基于M ultisim与Proteus的功率因数提高仿真研究∗

吴春林 吴凌燕 王守权

基于M ultisim与Proteus的功率因数提高仿真研究∗

吴春林 吴凌燕 王守权

（海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041）

论文采用Multisim与Proteus软件，以感性负载电路的功率因数提高为例，仿真了并联不同容量电容器对电路功率因数的影响。文中给出了两种软件仿真的过程和注意事项，并将仿真过程中获得的实验数据，用Excel进行绘图，以图形方式展示了不同容量的电容对电路功率因数的影响，彰显了软件仿真的直观性和在实验课程中的所能发挥的重要作用。

Multisim；Proteus；功率因数

AbstractThis paper used the Multisim and Proteus software to take the improving of the power factor for the inductive load circuit for example and simulate the influence of Parallel connection capacitance on power factor.This paper gived the process of two kinds of software simulation and precautions，and took the simulation data of the experimental process to draw form by Excel，graph⁃ically showed the influence of different capacity of capacitance in circuit power factor，the intuitiveness of software simulation and an important role in experiment course are demonstrated.

Key WordsMultisim，Proteus，power factor

Class NumberTP399

1 引言

软件Multisim、Proteus均为EDA工具软件。两者都可对数字电路、模拟电路及模拟和数字混合电路等进行仿真和设计。这两款软件都具有强大的电路分析功能：如电路的瞬态分析、稳态分析等，且都具有多种仿真仪器仪表工具：如万用表、瓦特表、逻辑分析仪等；且都具有从电路仿真到电路印制版图生成的功能，是产品的电子设计自动化的有益帮手［1～7］。

现以感性负载电路的功率因数提高为例，分别采用两款软件进行并联电容提高功率因数的仿真，选用软件自带的虚拟仪器功率表、交流电压、电流表及电压电流探针等，获取实验数据，并用Excel软件将数据绘制成图，总结并显示出并联不同容量电容对功率因数的影响。

2 感性负载电路功率因数提高的原理分析

在日常的生产生活当中，以感性负载居多，例如日光灯电路，发电机等。功率因数的提高，对于国计民生是有很大意义的，国家相关部门对此有严格规定，即对功率因数有相应的要求，低于某个数值要采取无功补偿，即功率因数的提高。功率因数的提高，可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支，提高电力资源的利用率。

纯阻性负载，理论上发电机容量会完全利用，因为 P=UI cosϕ中的cosϕ=1；即功率因数为1，电能完全利用，但是当负载为感性或容性时，cosϕ＜1，发电机容量就得不到充分利用，需进行功率因数的提高。

现以感性负载日光灯电路为例，该电路可等效为电阻与电感的串联，如图1实线部分。感性负载电路提高路功率因数的方法，一般是在该电路两端并联电容器，以补偿感性负载的无功功率，从而减少或消除感性负载与电源之间的能量交换。补偿电路如图1虚线部分所示。

补偿前后电路电压与电流的相量图如图2。未补偿时，有功功率P与无功功率Q之间的关系为：QL=UI sinφ1=P tanφ1，φ1为未并联电容器时端口总电压与干路电流IRL间夹角。由于无功功率为Q=QL+QC，此时 P、Q之间的关系为Q=P tanφ2，φ2为并电容后端口总电压与干路电流IZ间夹角。

图1

图2

3 采用M ultisim对电路进行仿真

现在通过Multisim软件，仿真采用并联电容器改变电路的功率因数。如图3所示，将感性负载电路采用电阻与电感的串联来示意。选取工具条中的瓦特表Wattmeter，注意表的正确连接，U与I的同名端要接到电源同一极性的端子上，电压线圈并在回路上，电流线圈串在回路中，电压电流的采集采用的探针［8］。

图3

4 采用对电路进行Proteus仿真电路

现在通过Proteus软件，同样采用并联电容器改变电路的功率因数。如图4所示，注意，Proteus软件只有8以上的版本才有瓦特表Wattmeter。电压和电流的选取可以选用交流电压表和交流电流表，注意Wattmeter表的正确连接，同样，电压线圈要并在回路上，电流线圈串在对应回路中。

图4

5 电路仿真数据的采集

通过两种软件，分别采用改变电容的容量，观察电路功率因数的变化情况，除了数据上略有差异，变化规律是一样的，现以Multisim软件的数据为准，进行电容容量与功率因数之间关系的研究，电压电流探针Probe获取，功率因数由Wattmeter获取，数据如下表1。

