实验仿真论文.docx
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南理工电子电工综合实验仿真论文
电工电子综合实验
仿真论文
——裂相（分相）电路的研究
学院：
自动化学院
专业：
电气工程及其自动化
学号：
913110190319
姓名：
廖伟棋
目录
摘要：
2
关键词：
2
引言：
2
一、实验原理2
1、将单相变为两相2
2、将单相电源变为三相3
二、实验过程4
1、将单相电源分裂成两相4
2、将单相电源分裂成三相10
三、分相电路的用途16
四、结论17
五、致谢18
六、参考文献：
18
摘要：
裂相（分相）电路由电阻和电容组成。
我们知道，电容（电感）两端的电压和通过它们的电流的相位差恒为90°，因此，我们可以将电容（电感）与之串联的电阻分别作为电源，从而把单相交流电源分裂为两相交流电源（相位差为90°）；同样地，我们也可以把单相交流电源分裂为三相交流电源（相位差为120°）。
本文以实验为基础，将单相交流电路分裂成两相电源和三相电源，不难发现，各相负载在空载时消耗的功率最小。
关键词：
单相电源两相三相负载空载
引言：
随着科学技术的迅猛发展，电子电工技术在越来越多的领域中发挥着越来越重要的作用。
裂相电路由于吸取了单相电源供电方便、多相整流输出直流平稳、谐波少以及功率因素高等优点，并且克服了单相和多相整流电路在某些方面存在的缺点，故而受到越来越多的欢迎。
将单相电源变为两相或三相，产生相位差恒定的电源，能比较好的利用。
本文主要是研究如何将一个单相的交流电源分裂成多相交流电源的问题。
通过实验，分别将单相交流电源分裂成两相电源和三相电源。
在裂二相实验中，我采取了《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金编著）中第144页的方法，同时还自己研究出一种新的方法，通过各方面比较，最终得出这两种方法的适用范围。
在裂三相实验中，我采取了《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金编著）中第145页的方法。
实验中，通过测量多组数据，绘制相应曲线，并进行简单的分析，从而达到研究的目的。
一、实验原理
1、将单相变为两相
把电源Us分裂成U1和U2两个输出电压。
如下图所示为RC桥式分相电路原理的一种，它可将输入电压Us分裂成U1和U2两个输出电压，且使U1和U2的相位差为90°。
电路图如下：
图中输出的电压U1和U2分别和输入电压Us为：
＝
＝
对输入电压Us而言，输出电压U1和U2与其的相位为：
Φ1=-tan
（wR1C1）Φ2=tan
（
）
或cotφ2=wR2C2=-tan（φ2+90°）
若R1C1=R2C2=RC
必有φ1-φ2=90°
一般地，φ1和φ2与角频率w无关，但为使U1与U2数值相等，可令：
wR1C1=wR2C2=1
2、将单相电源变为三相
同样，将单相电源Us分裂成U
U
U
互成120°的对称电压，电路图如下：
由向量图中可见，B和C两点的轨迹是在圆周上变化。
只要使I2与I1成60°；使电流I3与I1成30°，则可使电压Ua，Ub，Uc成对称三相电压。
可利用公式：
=tan60°
=tan30°
二、实验过程
1、将单相电源分裂成两相
其中单相交流电源为220V/50Hz（峰峰值为311V）
（2）空载时电路图如下：
所以，空载时的电压有效值分别是U1=155.502V和U2=155.498V。
故该电路满足实验要求。
用示波器模拟如下：
（2）负载为电阻时电路如下：
（其中R3=R4）
R3=R4/KΩ
0.1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
U1/V
19.918
69.568
98.384
113.185
122.030
127.868
131.995
U2/V
19.917
69.566
98.381
113.182
122.026
127.864
131.991
R3=R4/KΩ
4
5
6
7
8
9
10
U1/V
137.428
140.781
143.169
144.866
146.155
147.167
147.983
U2/V
137.424
140.785
143.165
144.861
146.150
147.162
147.978
U1,U2与R的特性曲线如下：
由上图可看出：
U1—R，U2—R曲线近似重合
（3）测P与R的关系电路图如下：
R3=R4/KΩ
0.1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
P1/W
3.964
9.680
9.680
8.541
7.446
6.541
5.808
P2/W
3.964
9.679
9.680
8.541
7.446
6.540
5.808
R3=R4/KΩ
4
5
6
7
8
9
10
P1/W
4.722
3.967
3.417
2.998
2.670
2.407
2.190
P2/W
4.722
3.967
