Multisim仿真在电工学中的应用

陈媛媛

摘  要 在电工电子学课程的电工学部分引入Multisim仿真软件进行仿真实验，分别以直流电路部分的基尔霍夫定律验证实验、交流电路部分的RLC串联谐振电路的研究实验、电机和电气控制部分的三相电动机的直接起动控制电路仿真实验为例，说明Multisim仿真完全可以在电工学部分得到有效应用，帮助提高实验教学质量。

关键词 电工电子学;电工学;Multisim;实验教学;实验室;基尔霍夫定律;交流电路;RLC串联谐振电路

中图分类号：G642.4    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）15-0010-04

0  前言

电工电子学是针对工科非电类专业学生开设的一门技术基础课，课程包含电工技术和电子技术两大部分。其中，电工技术的主要内容有直流电路、交流电路、电机和电气控制，电子技术的主要内容有模拟电子技术和数字电子技术。在电工电子学课程中，实验是不可或缺的重要组成部分。Multisim仿真软件是美国NI公司推出的一款电子电路仿真软件，具有丰富的元器件库和强大的仿真能力，利用其进行仿真实验对实验教学是非常有效的辅助手段。Multisim仿真软件在电子技术中的应用非常广泛[1]，但在电工学中使用的例子还比较少。本文重点介绍在电工电子学课程的电工学部分引入Multisim仿真的一些应用实例，包括在直流電路、交流电路以及电机和电气控制部分使用Multisim进行仿真实验的范例。

1  Multisim仿真在直流电路中的应用实例：基尔霍夫定律验证

在直流电路部分，学生刚刚开始接触电路知识，对于电路分析的方法还不熟悉。利用Multisim仿真可以帮助学生尽快熟悉电路元件的性质，理解电路的基本理论和基本概念。进行一些电路仿真实验可以作为到实验室进行元件实物操作实验前的预备实验，对于学生深入理解实验内容会很有好处。而且做一些基础实验作为熟悉Multisim软件仿真的入手性实验也十分合适。学生初次学习Multisim软件仿真时最好在计算机机房中进行，一边操作软件，一边听教师进行统一讲解，实际效果比较好。在安装完成Multisim软件后，教师可指导学生打开软件界面，对软件工具栏的各项内容逐一进行讲解，特别是重点介绍元器件库和虚拟仪器仪表库中各种元器件和测量仪器的图形符号、功能，让学生对常用的电路元器件和测量仪器有一个感性认识。介绍完基本功能栏之后，可以让学生尝试搭建一个简单电路，比如直流电压源接负载电阻，讲解仿真电路的接线方法和规则;电路搭建完成后，再在电路中加入测量仪表如直流电压表，讲解仿真运行方法。通过这样的学习操作，学生对于Multisim软件的使用就有了初步的概念，之后可以自行在课外时间进一步摸索Multisim软件的使用。教师可以根据教学内容进度安排给学生布置Multisim仿真实验题目要求。

下面以基尔霍夫定律验证的设计性实验为例进行介绍。Multisim软件丰富的元件库可以提供各种参数的元器件，对设计性实验来说十分方便。基尔霍夫电流定律（KCL）指出：在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。基尔霍夫电压定律（KVL）指出：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。在理论课学习完基尔霍夫定律之后，就可以要求学生在Multisim仿真中搭建电路来验证定律。具体描述如下：

设计一个实验，验证基尔霍夫电流、电压定律。要求：测出电路中流入和流出某一结点的各支路电流，验证基尔霍夫电流定律的正确性;测出某一回路各部分的电压，验证基尔霍夫电压定律的正确性。

实验表格可由学生自拟。仿真电路范例如图1所示。学生在仿真后也可以将仿真测量值和电路的理论计算值与实验室中实物搭建电路的实测值进行对照比较。类似的直流电路的其他实验，如叠加原理、戴维宁定理的验证，都可以在实验室实验之前进行仿真预备实验，帮助学生加深对定律的理解，避免进入实验室之后出现实物电路连接的错误操作。

