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裂相电路的仿真研究

摘要：本文介绍了用Multisim7对裂相电路进行仿真，主要讨论了将单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源和将单相电流源分裂成相位差为120°的三相电源的两种情况。

关键词： 裂相电路 两相电源 三相电源

1. 引言：随着科学技术的高速发展，电工技术在许多领域扮演着越来越重要的角色。裂相技术作为一项较为简单的技术，在教学演示和实际生活中有着很大的实用价值。一些电工学教科书提到了R-C裂相电路，我在参考了一些资料后，对裂相电路进行了仿真研究，分别将单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源和相位差为120°的三相电源。在实验中，我通过仿真测量，记录多组负载的数据，绘制成图表，并进行了简单的分析，从而达到研究的目的。

2. 正文

（1） 实验材料与设备装置
裂成两相电源
一个单相交流电压源（220V/50HZ），两个阻值分别为30kΩ的电阻,两个电容均为0.106uF的电容,两台万用表，两台功率表，一台示波器，一些不同阻值的电阻，导线若干。
裂成三相电源
一个单相交流电压源（220V/50HZ），阻值为30kΩ和15kΩ的电阻各两个，电容为0.1225uF和0.3676uF的电容各一个，三台万用表，三台功率表，一台四相示波器，一些不同阻值的电阻，导线若干。
本实验的所有数据均为在Multisim7上仿真得出。
（2） 实验原理
因为电容元件两端的电压和通过它电流有90°的相位差，所以可以利用这个性质，将电容和电阻串联后作为电源，这样就能把单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源。同理可将单相交流电源分裂成相位差为120°的三相电源。
（3） 实验方法
本实验中，我采取了《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金 编著）中第144页，145页的方法。电路图与向量图如下。

裂成两相电源

电路图

d’
a
c
c’
U1
U2
V1
U1’
U2’

向量图

裂成三相电源

电路图

C
D
B
A
I3R3
I3
Uc3
Uc
Us
UA
I1
O
I2R2
Us
Uc2

向量图

（4） 实验过程及结果

裂成两相电源

1） 按照上图接好裂相电路后，在空载情况下用示波器观察裂相后两相电源输出的相位差，用万用表读出此时的各相电压。
2） 两相电源的每一相上分别接一个电阻，两电阻阻值相等。分别测量记录不同阻值时二相电源的电压和此时的负载功率，然后绘制电压——负载特性曲线和功率——负载特性曲线。
3） 两相电源的每一相上分别接一个电感，两电感值相等。分别测量记录不同电感值时两相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。
4） 两相电源的每一相上分别接一个电容，两电容值相等。分别测量记录不同电容值时两相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。

示波器观察电源输出的相位差

示波器图像
由图可见，裂相后的两电源输出的相位差为90°

各相电压值

负载1的电压 负载2的电压

不同阻值时二相电源的电压及负载功率

两负载的阻值均为R

负载为电阻时电压——负载特性曲线图

负载为电阻时功率——负载特性曲线

负载为电感时两相电源的电压

负载为电感时电压——负载特性曲线图

负载为电容时两相电源的电压

1uF—0.05uF

负载为电容时电压——负载特性曲线图

1uF—0.05uF

裂成三相电源

1） 按照上图接好裂相电路后，在空载情况下用示波器观察裂相后三相电源输出的相位差，用万用表读出此时的各相电压。
2） 三相电源的每一相上分别接一个电阻，三电阻阻值相等。分别测量记录不同阻值时三相电源的电压和此时的负载功率，然后绘制电压——负载特性曲线和功率——负载特性曲线。
3） 三相电源的每一相上分别接一个电感，三电感值相等。分别测量记录不同电感值时三相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。
4） 三相电源的每一相上分别接一个电容，三电容值相等。分别测量记录不同电容值时三相电源的电压，然后绘制电压——负载特性曲线。
负载为电阻时示波器观察电源输出的相位差

示波器图像
由图可见，裂相后的两电源输出的相位差为120°

各相电压值

负载1的电压 负载2的电压 负载3的电压

不同阻值时三相电源的电压及负载功率
三负载的阻值均为R

负载为电阻时电压——负载特性曲线图

负载为电阻时功率——负载特性曲线

负载为电感时三相电源的电压

负载为电感时电压——负载特性曲线图

负载为电容时三相电源的电压

1uF--0.01uF

负载为电容时电压——负载特性曲线图

1uF--0.01uF

（5） 实验结果讨论

裂成两相电源实验
1） 按文中所示电路图连接后，空载时电源的输出电压值与每相电源的相位差能达到要求。
2） 两相电源接入相同阻值的电阻性负载后，变换阻值的大小，获得的电压曲线和功率曲线基本重合，由功率曲线可知，接入适当大小的电阻时，功率可达到最大值，空载时功耗最小。
3） 负载为两相同电感值的电感，各相电压在电感取特定值时有最大值。
4） 负载为两相同电容值的电容，电容小于一定值时，各相电压基本平稳保持在空载电压值附近，大于该值后电压明显降低。

裂成三相电源实验
1） 按文中所示电路图连接后，空载时电源的输出电压值与每相电源的相位差能达到要求。
2） 三相电源接入相同阻值的电阻性负载后，变换阻值的大小，三相电压相差较大，这方面与裂两相电源实验明显不同。
3） 负载为感性和容性时，曲线的趋势与裂两相电源实验基本一致，但各相电压还是存在明显区别。

3. 结论
本实验的实验原理较简单，但我在实验过程中还是遇到了一些问题。经过思考，尝试，查阅书籍资料，终于克服了那些困难，完成了实验，并得到以下结论：
1） 裂相后电源接阻值相等的电阻性负载时，两端的电压和负载阻值具有相同的增减性。
2） 裂相后，各相电源空载时功耗最小。
3） 负载为感性时，负载电压随电感值先增后减，再趋于平稳。
4） 负载为容性时，负载电压随电容值先平稳再减小。
通过这次实验，我加深了对裂相技术的理解，熟悉了Multisim7的使用与操作，为以后的研究打下了基础。

4. 致谢
在此我衷心感谢教导和帮助我的老师和同学们。

5. 参考文献
《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金 编著 机械工业出版社 2007.8）
《电路》（黄锦安 主编 机械工业出版社 2007.8）