Multisim仿真在耦合電感教學(xué)中的應(yīng)用研究

童靜 周冬婉

摘要：本文介紹了含有耦合電感的傳統(tǒng)汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上建立其簡(jiǎn)化的電路模型，并針對(duì)模型進(jìn)行深入的理論分析和數(shù)值計(jì)算，由此更好地詮釋了汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作過(guò)程。針對(duì)電路模型設(shè)計(jì)了Multisim仿真電路，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：耦合電感；汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)；Multisim仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0176-02

“電路理論”課程中耦合電感一章是應(yīng)用背景較強(qiáng)的章節(jié)之一，其中汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)就是包含有耦合電感電路的一個(gè)應(yīng)用案例，學(xué)生在學(xué)習(xí)了相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)之后，若能靈活應(yīng)用并分析實(shí)例，將極大提升他們的理論水平和工程實(shí)踐能力。傳統(tǒng)的“電路理論”課程對(duì)于理論的講解比較多，概念抽象，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)起來(lái)有難度。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問(wèn)題[1]。通過(guò)在教學(xué)中引入Multisim仿真，將理論講授與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以讓電路分析簡(jiǎn)單化、形象化，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得良好的學(xué)習(xí)效果。

一、汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理

點(diǎn)火系統(tǒng)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重要的組成部分，它的作用是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻點(diǎn)燃被壓縮的油氣混合氣并使其燃燒。汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)自從問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展較快，種類(lèi)較多，但其基本原理是相似的。按發(fā)展過(guò)程來(lái)分，汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)主要有：傳統(tǒng)觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)、普通電子點(diǎn)火系統(tǒng)和微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)等三類(lèi)[2]。下面就以傳統(tǒng)觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)為例，介紹點(diǎn)火系統(tǒng)的組成和工作原理。

傳統(tǒng)汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)一般由蓄電池、點(diǎn)火鑰匙、點(diǎn)火觸點(diǎn)與冷凝器、點(diǎn)火線圈、配電器和火花塞組成，如圖1所示。

點(diǎn)火系統(tǒng)的目的就是為了產(chǎn)生一個(gè)火花，用以依次點(diǎn)燃引擎汽缸里的燃料空氣混合氣。未點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，初級(jí)線圈有12A初始電流流過(guò)；當(dāng)t=0時(shí)刻，汽車(chē)鑰匙點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火觸點(diǎn)打開(kāi)，12V蓄電池的電壓通過(guò)冷凝器連接點(diǎn)火線圈，會(huì)在次級(jí)產(chǎn)生2萬(wàn)伏到5萬(wàn)伏左右的高壓，這個(gè)高壓通過(guò)配電器在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻、按照恰當(dāng)?shù)捻樞蛩椭粮鱾€(gè)汽缸對(duì)應(yīng)的火花塞，火花塞的頂部有一個(gè)很小的缺口，尖端接地，因此加上高壓后會(huì)在這個(gè)缺口間產(chǎn)生電火花，以點(diǎn)燃汽缸中的燃料空氣混合氣。

二、電路模型的構(gòu)建和理論分析

根據(jù)汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理，可以得到它的簡(jiǎn)化的電路模型，如圖2所示。

其中，串聯(lián)的1歐姆的電阻用于分壓，防止觸點(diǎn)過(guò)度磨損。冷凝器由一個(gè)可以存儲(chǔ)少量電能的電容構(gòu)成，當(dāng)觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)兩端的電流會(huì)尋找一切可能的路徑越過(guò)觸點(diǎn)的缺口，如果不加電容，這個(gè)觸點(diǎn)會(huì)很快燒毀，為了避免這種情況，因而增加電容提供一條通路，使電流流過(guò)。

下面對(duì)該電路模型做理論分析。假定在初始時(shí)點(diǎn)火觸點(diǎn)一直閉合，在t=0時(shí)，觸點(diǎn)打開(kāi)，則初級(jí)線圈上的初始電流為12/1=12A。由于次級(jí)接的是火花塞，相當(dāng)于開(kāi)路，不會(huì)對(duì)初級(jí)產(chǎn)生影響，因此可以構(gòu)建電路的S域模型如圖3所示。

從表達(dá)式（3）可以看出，這是一個(gè)二階欠阻尼的振蕩響應(yīng)，次級(jí)升壓達(dá)到了約3萬(wàn)6千伏，這個(gè)高電壓足以在火花塞上產(chǎn)生電火花用以點(diǎn)火。

三、Multisim仿真分析

基于圖2汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路模型，我們構(gòu)建了Multisim仿真電路，如圖4所示。其中，點(diǎn)火線圈用互感模型來(lái)進(jìn)行模擬，示波器的兩個(gè)通道分別測(cè)量初級(jí)回路的電流和次級(jí)線圈上的電壓。

正如電路模型的理論分析，t=0時(shí)開(kāi)關(guān)S1由閉合到打開(kāi)，此時(shí)初級(jí)回路相當(dāng)于二階電路，產(chǎn)生的是一個(gè)欠阻尼振蕩響應(yīng)的電流，再通過(guò)互感線圈，能在次級(jí)線圈上產(chǎn)生一個(gè)振蕩衰減的高電壓，用于產(chǎn)生電火花，振蕩波形如圖5、圖6所示。

值得注意的是，運(yùn)行仿真程序的過(guò)程和電路模型的理論分析略有不同。在電路模型分析中，假定初始時(shí)點(diǎn)火觸點(diǎn)一直閉合，在t=0時(shí)，觸點(diǎn)打開(kāi)，通過(guò)計(jì)算得到初級(jí)線圈上的初始電流為12A。而在仿真過(guò)程中為了動(dòng)態(tài)地得到這個(gè)12A的初始電流，在t=0之前，首先讓開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)，然后閉合開(kāi)關(guān)S1，此時(shí)電容C1被開(kāi)關(guān)短路，電路相當(dāng)于一階電路，電壓源對(duì)初級(jí)線圈進(jìn)行充電，電流呈指數(shù)增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后可得到這個(gè)12A的初始電流。這個(gè)過(guò)程如圖5中t=0處左邊波形所示，而對(duì)應(yīng)的次級(jí)線圈上的電壓突變后呈指數(shù)減小，如圖6中t=0處左邊波形所示。從幅值可以看出，雖然電流和電壓有變化，但是次級(jí)并沒(méi)有產(chǎn)生高壓，即一階電路不能產(chǎn)生振蕩，無(wú)法通過(guò)互感線圈產(chǎn)生高電壓。只有隨后t=0時(shí)將開(kāi)關(guān)由閉合到打開(kāi)，初級(jí)回路變成二階電路，得到一個(gè)二階欠阻尼振蕩電流，方能在次級(jí)線圈上產(chǎn)生高電壓。

針對(duì)“電路理論”課程耦合電感一章設(shè)計(jì)一個(gè)仿真應(yīng)用案例。應(yīng)用案例以傳統(tǒng)汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理為基礎(chǔ)，構(gòu)建了其簡(jiǎn)化的電路模型，然后對(duì)電路模型進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，最后給出電路的Multisim仿真波形。通過(guò)應(yīng)用案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以從實(shí)際應(yīng)用、理論分析和電路仿真三個(gè)角度深入理解汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)一步理解含有耦合電感電路的分析和計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，李新科.基于Multisim的電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，（05）：59-62.

[2]任慶平，李恒賓.汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)仿真分析[J].青海交通科技，2012，（01）：66-68.