基于EWB的電路綜合設計的研究與實踐

楊歡紅，楊爾濱，李曉華

(上海電力學院電力及自動化工程學院，上海 200090)

電路分析(Circuits Analysis)是電氣類專業必須掌握的一門專業基礎課，理論性強、公式多、計算復雜.由于這門課程要求學生掌握電路的基本概念、規律和分析計算方法，需要學生具備扎實的高等數學及大學物理基礎.同時，電路分析又是一門實踐性很強的課程，要求學生掌握基本實驗技能和方法，并能將電路理論知識應用在解決電氣工程的實際問題上［1］.由于實驗設備條件的限制，在傳統實驗室里只能進行有限的基礎性實驗，很難實現設計性實驗和綜合性實驗.近年來，在實踐性教學中，為了彌補實驗室硬件條件的不足，上海電力學院引入了電路計算機輔助設計，利用EWB軟件實現了對各種綜合電路的分析設計，并設計出接近于實際器件的電路模型，可測試電壓、電流及其他參數，觀察動態波形，避免了手工計算的麻煩，彌補了實驗設備的不足，以達到快速仿真計算和分析的教學目的.通過應用計算機輔助設計與電路理論教學和實驗教學的有機結合，大大激發了學生的學習興趣，加深了對電路概念和原理的理解，培養了他們積極思考、分析和解決問題的能力，為解決電氣工程的實際問題打下了堅實的基礎.

1 EWB軟件的特點及分析方法

EWB(Electronics Workbench，現稱為MultiSim)軟件是加拿大Interactive Image Technology公司推出的用于電子電路仿真的虛擬電子工作平臺［2］，具有以下4個特點.

(1)具備豐富的電路元件庫 EWB提供了各種建模所需的精確的元器件，如電阻、電容、電感、二極管、三極管、繼電器、可控硅、數碼管等.

(2)具備多種儀器儀表 EWB提供了電壓表、電流表、萬用表、信號發生器、示波器、波特儀、邏輯分析儀、失真度分析儀、頻譜分析儀等儀器儀表，熟悉這些常用電子儀器的使用方法，可以比實驗室更靈活的方式進行電路實驗，并仿真電路的實際運行情況.

(3)具有形象直觀的人機交互界面 在計算機屏幕上可模仿真實實驗室的工作平臺，繪制電路圖所需要的元器件及進行電路仿真時所需要的測試儀器均可從屏幕上直接選取，軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，并可以實時顯示測量結果.

(4)具有通用性 作為設計工具，它可以同其他流行的電路分析、設計和制板軟件進行數據交換.

EWB具有強大的電路分析手段，可進行直流、交流分析，穩態、暫態分析，顯示仿真電路的實際運行情況，顯示測量結果.此外，還可提供直流工作點分析、瞬態分析、傅立葉分析、噪音分析、失真分析，交流分析、參數掃描、溫度掃描、零極點分析、傳遞函數分析、靈敏度分析、最壞情況分析等常用的仿真分析方法［3］.利用這些工具，可以觀察各種條件和參數變化時電路的運行情況.

(1)直流工作點分析 是對直流電路進行進一步分析的基礎.在分析直流工作點之前，要選定Circuit/Schematic Option中Show nodes項，可以把電路的節點號顯示在電路圖上.

(2)交流頻率分析 即分析電路的頻率特性，需先選定被分析的電路節點，在分析時，電路的直流源將自動置零，交流信號源、電容、電感等均處于交流模式，輸入信號也設定為正弦波形式.

(3)瞬態分析 即觀察所選定的節點在整個顯示周期中每一時刻的電壓波形.在進行瞬態分析時，直流電源保持常數，交流信號源隨時間而改變，電容和電感都是能量儲存模式元件.在對選定的節點作瞬態分析時，一般可先對該節點作直流工作點的分析，這樣直流工作點的結果就可作為瞬態分析的初始條件.

(4)傅里葉分析 用于分析一個時域信號的直流分量、基頻分量和諧波分量.一般將電路中交流激勵源的頻率設定為基頻，若在電路中有幾個交流源時，可以將基頻設定在這些頻率的最小公因數上.

2 設計實例及分析

本文選取對稱非正弦三相電路作為實例進行設計和分析.

2.1 設計要求

對稱非正弦三相電路，A相電源電壓uA=V，負載基波復阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω，分析負載相電壓、線電壓、線電流及兩中性點間電壓的有效值大小，并進行故障分析.

2.2 理論分析

對稱非正弦三相電路結構如圖1所示.

圖1 對稱非正弦三相電路結構

我們要分析負載相電壓UAN'，線電壓UAB，線電流IA，兩中性點間電壓UN'N的有效值大小.

A，B，C 3相電壓源分別由基波和3次諧波合成，其中基波電壓源 uA1，uB1，uC1為正序組，3次諧波電壓源 uA3，uB3，uC3為零序組.A，B，C 3 相電壓源可表示為:

基波、3次諧波電壓源的有效值分別為UA1=180 V，UA3=40 V，由三相正序、零序的特點，可以得出以下結論.