3.416
2.998
2.670
2.407
2.190
P1,P2与R的特性曲线如下：
由上图可看出：
P1，P2随R的增加先增大后减小，1.2KΩ左右达到最大值；当空载时，因为此时负载接近于无穷大，无电流，所以功耗最小。
（4）负载为电容时电路如下：
（C3=C4）
C1=C2/uF
0.1
0.5
1
2
3
4
5
6
U1/V
153.134
143.850
133.220
115.129
100.696
89.130
79.755
72.052
U2/V
153.130
143.846
133.216
115.126
100.693
89.128
79.753
72.050
C1=C2/uF
7
8
9
10
20
50
80
100
U1/V
65.637
60.227
55.613
51.636
29.926
13.139
8.412
6.783
U2/V
65.635
60.226
55.611
51.634
29.925
13.138
8.412
6.783
则U1,U2与C的特性曲线如下：
从图中可以看出，电压U1、U2之间拟合得很好。
（5）负载是电感时电路如下：
（L1=L2）
L1=L2/mH
10
50
100
150
200
250
U1/V
0.693
3.510
7.132
10.867
14.717
18.684
U2/V
0.693
3.510
7.132
10.866
14.716
18.683
L1=L2/mH
300
500
800
1000
1200
1500
U1/V
22.769
40.303
70.012
91.617
113.892
146.311
U2/V
22.768
40.302
70.010
91.614
113.888
146.307
U1,U2与L的特性曲线如下：
由上面的特性曲线可知，
（1）当负载为电阻时，随着负载阻值的不断增大，电压表U1和U2的读数不断增大；
（2）当负载为电阻时，P1，P2随R的增加先增大后减小；
（3）当负载为电容时，随着电容容抗的不断增大，电压表U1和U2的读数不断减小；
（4）当负载为电感时，随着电感感抗的不断增大，电压表U1和U2的读数不断增大；
（5）当空载时，电阻趋向无穷大，此时功耗最小
2、将单相电源分裂成三相
电路如下图所示：
其中单相交流电源为220V/50Hz（峰峰值为311V）：
（1）空载时的电压有效值为109.955V,109.955V,109.955V；满足条件电压为110V±2%；相位差为120°±2%。
用示波器模拟如下：
（2）当负载为电阻时，电路图如下：
（R4=R5=R6）
R4=R5=R6/KΩ
0.1
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
U1/V
40.555
86.437
99.170
103.728
105.904
107.114
107.858
U2/V
18.025
51.931
68.960
77.852
83.423
87.281
90.128
U3/V
26.981
64.990
81.776
89.855
94.519
97.515
99.586
R4=R5=R6/KΩ
4.0
5.0
6.0
7,0
8.0
9.0
10.0
U1/V
108.686
109.069
109.362
109.519
109.624
109.699
109.753
U2/V
94.071
96.688
98.557
99.962
101.057
101.682
102.655
U3/V
102.236
103.843
104.915
105.676
106.244
106.682
107.030
U1,U2,U3与R的特性曲线如下：
测P与R的关系的电路图如下：
R4=R5=R6/KΩ
0.1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
P1/W
17.047
14.849
9.783
7.143
5.588
4.576
3.868
P2/W
3.198
5.369
4.747
4.037
3.478
3.046
2.707
P3/W
16.86
13.68
9.0
6.92
5.13
4.15
3.23
R4=R5=R6/KΩ
4
5
6
7
8
9
10
P1/W
2.947
2.379
1.990
1.711
1.501
1.336
1.205
P2/W
2.212
1.868
1.619
1.428
1.277
1.155
1.054
P3/W
2.45
2.155
1.86
1.22
1.01
0.95
0.93
关系曲线如下所示：
（4）负载是电容时电路图如下：
（C1=C4=C5）
C1=C4=C5/uF
1
5
10
20
30
40
50
100
U1/V
109.955
93.039
75.941
55.221
43.082
35.196
29.699
16.579
U2/V
91.927
51.492
35.009
22.544
16.939
13.621
11.401
6.290
U3/V