表1

从表中数据可以看出，并联电容，电路的有功功率不会改变，将电容容量与功率因数间关系数据用Excel绘成图，在Excel中插入平滑散点图，选取电容容量列作为横轴，功率因数作为纵轴，如下图5所示。从图中可以看出并联电容的大小对功率因数的影响，并不是电容容量越大越好，电容容量大于某个值后，功率因数反而下降，所谓过犹不及。

同样方法绘制电容容量与电路总电流间的关系，如下图6所示，从图中可以看出电源支路电流先随并联电容值的增大而减小，达到某一最小值之后，随电容值的增大而增大。

图5 电容容量与功率因数的关系

图6 电容容量与总电流大小的关系

6 结语

通过软件Multisim与Proteus软件对感性负载电路功率因数改变的仿真可以看出，两种软件存在异曲同工之妙，软件所带工具略有不同，但对电子电路的仿真都可以胜任。并通过大量实验数据的获取可以总结出：感性负载电路功率因数的提高，可以采取并联电容器的方法，但不是任意容量随便并联，容量过大或者过小对提高功率因数都没有帮助，需要一个合适的容量；且并联电容，只是进行了无功补偿，对有功功率没有影响。软件仿真，相当于一个庞大的虚拟实验室，让学生可以根据需求随时做实验，并迅速得出结论，大大提高了学习的效率和兴趣，在辅助教学方面有着很广阔的前景［9～10］。

［1］National Instruments Corporation.Multisim MCU Module User Guide［Z］.

［2］邱关源编.电路［M］.北京：高等教育出版社，2006.

QIU Guanyuan series.Circuit［M］.Beijing：Higher Educa⁃tion Press，2006.

［3］王冠华.Multisim 10电路设计及应用［M］.北京：国防工业出版社，2008.

WANG Guanhua.Multisim 10 circuit design and applica⁃tion［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2008.

［4］熊伟，侯传教等.Multisim7电路设计及仿真应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.

XIONG Wei，HOU Chuanjiao，et al.Multisim7 circuit de⁃sign and simulation application［M］.Beijing：Tsinghua University publishing house，2005.

［5］刘训非等.电子EDA技术（Multisim）［M］.北京：北京大学出版社，2011.

LIU Xunfei，et al.Electronic EDA Technology（Multisim）［M］.Beijing：Peking University Press，2011.

［6］郑步生.Multisim 2001电路设计及仿真入门与应用［M］.北京：电子工业出版社，2002.

ZHENG Busheng.The Multisim 2001 circuit design and Simulation of［M］.Beijing：introduction and application of the electronic industry press，2002.

［7］吴凌燕.基于multisim的功率因数提高研究［J］.国外电子测量技术，2013，01：57-60.

WU Lingyan.Study on the improvement of power factor based on［J］.Multisim Foreign Electronic Measurement Technology，2013，01：57-60.

［8］尹静.计算机仿真软件Multisim 10在电路设计中的应用［J］.科技信息，2009（15）：474-475.

YIN Jing.Application of computer simulation software Multisim 10 in circuit design［J］.Science and Technology Information，2009（15）：474-475.

［9］张力.基于Multisim软件的波形发生器设计［J］.电子测量技术，2008，07：171-174.

ZHANG Li.Waveform generator based on Multisim soft⁃ware design［J］.electronic measurement technology，2008，07：171-174.

［10］徐发强，胡健生，陈军，等.OTL音频功率放大器的Multisim仿真辅助的实验新方法［J］.国外电子测量技术，2008，27（2）：3-6.

XU Faqiang，HU Jiansheng，CHEN Jun，et al.A new ex⁃perimental method for OTL simulation of Multisim audio power amplifier［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2008，27（2）：3-6.

Research about Im provem ent of Power Factor Based on M ulitisim and Proteus

WU Chunlin WU Lingyan WANG Shouquan
（Qingdao Campus of NAEI，Qingdao 266041）

TP399

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.042

2017年3月12日，

2017年4月22日

吴春林，男，硕士研究生，讲师，研究方向：软件仿真。吴凌燕，女，硕士研究生，副教授，研究方向：单片机，智能仪表。王守权，男，硕士研究生，副教授，研究方向：虚拟仪器。