Proteus仿真軟件在三相交流電路教學中的應用探索

宮亞梅，陳興業，李洪達，王二化

（常州信息職業技術學院 智能裝備學院，江蘇常州，213164）

0 引言

三相交流電路作為工業企業及生產生活中廣泛應用的電路形式，非常有必要讓學生正確掌握它的工作原理和特征，因此在電工學課程體系中將該部分知識列為教學的重點內容。另一方面，從知識點的橫向比較來分析，三相交流電路相對于直流電路、單相交流電路而言，特征多而且復雜，理論更抽象、更晦澀，對于初學者而言理解起來相當困難，因此它也是教學中的難點。這部分知識如果老師僅僅是照本宣科理論講解，對于學生來講被動接受，難以做到理解深入，概念清晰，不利于知識的真正吸收。因此，為了彌補在教學過程中純理論學習的動力不足，效果不佳，迫切地需要尋求借助其他手段或資源，與理論教學二者相輔相成一起用于三相電路的重點和難點的實施，讓學生學起來不再枯燥、容易理解。目前，隨著教學改革的不斷深入，越來越多新的教學手段和模式用于課堂實施，并取得了很好的成效[1-3]。

1 仿真軟件引入教學改革的緣由

隨著科學技術的發展，許多計算機輔助分析與設計軟件應運而生，也逐漸成為輔助教學的重要手段[2,6～8]。在三相交流電路教學中引入仿真軟件，第一，考慮到三相交流電路的電壓高，危險性大，直接在實驗室演示或者操作難度比較大，而且不安全，應用軟件仿真，是安全、可靠的。第二，針對關鍵問題難理解，長時間聽不懂，學生容易失去聽課興趣，通過引入互動性強的仿真軟件，學生在整個學習過程中會保持較集中的注意力，提高學習的積極性。第三，軟件仿真過程中根據需要可以隨時調整電路參數、結構、設計方案，直觀、逼真的現象以及精確、誤差小的測量數據，幫助學生輕松熟悉三相電路的特征、加深電路理論的理解，提高學習效率。第四，因仿真軟件運行的實現只需要一臺電腦，不僅易于在課堂中實施，在課外學生也可以不受時間和空間限制多次重復課內的操作內容，還可以根據自己的思考嘗試重新設計新的電路來測試新功能和新要求，增加成就感，為學生的創新能力培養提供了便捷的平臺和手段[4～5]。

2 Proteus在三相交流電路中應用方案實施

在眾多仿真軟件中選擇Proteus，是因為它應用的廣泛性和綜合性，不僅可以繪制電路原理圖，還可以繪制PCB圖，而且可以加載程序進行軟硬件的聯調。借助Proteus仿真軟件輔助三相交流電路教學，考慮的關鍵問題是針對某一知識點如何設計恰當的電路完成特征顯示和數據測量，不僅通過仿真的結果幫助學生掌握基本概念和基本電路知識，而且通過測試電路的巧妙設計傳達給學生具備扎實電路設計技能的必要性，從理論和實踐兩方面讓學生明白學好本門課程的重要性。

下面從四個知識模塊來探討應用實施過程。

■2.1 三相交流電的波形特征

三相交流電是三個單相交流信號的組合，要想正確掌握其三個單相彼此特殊的關系，必須通過可視化的儀器觀察三相輸出的波形，從而根據波形去比對它們實際的聯系，因此，設計電路的思路就是把三相交流電產生的三路電信號送入示波器不同的通道同步顯示，這樣三路信號的大小關系、頻率關系、相位關系就會一目了然地呈現在示波器的屏幕上。具體的實施步驟如下：

