曾禮光 黃鶯

【摘 要】以Multisim仿真軟件為平臺(tái)，以車間變電所為基本模型，以功率因數(shù)測(cè)試及無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容為主線，通過(guò)仿真元件的創(chuàng)建、電路模型的設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試，完成在虛擬的環(huán)境下代替真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，開(kāi)創(chuàng)了Multisim在強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

【關(guān)鍵詞】Multisim 供配電技術(shù) 課程教學(xué) 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）03C-0179-03

一、傳統(tǒng)式的教學(xué)方法及效果分析

傳統(tǒng)式的教學(xué)方法，一般采用以下基本程序：復(fù)習(xí)舊課—激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)—講授新課—鞏固練習(xí)—檢查評(píng)價(jià)—間隔性復(fù)習(xí)。這種以教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法，其教學(xué)效果受到很多因素的制約，一是教師的專業(yè)技術(shù)水平，二是教師的語(yǔ)言表達(dá)能力，三是授課對(duì)象注意力的集中程度。而在上述三種因素中，最不穩(wěn)定的是授課對(duì)象的注意力，不僅控制難度大，而且對(duì)教學(xué)效果也是最具“破壞力”的因素，尤其在信息化快速發(fā)展的今天，人們獲取知識(shí)的途徑已經(jīng)顯現(xiàn)多樣化，過(guò)去那種“跟著老師在課堂上學(xué)”的教學(xué)方法也將受到前所未有的沖擊。面對(duì)自我意識(shí)更強(qiáng)的授課對(duì)象群，在知識(shí)的傳授過(guò)程中，如果還把學(xué)生當(dāng)做被動(dòng)的接受者，結(jié)果只會(huì)增加學(xué)生的逆反心理，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

供配電技術(shù)是一門融理論性、工程性和實(shí)踐性于一體的專業(yè)技術(shù)課程，該課程主要面向的職業(yè)崗位群有三大類：一是變電所（站）值班員與維護(hù)員、供配電設(shè)備檢修員與設(shè)備管理員；二是建筑配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)員與安裝員；三是供配電設(shè)備制造所需要的工藝員、檢查員、維護(hù)員、調(diào)試員等。按崗位目標(biāo)的要求和教學(xué)的目的，不僅要使學(xué)生明白“為什么”，而且要教會(huì)學(xué)生“怎么做”，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體。然而，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)教學(xué)目標(biāo)，僅有好的師資隊(duì)伍是不夠的，還需要相對(duì)完善的實(shí)訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)來(lái)支撐。

任何事物的發(fā)展都要經(jīng)歷一個(gè)逐漸成長(zhǎng)的過(guò)程，實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)也不例外，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的情況下，如何才能最大程度地提高教學(xué)質(zhì)量？引入現(xiàn)代教育技術(shù)輔助教學(xué)，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

二、Multisim強(qiáng)電仿真功能的開(kāi)發(fā)

Multisim是一款電子應(yīng)用仿真軟件，它具有強(qiáng)大的元件庫(kù)功能，通過(guò)對(duì)其中機(jī)電元件庫(kù)功能的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了Multisim在強(qiáng)電環(huán)境下的仿真應(yīng)用。下面以“功率因數(shù)測(cè)試與無(wú)功功率補(bǔ)償”為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，介紹具體電路的設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)行的方法。

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)

1.變電所類型的選擇。電力系統(tǒng)主要由發(fā)電廠、變電所、輸電線路和用電設(shè)備等四大要素構(gòu)成，從變電所的配置上看，車間變電所位于系統(tǒng)的末級(jí)，是所有用電設(shè)備與電網(wǎng)連接的橋梁，其數(shù)量最多，接觸面最廣。因此，在設(shè)計(jì)“功率因數(shù)測(cè)試與無(wú)功功率補(bǔ)償”仿真電路模型時(shí)，選擇了車間變電所作為基本模型。車間變電所的基本結(jié)構(gòu)由10KV電源進(jìn)線、10KV高壓斷路器、三相變壓器、低壓斷路器、用戶設(shè)備與電容補(bǔ)償裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 車間變電所電氣系統(tǒng)圖

2.中性點(diǎn)運(yùn)行方式。車間變電所輸入電壓為10KV，而輸出電壓為220/380V，為滿足給三相和單相負(fù)荷供電的要求，采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，輸出模式為典型的“三相四線制”，即三個(gè)相線和一個(gè)中性線，也稱為N線或PN線。

3.主要技術(shù)指標(biāo)。（1）變電所受電電壓，即配電電壓為10KV。（2）變電所饋出電壓，即輸出電壓為220/380V。（3）變壓器采用10/0.4KV三相變壓器，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Dyn0。（4）負(fù)載配置：三相異步電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，單相照明設(shè)備3組，額定功率3×1000W，分別接于三相四線制的U、V、W相上，未接補(bǔ)償電容器時(shí)系統(tǒng)總的功率為117KW。（5）補(bǔ)償前系統(tǒng)高壓側(cè)的功率因數(shù)為0.817，補(bǔ)償后高壓側(cè)的功率因數(shù)≥0.9。（6）無(wú)功功率補(bǔ)償選擇并聯(lián)電容器法，電容器的采用△連接，補(bǔ)償裝置的接入點(diǎn)為變壓器低壓母線。

（二）仿真電路的設(shè)計(jì)

仿真軟件的版本為Multisim9，設(shè)計(jì)內(nèi)容：車間變電所“功率因數(shù)測(cè)試與無(wú)功功率補(bǔ)償”電路。設(shè)計(jì)的步驟如下：

