Multisim仿真在感性负载功率因数改善实验中的应用

张俊利 王晓燕

（西安建筑科技大学 陕西省西安市 710055）

电工电子技术是工科院校面向非电专业开设的课程，对于需要掌握现代化机械及自动化知识和技能的机械工程专业的学生而言，电工电子课程是一门必修的基础课。在电工电子技术课程的实践教学中，会遇到这么几个问题：

（1）实验台数量有限而学生人数较多时，不能做到让每位学生都能动手实践操作，甚至会出现小组成员为此产生争执的情况。

（2）基础性实验内容完成之后，往往还有学生意犹未尽，想要更多练习和验证自己对电工理论知识的理解，但这与实验室有限的开放时间、有限的实验设备和有限的实验元器件相矛盾。

（3）由于理论知识点较多，内容抽象、难懂，因此在实验操作中，学生在不十分清楚理论的情况下贸然接线，存在一定的安全隐患。

在此基础上，我们引入了不需要实物元器件就能操作完成实验的Multisim 仿真软件，让学生随时、随地就能完成实验、验证结果，并激发学生更大的学习热情和满足大家的不同需求。

1 Multisim仿真软件简介

Multisim 是美国国家仪器(NI)公司推出的一款虚拟仿真软件，它是基于SPICE 标准的电路仿真软件，具有直观化和图像化的操作界面，含有丰富的虚拟元器件，操作安全，并能快速地显示仿真数据和结果，适用于各种电路的仿真和设计工作[1]。

Multisim 提供了上千种元器件和各种电路测量仪器和仪表，如万用表、示波器、信号发生器、频谱仪等。各种仪器、仪表的控制面板和操作方式与实物相似，测量的数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样[2]。元器件与测量仪表不但种类较多，在使用时也无使用次数和数量的限制。

由于Multisim 操作简便，学生经过简单的学习后就可以进行基本操作，因此在高校电类课程教学中应用广泛。

2 Multisim仿真软件在电工电子实验中的应用

下面以感性负载功率因数的改善这个传统的电工电子实验为例，说明Multisim 仿真软件是如何在电工电子实验中展开仿真教学的。

通常在实践教学中，我们是先从原理开始分析的。

2.1 感性负载功率因数的改善理论

生产中，感性负载较为常见，如工频炉、电焊变压器等生产设备都是感性负载。感性负载由于其中含有电感元件，因此感性负载的端电压与其中的电流二者之间有相位差φ，这个相位差的余弦值cosφ 就是感性负载的功率因数，其值在0～1 之间，φ 也称为功率因数角。

感性负载接在交流电路中时，由于储能元件电感需要无功功率，因此电源的能量不能完全转换为有功功率，导致电路的功率因数cosφ 一般会比较低，通常在0.5 左右。功率因数低将主要造成这么两个问题：

（1）线路中的损耗较大；

（2）电源由于需要提供电感所需要的无功功率，导致电源的利用率较低。

因此，通过在感性负载两端并联电容的方法来解决上面两个问题，从而提高整个电路的功率因数[3]，电路如图1所示。

图1

一般将功率因数cosφ 提高到接近1 即可。并联的补偿电容的容量并不是越大越好，如果电容容量太大，会出现过补偿现象，此时电路的功率因数可能不升反降，得不偿失。

通过并联电容改变电路功率因数的过程也可以通过相量图更直观的看出。从图2(a)可知，功率因数角从补偿前的φ1减小为φ，对应的功率因数从补偿前的cosφ1提高到cosφ。图2(b)中的补偿电容容量较大，使得功率因数角从补偿前的φ1变化为φ，而电路从感性变为容性了。比较图2(a)和(b)可以看出，并联的电容容量较大时，电路的功率因数不增反降，既没有达到提高功率因数的目的，又需要更大容量的电容，反而增加了经济成本。

图2

2.2 通过Multisim仿真验证功率因数改善的理论

在仿真实验中，通过对感性负载分别并联接入四组不同容量的电容进行功率因数的测量，进而比较出接入多大容量的电容较为合适，达到有效改善电路功率因数的目的。用Multisim 仿真软件建立的电路如图3所示。仿真电路中的XWM1 是功率表，可以直接从表中读出电路的功率及功率因数。XMM1、XMM2、XMM3 都是万用表，分别测量图1 中对应的电流I、IL、IC。

图3

按照下面给出的电容参数依次搭建仿真电路，电路如图4所示。

图4

（1）不接电容，即C=0；

（2）接入电容C=2.2μF；

（3）接入电容C=4.7μF；

（4）接入电容C=6.9μF；

测量的仿真数据如表1所示。

表1

从表1 中可见，当电容容量C=0 时，功率因数cosφ=0.504，此时电路的功率因数较低。当电容容量C=2.2μF 时，功率因数cosφ=0.775，与C=0 时的功率因数相比，功率因数得到了提高。当电容容量C=4.7μF 时，功率因数cosφ=0.98，此时电路的功率因数接近为1，说明这个电容的容量将该电路的功率因数补偿的较高。而当电容容量继续增大到C=6.9μF 时，功率因数cosφ=0.672，与C=4.7μF 时的功率因数相比，功率因数反而下降了，说明此时出现了过补偿。

另外，从表中还可以看出，由于感性负载的参数没有改变，因此电流IL、功率P 没有变化；又由于万用表所测的电流都是有效值，因此连接在同一结点处的三个电流I、IL和IC的有效值并不符合基尔霍夫电流定律。

这与线下实验测量的数据基本一致，说明仿真结果如实的反映了真实的情况。

3 结束语

在电工电子实验中引入Multisim 仿真技术，可以将抽象的教学内容以直观的方式展现，加深学生对理论知识的理解，提高学生分析问题的能力。同时，仿真软件的应用，弥补了实验资源的不足，解决了实际操作中的安全风险性问题。