第4章Proteus在電路基礎(chǔ)中的應(yīng)用4.1疊加定理的仿真分析4.2戴維南定理的仿真分析4.3三相電路的仿真分析4.4電路過渡過程的仿真分析本章小結(jié)

本章介紹電路基礎(chǔ)中主要電路的仿真分析。

本章內(nèi)容共分四節(jié)，分別討論了疊加定理的仿真分析、戴維南等效電路的仿真分析、三相電路的仿真分析和電路過渡過程的仿真分析。

通過本章的學(xué)習(xí)，讀者可較快掌握用Proteus仿真分析電路基礎(chǔ)中分析電路的一般方法和步驟。內(nèi)容提要圖4-1疊加定理原理電路

疊加定理是電路中的重要定理，可用Proteus進行仿真驗證。疊加定理是指在線性電路中，電路的響應(yīng)是電路中各獨立源單獨作用引起的響應(yīng)的代數(shù)和。

例如：電路如圖4-1所示，試用疊加定理求電壓U。4.1疊加定理的仿真分析分析步驟：

(1)創(chuàng)建仿真電路。在ProteusISIS環(huán)境中，單擊元器件選擇按鈕“P”，彈出PickDevices對話框，如圖4-2所示。在Keywords文本框輸入“source”，則可選擇電壓源、受控源等電源類器件。圖4-2PickDevices對話框

表4-1疊加定理仿真電路元器件列表圖4-3疊加定理仿真電路圖4-3的電路中有兩個獨立源同時作用于電路，分別是直流電壓源V1、直流電流源I1，用直流電壓表測得U

=

19.6V。

(2)讓電源V1單獨作用，電流源I1開路處理，測得電壓的第一個分量U(1)

=-6V，如圖4-4所示。圖4-4電壓源V1單獨作用于電路

(3)讓電流源I1單獨作用，電壓源V1短路處理，測得電壓的第二個分量U(2)

=

25.6V，如圖4-5所示。

(4)疊加：U

=U(1)

+U(2)

=

19.6V，該結(jié)果驗證了疊加定理。圖4-5電流源I1單獨作用于電路

在電路分析中，戴維南定理是非常重要的。利用該定理可將含源一端口等效為開路電壓與等效電阻的串聯(lián)，從而簡化電路分析。

例如：含源一端口原理電路如圖4-6所示。試求該含源一端口的戴維南等效電路。4.2戴維南定理的仿真分析圖4-6含源一端口原理電路

(1)創(chuàng)建仿真電路。在元器件庫中選擇電壓源、電阻等，含源一端口仿真電路(測開路電壓)如圖4-7所示。

(2)測量一端口開路電壓。在一端口接直流電壓表，運行仿真后，測得開路電壓UOC

=

0.8V，如圖4-7所示。

(3)測量一端口短路電流。在一端口接直流電流表，運行仿真后，測得短路電流ISC

=

0.09A，其仿真電路如圖4-8所示。

(4)計算等效電阻。等效電阻Req=UOC/ISC=8.89Ω。則圖4-6所示一端口電路的戴維南等效電路為開路電壓UOC(0.8V)和等效電阻Req(8.89Ω)的串聯(lián)。圖4-7含源一端口仿真電路(測開路電壓)

圖4-8含源一端口仿真電路(測短路電流)

三相電路是指三相電源和三相負載構(gòu)成的電路，包括對稱三相電路和不對稱三相電路。4.3三相電路的仿真分析4.3.1三相電路的電壓測量

1)創(chuàng)建電路

選擇三相電源(50Hz，220V)(選擇三相電源的過程如圖4-2所示)、電阻等創(chuàng)建對稱三相電路(Y-Y接法)，如圖4-9所示。圖4-9對稱三相電路(Y-Y接法)