首先，從軟件元器件庫中選擇組成測試電路的元器件：三相電源V3PHASE、接地GROUND、示波器OSCILLOSCOPE，搭建電路如圖1所示，三相電源的三根相線L1、L2、L3與示波器ABC通道分別相連，中線與接地相連；然后，雙擊三相電源，如圖2所示，將參數Amplitude mode選擇為Rms模式，其他均為默認值；最后，點擊仿真運行按鈕，測試電路開始工作，示波器窗口彈出，如圖3所示，調整D通道到OFF擋關閉顯示，調整ABC三通道縱向幅值以及橫向周期顯示的粗調和細調旋鈕，使得三路波形在屏幕上同步顯示1個周期完整波形。觀察三個單相波形：(a)三個波形縱向格子數均為相同的12格，右側ABC通道標尺顯示縱向每個格子均為50V，因此幅值相同；(b)三個波形橫向一個周期所占橫向格子數相同為20格，因此周期（或頻率）相同；(c)三個波形波峰相差6.6格，也就是一個周期的1/3（20/3格），即相位彼此相差120°。綜上所述，三個單相幅值相同、頻率相同、相位互差120°，這也就是三相交流電的特征。軟件仿真過程中波形顯示特征具體直觀，給學生留下深刻的印象，掌握起來輕松不抽象。

圖1 三相波形顯示電路

圖2 三相交流電源參數設置

圖3 三相波形示波器顯示

■2.2 三相交流電的輸出電壓測試

三相交流電最常用的是三相四線制的供電系統，有三根相線L1、L2、L3和一根中線N，這些電壓怎么用，輸出是多大，需要設計的電路是能夠用電壓表逐個測量顯示，并與我們常識中的市電220V和工業用電380V進行聯系，具體的實施步驟如下：

（1）相電壓的測試

首先，選擇組成測試電路的元器件：三相電源V3PHASE（參數設置同圖2）、接地GROUND、交流電壓表ACVOLTMETER和單刀三擲開關SW-ROT-3，搭建電路如圖4所示，單刀三擲開關的單刀端與電壓表一端相連，三擲端分別與三根相線相連，電壓表另一端與中線和接地連接，通過切換開關三擲端可以依次將電壓表連接在相線L1（或L2或L3）和中線之間，也就是測量三相交流電源的三個相電壓；接著，點擊仿真運行按鈕，如圖5所示，當開關撥到最上方，測量的是L1-中線之間的相電壓，此時電壓表測量值為220V，這也是目前所用市電的電壓值，依次向下切換開關可以測量L2-中線和L3-中線之間的電壓，操作和顯示與測試L1和中線方法相似，這里不再贅述。在軟件仿真過程中，電壓表顯示的相電壓數值會讓學生更容易接受及牢記，并了解了日常生活中一直所用的220V電源電壓的來源；開關從上往下依次切換連接到不同相線上的重復操作，讓學生清楚地看到每次切換其實就是測量不同相線和中線之間的相電壓，對相電壓概念的進一步掌握起到了重要的作用。同時，在該測試電路中添加了一個單刀三擲開關，達到了不重新調整電壓表的接線，只通過切換開關就可以一氣呵成完成三個相電壓的測量，讓學生真切地感受到了巧妙電路設計方法的重要性。

圖4 相電壓測量電路

圖5 相電壓測量值顯示

（2）線電壓的測試

首先，選擇組成測試電路的元器件：三相電源V3PHASE（參數設置同圖2）、接地GROUND、交流電壓表ACVOLTMETER和2個單刀三擲開關SW-ROT-3，搭建電路如圖6所示，2個單刀三擲開關一端分別與電壓表的兩個端口相連，另一端與三相電源的三根相線L1、L2和L3相連，如圖7所示，當下面一個開關撥到最下方與L1相連，上面一個開關撥到中間與L2相連，就可以實現電壓表測量的是L1-L2之間的電壓，切換2個開關連接狀態可以達到測量L2-L3或L3-L1之間的電壓，實際上也就是三相交流電源的三個線電壓；接著，點擊仿真運行按鈕，觀察交流電壓表的示數，測量值為381V，忽略測量誤差接近工業用電380V，依次改變切換開關的狀態，可以測量L2-L3（或L3-L1）的線電壓，操作和顯示與測量線電壓L1-L2方法相似，這里不再贅述。本測試方案中軟件仿真起到的作用與1）方案相電壓的測試相同，另外，該方案中巧妙地添加了2個單刀三擲開關，還在開關與三根相線L1、L2、L3走線上做了規劃，使得導線連接規范、清晰，達到在不改變任何接線的情況下，通過切換開關的狀態，一氣呵成地完成三個線電壓的測量，也讓學生明白了電路設計巧妙和規范的必要性。

