正弦信号激励下RL电路暂态过程的Multisim仿真实验分析

王艳梅

（渤海大学 信息科学与技术学院，辽宁 锦州121000）

正弦信号激励下RL电路暂态过程的Multisim仿真实验分析

王艳梅

（渤海大学 信息科学与技术学院，辽宁 锦州121000）

正弦信号激励下的RL一阶电路，正弦激励信号的初相位角和电路的阻抗角满足一定关系时其换路瞬间的暂态过程会出现过电流现象。由于硬件实验仪器的正弦信号发生器不能随意设置初相位角，无法对这种过电流现象进行实验验证。基于探索RL一阶电路过电流现象仿真实验技术的目的，用Multisim14软件对RL一阶电路的过电流现象进行了仿真实验验证，并给出实验原理和方法，结论是仿真实验可直观形象地描述暂态过程及过电流现象，有利于系统地研究电路元件参数的选择。

正弦激励信号；RL电路；暂态过程；过电流；Multisim

由电阻、电感构成的RL一阶电路，在换路时由于储能元件中的能量不能突变，电路的响应会出现暂态过程。正弦激励下的RL一阶电路，正弦激励信号的初相角和电路的阻抗角满足一定关系时其换路瞬间的暂态过程会出现过电流现象[1]。一些文献，对这种过电流现象仅从理论上进行了分析而缺少实验验证，原因是硬件实验仪器的正弦信号发生器不能随意设置初相位角，用Multisim软件仿真可解决上述问题。

仿真实验的目的，是给出正弦信号激励下RL一阶电路在换路瞬间的暂态过程中电感元件过电流现象的实验原理和方法。

以下分析用Multisim14版本，所述方法亦适于其他版本。

1 RL一阶Multisim仿真电路的构建及工作原理

在Multisim14软件[2-15]中构建的正弦信号激励RL一阶仿真电路如图1所示。其中，uS（t）为输入正弦激励信号，XSC1为双踪示波器，R为电阻元件，L为电感元件。uL（t）为电感两端电压，uR（t）为电阻两端电压，电感电流即RL串联回路的电流iL（t）为响应电流。

图1 RL一阶Multisim仿真测试电路

Multisim仿真测试电路的构建关键要点如下。

1）Multisim仿真测试电路没有设置换路开关，用Multisim仿真软件的仿真开始按钮Run或计算机键盘的F5按键替代换路开关，按下Run按钮或F5按键电路开始工作，相等于换路开关闭合。按下Multisim仿真软件的Stop按钮结束仿真。

2）信号电压源的选择

产生最大过电流时对正弦激励信号的初相角有要求，仿真实验电路中的信号电压源必须能设置初相角。

Multisim14软件虚拟仪器库中的函数信号发生器，输出产生正弦波时只能对工作频率、幅度和直流偏置等参数进行设置，不能设置初相角。因此，不能选用虚拟仪器库中的函数信号发生器。

Multisim14软件的元器件库（元器件工具栏）中的电源/信号源库的信号电压源为虚拟器件，可通过自身的属性对话框对其相关参数进行设置，由Voltage（RMS）设置有效值、Frequency（F）设置频率、Phase设置初相角。

3）电流量的测试

RL一阶电路中电感元件中的电流量即RL串联回路的电流量是过电流现象的主要测试电量，而显示仪器示波器只能显示和测量电压量，不能显示和测量电流量。因此，实验测试电流量iL（t）由暂态过程到稳态过程的变化情况只能通过电压量间接进行。RL一阶电路中，电阻R又是电流检测电阻，其两端电压的波形与电感中电流的波形形状相同，再用欧姆定律将电压量转换成电流量。考虑到示波器要求所测量的电压量必须是一端接地，因此，仿真实验测试电路中电阻R必须是一端接地。

4）显示仪器的选择

仿真测试时，需用波形显示的方式直观地反映电路由暂态到稳态的变化过程，需要同步显示的信号有输入正弦激励电压信号和电阻两端的电压，因此选用Multisim14软件虚拟仪器库中的双踪示波器、四踪示波器（用其中的2路）均可。图1中，双踪示波器XSC1用于观测正弦激励输入信号uS（t）、电阻两端电压uR（t）的波形。

2 正弦信号激励下RL一阶电路的完全响应及过电流现象

图1所示电路，设正弦激励信号为

其中：Usm为输入正弦激励信号的最大值；ω为角频率；为接通电源时的初相角，以按下仿真开始按钮Run或计算机键盘的F5按键作为t≥0仿真开始的时刻为电路换路时刻。

以电感电流iL（t）为变量，建立t≥0开关闭合电路微分方程，可求出在初始条件为iL（0）=0的条件下，由正弦稳态分量和暂态分量上相叠加的电路存在过电流现象的完全响应为[1]

其中，ILm为RL一阶电路稳态时电感电流的最大值，θ为RL一阶电路的阻抗角。

分析式（2），显然接通电源换路时若初相角为

电路的完全响应为

3 正弦信号激励下RL一阶电路完全响应的Multisim仿真实验分析

图1所示仿真实验电路的参数选取及理论计算结果如下。

电阻：R=100 Ω。电感：L=0.1 H。电路初始条件：iL（0）=0。

图2 时的仿真波形

图3 时的仿真波形

图2、图3中表明，换路后暂态过程中电路产生了过电流现象，经过约5个输入信号变化周期暂态过程结束；时正弦稳态分量叠加在负向暂态分量上，时，正弦稳态分量叠加在正向暂态分量上。

Multisim仿真测试的结果与理论分析相一致。

4 结束语

文中的讨论，可以清楚地全面了解正弦信号激励下RL一阶电路的完全响应情况，以及接通电源换路后在暂态过程中正弦信号初相角与过电流现象的关系。

RL一阶电路的过电流现象虽然时间很短暂，但在工程上却有着十分重要的意义，在实际工程中应引起足够的重视。

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[11]马敬敏．非对称式多谐振荡器的Multisim仿真[J]．电子设计工程，2014，22（9）:11-12．

[12]马敬敏．CMOS传输门工作特性的Multisim分析[J]．电子设计工程，2014，22（21）:8-10．

[13]马敬敏．多路竞赛抢答器电路的仿真设计[J]．电子设计工程，2015，23（6）:20-23．

[14]马敬敏．基于74LS161的扭环形计数器自启动设计[J]．吉林大学学报：信息科学版，2011，29（5）：477-480．

[15]马敬敏．基于集成移位寄存器的扭环形计数器自启动设计[J]．浙江大学学报：理学版，2013，40（1）：47-50．

Multisim simulation experiment analysis of transient process of RL circuit under sinusoidal excitation

WANG Yan-mei
（College of Information Science and Technology，Bohai University，Jinzhou 121000，China）

Sinusoidal excitation signal RL first order circuits，sinusoidal excitation circuit and the initial phase angle signal impedance angle satisfy certain relations，in transient circuit changing moment will appear over-current phenomenon.Since the hardware laboratory instruments sinusoidal signal generator can not arbitrarily set the initial phase angle，can not this over-current experimental verification. Objective To explore based on the first order RL over-current circuit simulation technology with Multisim14 software over-current RL first order circuits simulation experiments，and experiments are given principles and methods，concluded that the simulation can describe the visual image transient and over-current phenomenon is conducive to systematic study of the selection circuit element parameters.

sinusoidal excitation signal；RL circuit；transient process；over-current；Multisim

TN702

A

1674-6236（2017）09-0046-03

2016-04-01稿件编号：201604004

辽宁省教育厅一般项目（L2015007）

王艳梅（1972—），女，辽宁锦州人，副教授。研究方向：计算机应用技术。