2)負載端電壓測量

(1)添加電壓探針。添加電壓探針R1(2)、R3(2)、R5(2)，如圖4-9所示。

(2)選擇模擬分析圖表。單擊圖表分析模式按鈕“

”，在對象選擇器中選擇“ANALOGUE”選項，用鼠標(biāo)在電路編輯區(qū)拖拽出模擬分析圖表，如圖4-10所示。同時，將電壓變量R1(2)、R3(2)、R5(2)拖入圖表中。圖4-10模擬分析圖表

(3)設(shè)置分析時間。單擊分析圖表，彈出圖表編輯對話框，如圖4-11所示。將“Stoptime：”設(shè)置為60ms。

(4)模擬分析(電壓測量)。選擇菜單命令Graph/SimulateGraph，得到三相負載電壓波形，如圖4-12所示。

說明：三相負載電壓波形也可用示波器來測量。圖4-11圖表編輯對話框圖4-12三相負載電壓波形4.3.2三相電路的功率測量

若為對稱三相電路，則其功率測量較簡單，只要測出一相負載功率，就很容易得到三相負載的功率。若為不對稱三相電路，則需分別測量三相負載的功率。本處以不對稱三相電路為例，說明三相電路的功率測量方法。

創(chuàng)建不對稱三相電路，如圖4-13所示。線路阻抗為500Ω，三相負載分別為1kΩ、2kΩ、5kΩ。選用交流電壓表分別測量負載R2、R4、R6的兩端電壓，測量結(jié)果為有效值。圖4-13不對稱三相電路如圖4-13所示，負載R2兩端電壓的有效值為142V；同理，R4兩端電壓的有效值為171V，R6兩端電壓的有效值為200V。經(jīng)換算得到，負載R2吸收的有功功率為20.16W，負載R4吸收的有功功率為14.62W，負載R6吸收的有功功率為8W，則三相負載吸收的功率為42.78W。

說明：因Proteus仿真軟件未提供瓦特表，故可用電壓表測量負載電壓(或用電流表測量負載電流)，再換算為功率。

當(dāng)電路中含有動態(tài)元件電容或電感且電路發(fā)生換路(電路結(jié)構(gòu)改變或元件參數(shù)發(fā)生變化)時，則電路出現(xiàn)過渡過程。本節(jié)以二階電路為例，分析電路的過渡過程，即電容或電感的充放電過程。

在ProteusISIS中，用示波器可方便地觀測動態(tài)元件兩端的電壓變化。4.4電路過渡過程的仿真分析

1)創(chuàng)建電路

在元器件庫中選擇元器件，如表4-2所示。創(chuàng)建二階電路，如圖4-14所示。

表4-2二階電路元器件列表

圖4-14二階電路

2)仿真過程

用鼠標(biāo)單擊開關(guān)SW1上的小箭頭，首先將開關(guān)切換至左觸點，讓電容C1充電，獲得初始儲能；再將開關(guān)切換至右觸點，讓電容在右邊回路中放電，放電過程可用示波器測量。

3)二階電路的三種過渡狀態(tài)

(1)取R1

=

5kΩ，

，放電過程為過阻尼的

非振蕩放電，波形如圖4-15所示。圖4-15二階電路的過阻尼非振蕩放電波形

(2)取R1

=

2kΩ，

，放電過程為臨

界阻尼的非振蕩放電，波形如圖4-16所示。

(3)取R1

=

1kΩ， ，放電過程為欠

阻尼的振蕩放電，波形如圖4-17所示。

(4)取R1

=

0，則放電過程為等幅振蕩過程，其波形如圖4-18所示。圖4-16二階電路的臨界阻尼非振蕩放電波形圖4-17二階電路的欠阻尼振蕩放電波形圖4-18R1=0時的等幅振蕩波形

Proteus中提供的虛擬儀器和分析方法適合于電路基礎(chǔ)中各種電路的仿真分析。

本章以電路基礎(chǔ)中典型的定律、定理和電路為例，并選擇合適的仿真分析方法進行仿真，有一定的代表性并起到拋磚引玉的作用，力求使讀者受到啟發(fā)。本