負載相電壓不含零序諧波:

負載線電壓不含零序諧波:

負載線電流不含零序諧波:

中性點之間的電壓只含零序諧波:

2.3 EWB模型設計及測試結果

每相非正弦電源中含有基波與3次諧波，用示波器觀察到3次諧波的頻率是基波的3倍，如圖2所示.

對負載供電的三相電源是基波與3次諧波疊加后的波形，為馬鞍波，各相電源對稱，見圖3.

按要求設計出對稱非正弦三相電路，見圖4.

圖2 基波與3次諧波

圖3 基波與3次諧波疊加后的波形

由于電壓頻率可自由選擇，我們將基波和3次諧波的頻率分別選為50 Hz和150 Hz.另外，負載復阻抗Z=R+jωL=(6+j8)Ω為基波復阻抗，可以等效成一個R=6 Ω的電阻和一個L=8/314=25.465 ×10－3H=25.465 mH 電感的串聯組合.

雙蹤示波器觀察的是C相電源的基波、基波與3次諧波疊加后的電壓波形，交流電壓表讀數為電壓有效值、交流電流表讀數為電流有效值.仿真結果顯示:負載相電壓為180 V，負載線電壓為312.3 V，線電流為18 A，兩中性點間電壓為40 V.可見，仿真結果與理論分析基本一致.

圖4 對稱非正弦三相電路的設計模型

2.4 故障分析

從圖4可以看出，對稱非正弦三相電路正常運行時負載的相電壓為180 V，相電流為18 A.

當C相負載發生短路時，A，B兩相的電壓為311.7 V，電流為31.2 A，已遠遠超過額定電壓和額定電流，過大的電壓、電流將損壞負載設備.具體故障分析見圖5.

圖5 C相負載短路故障分析

當C相負載發生開路時，A，B兩相的電壓為156.1 V，電流為 15.55 A，導致負載的電壓電流太小，系統不能正常運行，具體故障分析見圖6.

圖6 C相負載開路故障分析

在傳統實驗中，當電路出現開路、短路故障時，可能會使電壓電流過大燒壞元器件和儀器儀表，造成巨大損失，所以很難用實驗去模擬這些故障情況.而用EWB做仿真設計時，只需改變元器件的參數或電路結構就可以模擬出元器件出現故障時的情況，以便進行各種故障分析.

3 EWB仿真設計的優點

將運用EWB軟件進行的仿真實驗與傳統的電路實驗進行比較后，發現其具備如下優點.

(1)投資少 傳統的電路實驗室成本很高，配置50套電路實驗臺動輒上百萬元，而且只能完成有限的幾個實驗，使用周期一般5年左右.而仿真實驗可利用學校現成的計算機機房，只需要安裝相應的軟件就可以進行各種實驗，可大量節省硬件投資.

(2)維護方便 實驗過程中不消耗元器件，所需元器件的種類和數量不受限制，虛擬元器件和虛擬儀器不存在因使用不當而損壞的問題，可節約大量的后期維護成本，節省實驗室工作人員的精力.

(3)功能完善 實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可作各種電路實驗，一般的實驗室不可能有如此齊全的理想實驗條件.

(4)故障分析容易 在傳統實驗室的實驗中，出現開路、短路、漏電等故障將造成元器件的損耗和儀器的損壞.而運用EWB進行仿真實驗時，只需改變電路結構或元器件的參數就可模擬出各種故障對電路的影響，有助于學生學習故障診斷分析.

(5)綜合性強 可以設計出貼近實際的應用性、綜合性電路.在分析三相電路時，可以設計家庭電源系統、住宅房屋的接線圖，以及家庭單相3線的接線圖.這些設計能與工程電路實例聯系起來，有利于培養理論聯系實際的能力，加深對專業知識的理解和掌握，提高創新能力和綜合運用知識的能力.

4 結語

EWB作為一種全新的虛擬實驗環境，學生將免費試用版軟件安裝到自己的電腦上，不受時間和場地的限制.

由于虛擬儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，反復操練就可熟悉各種儀器儀表的功能，達到事半功倍的效果.電路計算機輔助設計是對課堂教學的擴展和延伸，是對傳統實驗教學的充實與改進，既克服了傳統教學過于抽象和枯燥，以及教學內容難以擴展的缺點，又彌補了傳統實驗環節的不足，特別適合于開發一些在實驗室無法完成的綜合性設計，可大大激發學生的主動性和創造性，為學生拓展課外科技活動或電子競賽打下了堅實的基礎.

［1］楊歡紅，楊爾濱，劉蓉暉.電路［M］.北京:中國電力出版社，2007:329-367.

［2］路而紅.虛擬電子實驗室——Electronics Workbench［M］.北京:人民郵電出版社，2001:49-77.

［3］張建宏.基于EWB的電路仿真實驗研究［J］.中國現代教育裝備，2009(15):94-96.

［4］朱偉興，馬長華，李鳳祥.以學生為本的電工電子學課程教學改革與實踐［J］.電氣電子教學學報，2010(s2):3-5.