2  Multisim仿真在交流电路中的应用实例：RLC串联谐振电路研究

利用Multisim仿真不仅可以作为实验室中可以实现的实物实验的前置预习实验，而且可以利用Multisim软件丰富的虚拟仪器库做一些实验室中不具备条件的虚拟仿真实验，不必受到仪器资源有限的限制，也不用担心元器件损毁问题，十分方便。相比直流电路，学生对交流电路的概念理解更加困难，实验有助于学生加深对理论知识的印象，帮助其理解知识难点。下面以交流电路中RLC串联谐振电路的研究为例，说明Multisim仿真在交流电路中的应用。一般在实验室中很难有条件大量配备波特图仪供学生使用，仿真实验则有效地避免了这个问题。

谐振现象是交流电路中的一种特定工作状态。利用Multisim仿真可以对串联谐振电路的谐振条件和特点进行分析。RLC串联谐振电路的仿真电路如图2所示，通过仿真发现，当谐振频率为时，电路电流达到最大值。电容和电感上的电压大小相等，方向相反，互相抵消，电路发生串联谐振，表现出纯电阻性。

在电路中接入波特图仪（XBP）对电路的频率特性进行观测。RLC串联电路的幅频特性和相频特性分别如图3和图4所示。由于电阻上电压电流同相，当频率达到谐振频率时，电路中电流达到最大值，电阻上电压的幅值最大，幅频特性达到峰值。同样，当频率达到谐振频率时，电阻上电压就等于电源电压，故相角为0°。

若改变电路元件电阻R、电容C和电感L的参数，可以观测到电路谐振频率的变化，同时电路的频率曲线也会发生变化，品质因数Q随之改变。减小电阻R可以增大品质因数Q，提高电路选频特性。具体参数改变和波形图观测可自行完成。对交流电路部分的常规实验，如交流电路元件参数的测量、日光灯管电路功率因素的提高、三相电路等实验，同样可以进行相关的仿真实验作为实物实验的预习和扩展。

3  Multisim仿真在电机和电气控制中的应用实例：三相电动机的直接起动控制电路仿真

利用Multisim仿真可以進行三相电动机的基本控制电路仿真[2]，主要控制电器元件位于机电类元件库中。线圈KM所用电源为直流电，与实验室所用电源不同，但其工作原理和实验室所用的接触器是一样的。线圈通电，各触点动作;线圈断电，各触点恢复常态，因此可以用它来仿真实际接触器。

图5为三相电动机的直接起动控制电路仿真，控制电路可实现电动机的连续运行。电路包含主电路和控制电路两部分，其中控制电路由1 V直流电压源供电。仿真过程如下。

先合上隔离开关，再按下按钮SB2，接触器线圈KM通电，使受接触器线圈KM控制的主触点和辅助触点同时闭合。主回路电动机通电运行，三块电流表读数分别为104.951 A（A相上串联了热继电器FR发热元件）、108.676 A、108.676 A。

控制电路部分辅助触点的闭合使得SB2松开后控制电路仍然导通，实现自锁作用，故电动机可以维持连续运行。需要停止电动机时，按下按钮SB1，接触器线圈KM断电，主触点和辅助触点同时断开，电路回到初始状态。电动机运行过程中如果电流超过160 A，则热继电器FR起作用，FR触点断开，电路断电，实现过载保护。

如果想实现电动机的点动控制，只需要在节点20处去掉连接KM辅助触点的导线，使得辅助触点从控制回路中断开，失去自锁控制。点动控制的电动机控制电路仿真如图6所示。此时的仿真过程显示：按下按钮SB2，接触器线圈KM通电，主触点闭合，电动机运行;松开按钮SB2，接触器线圈KM断电，主触点断开，电动机停止。

对于电机部分的其他实验，如电机的正反转、顺序控制和时间控制等，同样可以利用Multisim仿真来实现，就不再一一举例详述。

4  结语

在以往的教学过程中，Multisim仿真软件多被用于电工电子学课程的电子技术部分，在电工技术部分使用较少，但实际上完全可以在电工技术部分就引入Multisim仿真。Multisim仿真实验既可以作为前置的预习实验，帮助学生熟悉实验设备和掌握实验原理，也可以作为进一步的拓展实验，进行深入的探究实验，解决部分实验设备短缺、操作安全风险大的问题。而通过电工技术部分对于Multisim仿真的使用，学生在电子技术部分运用Multisim软件时会更容易入手，使用更熟练。Multisim软件的使用范围非常广，文章难以赘述，还有待使用者慢慢挖掘体会。

参考文献

[1]付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011（4）：120-122，126.

[2]贺利.基于Multisim10的电动机控制电路仿真设计与分析[J].实验室研究与探索，2015（5）：79-82.