Proteus仿真软件在电路与磁路课程教学中的应用

蒲晓湘

(重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

电路与磁路课程是重庆电力高等专科学校电类专业的专业基础课，开设这门课程的目的是为后续的电子技术、电机学、电力系统等课程的学习打下坚实的基础。但由于本课程理论性强，传统的教学方式重在理论推导和演绎，课程内容不仅难懂，而且也很难激发学生的学习兴趣和热情，所以教学效果一直不理想。

在教学中引入电路仿真软件后，能让电路与磁路课程中晦涩的理论知识变得形象直观，既能提高学生的学习兴趣，又能加深学生对课程的理解，从而提高教学质量。另一方面，电路仿真软件丰富的功能和友好的界面，也可以激发学生探索知识的热情及对电路设计的开发和创新能力。

目前市面上有很多优秀的电路仿真软件，如Proteus，Muhisim，Protel，Tina，EWB，PSPice，MATLAB等，都具有电路设计与仿真的功能，各有所长。其中Proteus是英国Labcenterelectronic公司开发的一款著名的EDA工具软件，具有非常丰富的元件库、图表模式、虚拟仪器、仿真模型等资源，可以对电路进行交互式仿真，为教学提供了很大的方便。下面以Proteus为例，介绍Proteus 仿真软件在电路与磁路课程教学中的几个典型应用。

1 在叠加定理中的应用

1.1 知识点

叠加定理，即在线性电路中，当有多个电源共同作用时，任一瞬间、任一支路的电流或电压响应，恒等于各个电源单独作用时在该支路中所产生的电流或电压响应的代数和。叠加定理是线性电路中十分重要的定理，它是分析线性电路较常用的方法。

1.2 电路设计与仿真

从元件库中选用1个电压源，电压值设置为10 V；1个电流源，电流设置为5 A；3个电阻，阻值设置为10 Ω；2个转换开关以及电流探针。电路图及仿真结果如图1至图3所示。

图1 当电压源与电流源同时作用时

仿真结果分析如下：

1)当电压源与电流源同时作用时，仿真如图1所示，R6支路电流为I=-2.014 93 A；

2)当电压源单独作用时，仿真如图2所示，R6支路电流为I1=0.315 616 A；

3)当电流源单独作用时，仿真如图3所示，R6支路电流为I2=2.512 44 A。

根据上述结果，有I≈I1+I2，从而对叠加定理进行了验证。传统教学中，都只从理论上进行讲解和分析，学生理解起来很抽象。引入Proteus后，形象和直观的表述使学生更容易理解，学习效果更好。而且，Proteus电路中，各元件的参数是可调的，既简化了数学运算，又使抽象难懂的理论知识立刻变得形象生动。

2 在基尔霍夫定律中的应用

2.1 知识点

基尔霍夫电流定律，即任何一个瞬时，流入任何电路任一节点的各个支路电流的代数和为零。其数学表达式为

∑i=0

2.2 电路设计与仿真

在图1中，只需增加2个电流探针便可以验证KCL和KVL，如图4所示。

电路支路电流也可以用图表来直观显示，如图5所示。

图4 基尔霍夫电流定律验证电路图

图5 电路图4中各支路电流的图表表示

仿真结果分析如下：

1)图4中，I1=2.985 07 A，I2=5 A，I3=-2.014 93 A，满足I2+I3-I1=0，即流入任何电路任一节点的各个支路电流的代数和为零；

2)图5中sum曲线的表达式为I1+I2+I3=0，符合KCL，更直观，两种方式的对比，进一步加深了对KCL的内容理解。

3 在三相电路中的应用

3.1 对称三相电源的波形仿真

3.1.1 知识点

相比单相电路，无论是发电、输电、配电等方面，三相电路都具有明显优势，是目前我国电力系统中主要的供电方式。对于这一部分知识，学生对三相电源、线电压、相电压的理解，很容易混淆。利用Proteus仿真后，这一部分内容变得更加生动、形象。

对称三相电源：是指3个频率相同、振幅相同、相位彼此相差1200的正弦交流电源。

3.1.2 电路仿真

在元件库中，选用1个三相电机，虚拟仪器模式中选取示波器(也可以用图表模式)，搭建电路，如图6所示。调节各参数，对称三相电源的波形仿真如图7所示，图中黄绿红代表U，V，W三相的电压。

图6 三相电机与示波器的连接

3.2 负载的星形与三角形连接仿真

3.2.1 知识点

3.2.2 电路设计和仿真

元件库中选用三相电机、电阻、交流电压表和交流电流表，组建电路并仿真，如图8、图9所示。

图8 对称星形连接的三相负载中线电压与相电压的关系

仿真结果分析如下：

4 在过渡过程中的应用

4.1 意义

过渡过程是一个动态过程，比较抽象，学生难以理解，也一直是电路与磁路教学过程中的难点，但学习它是为电力系统暂态分析打下重要的基础。下面以一阶RC电路的零状态响应为例，说明如何利用Proteus软件辅助教学。

4.2 知识点

一阶RC电路的零状态响应是指换路前电容元件没有储存电能，即在uC(0+)=0的零状态下，由外加电源激励所产生的响应。一阶RC电路的零状态响应中，电容元件上的电压变化规律为

式中：uC(∞)是稳态值；τ=RC是时间常数。

4.3 电路设计与仿真

电路设计如图10所示，其中的电容C1选用动态电容，可以显示电荷量的变化。RC电路的零状态响应过程，实际上是电容充电的过程。电压探针C1显示的电容器上端到参考点的电位，也就是电容器两端的电压，其变化曲线如图11所示。可以调整电阻R4和电容C1的参数，改变时间常数τ的值，再观察电容电压的变化。

图10 一阶RC电路的零状态响应电路

图11 一阶RC电路的零状态响应中电容电压uc的变化规律仿真

从上面的仿真来看，一阶电路部分比起单纯的理论推导，仿真的结果更直接，更具有说服力，更能吸引学生的注意力。

5 结语

本文介绍了Proteus在电路与磁路课程中的几个典型应用，从应用仿真可以看出，电路与磁路课程教学中引入Proteus仿真软件，对于晦涩的理论教学更加生动形象，相比传统教学，更直观，更能激发学生的学习兴趣与激情。另一方面，仿真试验可以在实验室之外完成，拓展了时间和空间，弥补了实物实验元件不足、时间不足、工位不足、元件易损等诸多不足，两者相结合，必将大大推进电路与磁路课程的教学效果和质量。