Multisim仿真在感性負載功率因數改善實驗中的應用

張俊利 王曉燕

（西安建筑科技大學 陜西省西安市 710055）

電工電子技術是工科院校面向非電專業開設的課程，對于需要掌握現代化機械及自動化知識和技能的機械工程專業的學生而言，電工電子課程是一門必修的基礎課。在電工電子技術課程的實踐教學中，會遇到這么幾個問題：

（1）實驗臺數量有限而學生人數較多時，不能做到讓每位學生都能動手實踐操作，甚至會出現小組成員為此產生爭執的情況。

（2）基礎性實驗內容完成之后，往往還有學生意猶未盡，想要更多練習和驗證自己對電工理論知識的理解，但這與實驗室有限的開放時間、有限的實驗設備和有限的實驗元器件相矛盾。

（3）由于理論知識點較多，內容抽象、難懂，因此在實驗操作中，學生在不十分清楚理論的情況下貿然接線，存在一定的安全隱患。

在此基礎上，我們引入了不需要實物元器件就能操作完成實驗的Multisim 仿真軟件，讓學生隨時、隨地就能完成實驗、驗證結果，并激發學生更大的學習熱情和滿足大家的不同需求。

1 Multisim仿真軟件簡介

Multisim 是美國國家儀器(NI)公司推出的一款虛擬仿真軟件，它是基于SPICE 標準的電路仿真軟件，具有直觀化和圖像化的操作界面，含有豐富的虛擬元器件，操作安全，并能快速地顯示仿真數據和結果，適用于各種電路的仿真和設計工作[1]。

Multisim 提供了上千種元器件和各種電路測量儀器和儀表，如萬用表、示波器、信號發生器、頻譜儀等。各種儀器、儀表的控制面板和操作方式與實物相似，測量的數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣[2]。元器件與測量儀表不但種類較多，在使用時也無使用次數和數量的限制。

由于Multisim 操作簡便，學生經過簡單的學習后就可以進行基本操作，因此在高校電類課程教學中應用廣泛。

2 Multisim仿真軟件在電工電子實驗中的應用

下面以感性負載功率因數的改善這個傳統的電工電子實驗為例，說明Multisim 仿真軟件是如何在電工電子實驗中展開仿真教學的。

通常在實踐教學中，我們是先從原理開始分析的。

2.1 感性負載功率因數的改善理論

生產中，感性負載較為常見，如工頻爐、電焊變壓器等生產設備都是感性負載。感性負載由于其中含有電感元件，因此感性負載的端電壓與其中的電流二者之間有相位差φ，這個相位差的余弦值cosφ 就是感性負載的功率因數，其值在0～1 之間，φ 也稱為功率因數角。

感性負載接在交流電路中時，由于儲能元件電感需要無功功率，因此電源的能量不能完全轉換為有功功率，導致電路的功率因數cosφ 一般會比較低，通常在0.5 左右。功率因數低將主要造成這么兩個問題：

（1）線路中的損耗較大；

（2）電源由于需要提供電感所需要的無功功率，導致電源的利用率較低。

因此，通過在感性負載兩端并聯電容的方法來解決上面兩個問題，從而提高整個電路的功率因數[3]，電路如圖1所示。

圖1

一般將功率因數cosφ 提高到接近1 即可。并聯的補償電容的容量并不是越大越好，如果電容容量太大，會出現過補償現象，此時電路的功率因數可能不升反降，得不償失。

通過并聯電容改變電路功率因數的過程也可以通過相量圖更直觀的看出。從圖2(a)可知，功率因數角從補償前的φ1減小為φ，對應的功率因數從補償前的cosφ1提高到cosφ。圖2(b)中的補償電容容量較大，使得功率因數角從補償前的φ1變化為φ，而電路從感性變為容性了。比較圖2(a)和(b)可以看出，并聯的電容容量較大時，電路的功率因數不增反降，既沒有達到提高功率因數的目的，又需要更大容量的電容，反而增加了經濟成本。

圖2

2.2 通過Multisim仿真驗證功率因數改善的理論

在仿真實驗中，通過對感性負載分別并聯接入四組不同容量的電容進行功率因數的測量，進而比較出接入多大容量的電容較為合適，達到有效改善電路功率因數的目的。用Multisim 仿真軟件建立的電路如圖3所示。仿真電路中的XWM1 是功率表，可以直接從表中讀出電路的功率及功率因數。XMM1、XMM2、XMM3 都是萬用表，分別測量圖1 中對應的電流I、IL、IC。

圖3

按照下面給出的電容參數依次搭建仿真電路，電路如圖4所示。

圖4

（1）不接電容，即C=0；

（2）接入電容C=2.2μF；

（3）接入電容C=4.7μF；

（4）接入電容C=6.9μF；

測量的仿真數據如表1所示。

表1

從表1 中可見，當電容容量C=0 時，功率因數cosφ=0.504，此時電路的功率因數較低。當電容容量C=2.2μF 時，功率因數cosφ=0.775，與C=0 時的功率因數相比，功率因數得到了提高。當電容容量C=4.7μF 時，功率因數cosφ=0.98，此時電路的功率因數接近為1，說明這個電容的容量將該電路的功率因數補償的較高。而當電容容量繼續增大到C=6.9μF 時，功率因數cosφ=0.672，與C=4.7μF 時的功率因數相比，功率因數反而下降了，說明此時出現了過補償。

另外，從表中還可以看出，由于感性負載的參數沒有改變，因此電流IL、功率P 沒有變化；又由于萬用表所測的電流都是有效值，因此連接在同一結點處的三個電流I、IL和IC的有效值并不符合基爾霍夫電流定律。

這與線下實驗測量的數據基本一致，說明仿真結果如實的反映了真實的情況。

3 結束語

在電工電子實驗中引入Multisim 仿真技術，可以將抽象的教學內容以直觀的方式展現，加深學生對理論知識的理解，提高學生分析問題的能力。同時，仿真軟件的應用，彌補了實驗資源的不足，解決了實際操作中的安全風險性問題。