基于M ultisim與Proteus的功率因數提高仿真研究?

吳春林 吳凌燕 王守權

基于M ultisim與Proteus的功率因數提高仿真研究?

吳春林 吳凌燕 王守權

（海軍航空工程學院青島校區 青島 266041）

論文采用Multisim與Proteus軟件，以感性負載電路的功率因數提高為例，仿真了并聯不同容量電容器對電路功率因數的影響。文中給出了兩種軟件仿真的過程和注意事項，并將仿真過程中獲得的實驗數據，用Excel進行繪圖，以圖形方式展示了不同容量的電容對電路功率因數的影響，彰顯了軟件仿真的直觀性和在實驗課程中的所能發揮的重要作用。

Multisim；Proteus；功率因數

AbstractThis paper used the Multisim and Proteus software to take the improving of the power factor for the inductive load circuit for example and simulate the influence of Parallel connection capacitance on power factor.This paper gived the process of two kinds of software simulation and precautions，and took the simulation data of the experimental process to draw form by Excel，graph?ically showed the influence of different capacity of capacitance in circuit power factor，the intuitiveness of software simulation and an important role in experiment course are demonstrated.

Key WordsMultisim，Proteus，power factor

Class NumberTP399

1 引言

軟件Multisim、Proteus均為EDA工具軟件。兩者都可對數字電路、模擬電路及模擬和數字混合電路等進行仿真和設計。這兩款軟件都具有強大的電路分析功能：如電路的瞬態分析、穩態分析等，且都具有多種仿真儀器儀表工具：如萬用表、瓦特表、邏輯分析儀等；且都具有從電路仿真到電路印制版圖生成的功能，是產品的電子設計自動化的有益幫手［1～7］。

現以感性負載電路的功率因數提高為例，分別采用兩款軟件進行并聯電容提高功率因數的仿真，選用軟件自帶的虛擬儀器功率表、交流電壓、電流表及電壓電流探針等，獲取實驗數據，并用Excel軟件將數據繪制成圖，總結并顯示出并聯不同容量電容對功率因數的影響。

2 感性負載電路功率因數提高的原理分析

在日常的生產生活當中，以感性負載居多，例如日光燈電路，發電機等。功率因數的提高，對于國計民生是有很大意義的，國家相關部門對此有嚴格規定，即對功率因數有相應的要求，低于某個數值要采取無功補償，即功率因數的提高。功率因數的提高，可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支，提高電力資源的利用率。

純阻性負載，理論上發電機容量會完全利用，因為 P=UI cos?中的cos?=1；即功率因數為1，電能完全利用，但是當負載為感性或容性時，cos?＜1，發電機容量就得不到充分利用，需進行功率因數的提高。

現以感性負載日光燈電路為例，該電路可等效為電阻與電感的串聯，如圖1實線部分。感性負載電路提高路功率因數的方法，一般是在該電路兩端并聯電容器，以補償感性負載的無功功率，從而減少或消除感性負載與電源之間的能量交換。補償電路如圖1虛線部分所示。

補償前后電路電壓與電流的相量圖如圖2。未補償時，有功功率P與無功功率Q之間的關系為：QL=UI sinφ1=P tanφ1，φ1為未并聯電容器時端口總電壓與干路電流IRL間夾角。由于無功功率為Q=QL+QC，此時 P、Q之間的關系為Q=P tanφ2，φ2為并電容后端口總電壓與干路電流IZ間夾角。

圖1

圖2

3 采用M ultisim對電路進行仿真

現在通過Multisim軟件，仿真采用并聯電容器改變電路的功率因數。如圖3所示，將感性負載電路采用電阻與電感的串聯來示意。選取工具條中的瓦特表Wattmeter，注意表的正確連接，U與I的同名端要接到電源同一極性的端子上，電壓線圈并在回路上，電流線圈串在回路中，電壓電流的采集采用的探針［8］。

圖3

4 采用對電路進行Proteus仿真電路

現在通過Proteus軟件，同樣采用并聯電容器改變電路的功率因數。如圖4所示，注意，Proteus軟件只有8以上的版本才有瓦特表Wattmeter。電壓和電流的選取可以選用交流電壓表和交流電流表，注意Wattmeter表的正確連接，同樣，電壓線圈要并在回路上，電流線圈串在對應回路中。