99.661
79.407
61.224
41.474
31.207
24.958
20.769
11.244
C1=C4=C5/uF
150
200
250
300
350
400
450
500
U1/V
11.473
8.767
7.092
5.954
5.131
4.508
4.019
3.626
U2/V
4.343
3.316
2.681
2.251
1.939
1.703
1.519
1.372
U3/V
7.695
5.847
4.713
3.948
3.396
2.980
2.654
2.394
U1,U2,U3与C的特性曲线如下
（5）负载是电感时电路图如下：
（L1=L2=L3）
L1=L2=L3/mH
10
20
50
100
150
200
250
300
U1/V
1.850
3.739
9.652
20.316
31.939
44.364
57.310
70.376
U2/V
0.699
1.413
3.650
7.711
12.198
17.096
22.344
27.836
U3/V
1.207
2.432
6.206
12.809
19.723
26.806
33.851
40.598
L1=L2=L3/mH
400
500
600
700
800
900
1000
U1/V
94..917
114.511
127.983
136.110
140.667
143.147
144.537
U2/V
38.946
49.192
57.970
65.299
71.619
77.326
82.664
U3/V
52.116
59.762
63.567
64.671
64.577
64.440
64.972
U1,U2,U3与L的特性曲线如下所示：
由上面的特性曲线可知，
（1）当负载为电阻时，随着负载阻值的不断增大，电压表U1和U2的读数不断增大；
（2）当负载为电阻时，P1，P2，P3随R的增加先增大后减小；
（3）当负载为电容时，随着电容容抗的不断增大，电压表U1和U2的读数不断减小；
（4）当负载为电感时，随着电感感抗的不断增大，电压表U1和U2的读数不断增大；
（5）当空载时，电阻趋向无穷大，此时功耗最小。
三、分相电路的用途
裂相电路可以应用于荧光灯电子镇流器，它是用直流来点荧光等电子镇流器的电路。
使用这个裂相电路图，只要增加四个元器件，不但功率因素可以增加提高到0.8以上，而且铁心电感L中流过的电流可以减小一半，因而使铁心电感的用铜量和用铁晾量降低，损耗减小。
这是由于荧光灯的直流电流由通过电感和通过电容两条整流电路提供。
通过电感L的感性电流和通过电容的容性C的容性电流在电网中的相叠加，从而提高了功率因数，降低损耗，并且供电电压平稳。
图中电阻R是为限制电容C的峰值电流而设的。
此外，此电路图还可以用来点亮高压汞灯和高压钠灯。
四、结论
第一次接触muitisim13，刚开始因为不熟悉，在画电路图时很难找到元器件，比如示波器，功率表之类的，需要通过元器件的符号才能找到，有时甚至找一个元件需要花上好几分钟。
本实验看上去比较烦，但它的的实验原理较为简单，即电容（电感）两端的电压和通过它们的电流的相位差恒为90°，因此，我们可以将电容（电感）与之串联的电阻分别作为电源，从而把单相交流电源分裂为两相交流电源（相位差为90°）；同样地，我们也可以把单相交流电源分裂为三相交流电源（相位差为120°）。
在实验数据以及实验图像的基础之上，我总结出以下几点内容：
1．裂相后电源接相等负载时两端的电压和负载阻值成一定的曲线关系（同增同减）；2．接合适的负载时,裂相后的电路负载上消耗的功率将远大于电源消耗的功率；3．裂二相实验中，可以根据所接负载的实际情况，选择不同的方法；4．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；5．阻性负载时，负载越大，得到的电压越稳定，越接近理论值；6．空载时，电阻趋向无穷大，此时功耗最小；7．实验的元件选用上要符合实际，因为在市场上电容小的价格相对便宜，而实验中若采用大电容，尽管可以获得符合要求的数据，但其实际成本价格相对较高。
通过此次电路实验，我明白了设计一个电路图要综合考虑各方面因素，不能单凭符合理论数据；8．实验中的数据曲线是采用MATLAB绘制的。
五、致谢
1．感谢电路老师蔡小玲老师和电工电子综合实验老师的耐心教导，使我接触到multisim13，了解它的一些基本操作，并且能够比较熟练的运用multisim13这款软件，同时也在实验中帮助我解决了令我困惑的一些问题，同时让我从原来对电路实验毫无概念进步到可以熟练进行实验的阶段。
2．感谢同学的热心帮助，他们在我实验的过程中帮助我解决了很多难题和困惑，在我在不方便请教老师的情况下给与我很多帮助，让我逐渐熟悉multisim13这款软件，并且帮我找出电路中存在的问题，让我顺利完成本次实验。
六、参考文献：
【1】《电工仪表与电路实验技术》南京理工的大学马鑫金编著
【2】《电路》机械工业出版社黄锦安主编
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