圖6 線電壓測量電路

圖7 線電壓測量值顯示

■2.3 負載星型連接的電壓特征

三相電路負載的星型連接模式是三相異步電機常用工作方式之一，為了讓學生理解星型連接的定義和掌握該連接實操接線以及該模式下負載的工作情況，設計的測試電路中用三個獨立電阻代替電機的三相繞阻，并使用電壓表測量每相繞阻（即獨立電阻）的工作電壓，從而根據連接過程和電壓表的測試結果掌握星型連接負載的工作性能，具體操作步驟如下：

首先，選擇組成負載星型連接的元器件：三相電源V3PHASE（參數設置同圖2）、接地GROUND、電阻RES（默認10kΩ即可），搭建電路如圖8所示，三個電阻一端連接在一起，另一端分別與三相電源的三根相線相連，這種連接方式就是負載星（Y）型連接。接著，如圖9所示，在三個電阻并聯接上交流電壓表，用來測量每相負載的工作電壓，點擊仿真運行按鈕，觀察交流電壓表的示數，分別為219V、218V、220V，忽略測量誤差，均在220V左右，與圖5中測試的相電壓是相同的。通過軟件仿真，學生不僅掌握了負載星型連接時實際接線方式和過程，而且可以得出結論，當負載星型連接時，每相負載實際獲得的電壓就是供電系統中的相電壓，也初步了解了三相異步電機星型工作的性能。

圖8 星型負載連接電路

圖9 星型負載連接電阻的電壓測量

■2.4 負載三角型連接的電壓特征

三相電路負載的三角型連接模式也是三相異步電機常用工作方式之一，同樣為了讓學生理解三角型連接的定義和掌握實操接線過程以及該模式下負載的工作情況，設計的測試電路 也用三個獨立電阻代替電機的三相繞阻，并使用電壓表測量每相繞阻（即獨立電阻）的工作電壓，就可以掌握三角型連接負載的工作性能，具體操作步驟如下：

首先，選擇組成負載三角型連接的元器件：三相電源V3PHASE（參數設置同圖2）、接地GROUND、電阻RES（默認10kΩ即可），搭建電路如圖10所示，三個電阻首尾順序相連，然后將三個連接點分別與三相電源三根相線相連，這種連接方式就是負載三角型（△）連接。接著，如圖11所示，在三個電阻并聯接上交流電壓表，測量每相負載的工作電壓，點擊仿真運行按鈕，觀察交流電壓表的示數，分別為373V、378V、376V，忽略測量誤差，均為380V左右，與圖7中測試的線電壓是相同的。通過軟件仿真，學生不僅掌握了負載三角型連接時實際連接方式和過程，而且得出結論，當負載三角型連接時，每相負載實際獲得的電壓就是供電系統中的線電壓，也初步了解了三相異步電機三角型工作的性能。

圖10 三角型負載連接電路

圖11 三角型連接負載電阻的電壓測量

3 結論

近年來，源于生源的多樣化，為了取得較好的教學效果，在教學實施過程中更應該加大教學改革的力度，摒棄繁瑣的理論推導和計算，重點放在如何運用知識與實踐技能方面。目前，將Proteus仿真軟件引入到三相電路教學中，一些晦澀、難懂、抽象的知識點實時通過儀器儀表直觀地呈現，加深了學生對電路功能、電路特征的理解，教學效果得到提升。同時，通過Proteus仿真軟件虛擬操作，激發學生將理論知識和實踐操作相融合的學習興趣，培養了學生自主學習和探究學習的能力。當然，由于軟件是仿真，與實際情況還有一些差距，這就需要我們定位軟件是用來輔助教學的，合理應用軟件進行學習，電路測試，電路設計，才能有效通過軟件仿真這個橋梁，由理論到達實踐的彼岸。