圖4

5 電路仿真數據的采集

通過兩種軟件，分別采用改變電容的容量，觀察電路功率因數的變化情況，除了數據上略有差異，變化規律是一樣的，現以Multisim軟件的數據為準，進行電容容量與功率因數之間關系的研究，電壓電流探針Probe獲取，功率因數由Wattmeter獲取，數據如下表1。

表1

從表中數據可以看出，并聯電容，電路的有功功率不會改變，將電容容量與功率因數間關系數據用Excel繪成圖，在Excel中插入平滑散點圖，選取電容容量列作為橫軸，功率因數作為縱軸，如下圖5所示。從圖中可以看出并聯電容的大小對功率因數的影響，并不是電容容量越大越好，電容容量大于某個值后，功率因數反而下降，所謂過猶不及。

同樣方法繪制電容容量與電路總電流間的關系，如下圖6所示，從圖中可以看出電源支路電流先隨并聯電容值的增大而減小，達到某一最小值之后，隨電容值的增大而增大。

圖5 電容容量與功率因數的關系

圖6 電容容量與總電流大小的關系

6 結語

通過軟件Multisim與Proteus軟件對感性負載電路功率因數改變的仿真可以看出，兩種軟件存在異曲同工之妙，軟件所帶工具略有不同，但對電子電路的仿真都可以勝任。并通過大量實驗數據的獲取可以總結出：感性負載電路功率因數的提高，可以采取并聯電容器的方法，但不是任意容量隨便并聯，容量過大或者過小對提高功率因數都沒有幫助，需要一個合適的容量；且并聯電容，只是進行了無功補償，對有功功率沒有影響。軟件仿真，相當于一個龐大的虛擬實驗室，讓學生可以根據需求隨時做實驗，并迅速得出結論，大大提高了學習的效率和興趣，在輔助教學方面有著很廣闊的前景［9～10］。

［1］National Instruments Corporation.Multisim MCU Module User Guide［Z］.

［2］邱關源編.電路［M］.北京：高等教育出版社，2006.

QIU Guanyuan series.Circuit［M］.Beijing：Higher Educa?tion Press，2006.

［3］王冠華.Multisim 10電路設計及應用［M］.北京：國防工業出版社，2008.

WANG Guanhua.Multisim 10 circuit design and applica?tion［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2008.

［4］熊偉，侯傳教等.Multisim7電路設計及仿真應用［M］.北京：清華大學出版社，2005.

XIONG Wei，HOU Chuanjiao，et al.Multisim7 circuit de?sign and simulation application［M］.Beijing：Tsinghua University publishing house，2005.

［5］劉訓非等.電子EDA技術（Multisim）［M］.北京：北京大學出版社，2011.

LIU Xunfei，et al.Electronic EDA Technology（Multisim）［M］.Beijing：Peking University Press，2011.

［6］鄭步生.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用［M］.北京：電子工業出版社，2002.

ZHENG Busheng.The Multisim 2001 circuit design and Simulation of［M］.Beijing：introduction and application of the electronic industry press，2002.

［7］吳凌燕.基于multisim的功率因數提高研究［J］.國外電子測量技術，2013，01：57-60.

WU Lingyan.Study on the improvement of power factor based on［J］.Multisim Foreign Electronic Measurement Technology，2013，01：57-60.

［8］尹靜.計算機仿真軟件Multisim 10在電路設計中的應用［J］.科技信息，2009（15）：474-475.

YIN Jing.Application of computer simulation software Multisim 10 in circuit design［J］.Science and Technology Information，2009（15）：474-475.

［9］張力.基于Multisim軟件的波形發生器設計［J］.電子測量技術，2008，07：171-174.

ZHANG Li.Waveform generator based on Multisim soft?ware design［J］.electronic measurement technology，2008，07：171-174.

［10］徐發強，胡健生，陳軍，等.OTL音頻功率放大器的Multisim仿真輔助的實驗新方法［J］.國外電子測量技術，2008，27（2）：3-6.

XU Faqiang，HU Jiansheng，CHEN Jun，et al.A new ex?perimental method for OTL simulation of Multisim audio power amplifier［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2008，27（2）：3-6.

Research about Im provem ent of Power Factor Based on M ulitisim and Proteus

WU Chunlin WU Lingyan WANG Shouquan
（Qingdao Campus of NAEI，Qingdao 266041）

TP399

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.042

2017年3月12日，

2017年4月22日

吳春林，男，碩士研究生，講師，研究方向：軟件仿真。吳凌燕，女，碩士研究生，副教授，研究方向：單片機，智能儀表。王守權，男，碩士研究生，副教授，研究方向：虛擬儀器。