1.仿真元件的創(chuàng)建與選擇。從仿真元件庫(kù)中選擇元件，是Multisim仿真電路設(shè)計(jì)的第一步，只有選擇與供配電系統(tǒng)相匹配的仿真元件，才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真功能。

（1）三相變壓器的創(chuàng)建。車間變電所電氣主接線圖仿真電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵的問(wèn)題是解決三相變壓器元件的創(chuàng)建及參數(shù)的設(shè)置，因?yàn)樵贛ultisim9現(xiàn)有的元件庫(kù)中無(wú)法找到符合車間變電所需要的電力變壓器的元件模型，本設(shè)計(jì)方案利用元件庫(kù)里現(xiàn)有的虛擬變壓器進(jìn)行組裝。具體做法是：將3個(gè)變壓器的一次繞組6個(gè)接頭按照頭尾相接（注意變壓器的同名端）的原則接成△，再?gòu)娜切蔚?個(gè)頂點(diǎn)各引出一根線，分別與三相交流電源的三個(gè)相線相接；將3個(gè)變壓器的二次繞組的6個(gè)接頭接成星形，即將3個(gè)變壓器的二次繞組的3個(gè)異名端連接在一起，并直接與地相連接，作為車間供配電系統(tǒng)的N線，變壓器另外3個(gè)同名端各引出一根線作為車間供配電系統(tǒng)3個(gè)相線U、V、W。仿真模型如圖2所示。

圖2 三相變壓器仿真模型

（2）10KV三相交流電源及其它元件的選擇。10KV三相交流電源，可直接從電源庫(kù)中選擇，方法是在元件工具欄里找到電源庫(kù)的圖標(biāo)，雙擊打開(kāi)該元件庫(kù)，選擇信號(hào)電壓源即可，如圖2的V1所示。其余電路元件可從Multisim9相應(yīng)的元件庫(kù)中查找。

2.元件參數(shù)的設(shè)置。對(duì)于車間變電所“功率因數(shù)測(cè)試及無(wú)功功率補(bǔ)償”的仿真電路來(lái)說(shuō)，對(duì)仿真運(yùn)行影響較大的元器件是三相變壓器和10KV交流電源，參數(shù)設(shè)置方法如下：

（1）三相變壓器的參數(shù)設(shè)置。本設(shè)計(jì)所選擇的變壓器，是由元件庫(kù)里虛擬的單相變壓器組裝而成，其特點(diǎn)是各相磁路獨(dú)立，因此，對(duì)每個(gè)單相變壓器的參數(shù)設(shè)置要完全相同。首先，確定變壓器的變壓比。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB156-1993《電壓標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，車間變電所高壓側(cè)的額定電壓10KV，低壓側(cè)的額定電壓220/380V，因此，其變壓比為：

（1）

如果變壓器的二次繞組為100匝，那么其一次繞組的匝數(shù)為：

（匝） （2）

其次，確定變壓器初次繞組的電阻。以一個(gè)100KV.A的全密封式三相變壓器為例，其型號(hào)：S9-M-100/10。主要性能參數(shù)：空載損耗0.29KW、短路損耗1.5KW、空載電流1.6%、阻抗電壓4%，由此可推算變電壓器的勵(lì)磁電阻Rm：

（3）

“變壓器在空載時(shí)，”，因此，該變壓器一次繞組的直流電阻約為20Ω左右。仿真試驗(yàn)時(shí)，該電阻值可在20～60Ω的范圍內(nèi)選擇，具體數(shù)值需要根據(jù)負(fù)荷的大小而定。而變壓器二次繞組的直流電阻一般均小于1Ω，具體數(shù)值的選擇也需視負(fù)荷的大小而定。值得注意的是，3個(gè)單相變壓器的參數(shù)設(shè)置要相同，設(shè)置的參數(shù)包括：初級(jí)匝數(shù)、初級(jí)電阻、次級(jí)匝數(shù)、次級(jí)電阻，其它參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

（2）10KV交流電源的參數(shù)設(shè)置。Multisim9元件庫(kù)所提供的交流信號(hào)源，其有效值為相電壓值，而車間變電所高壓側(cè)10KV的輸入電壓為線電壓，因此，該交流信號(hào)源的電壓為：

（4）

因此對(duì)信號(hào)源參數(shù)設(shè)置為： “Voltage”為5774V、“Frequency”為50Hz。

3.仿真電路的連接。完成元件查找后，可按車間變電所電氣主接線圖的連接關(guān)系，合理調(diào)整元件的布局，并將電路接通，如圖3所示。

圖3 車間變電所“功率因數(shù)測(cè)試及無(wú)功功率補(bǔ)償”仿真電路圖

（三）仿真運(yùn)行

1.補(bǔ)償電容器組接入前的仿真運(yùn)行。車間變電所“功率因數(shù)測(cè)試及無(wú)功功率補(bǔ)償”仿真電路圖如圖3所示。仿真運(yùn)行時(shí)，先閉合出線斷路器S2，后合高壓斷路器S1，此時(shí)，照明燈X1、X2、X3被點(diǎn)亮，各電壓、電流表相繼顯示各線路的額定電壓及負(fù)載電流值。雙擊圖3所示的功率表XWM1，如圖4所示。表中顯示的數(shù)據(jù)即為系統(tǒng)的有功功率和功率因數(shù)。

圖4 無(wú)補(bǔ)償?shù)墓β屎凸β室驍?shù)

2.系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償量的計(jì)算。從圖4所示的測(cè)試結(jié)果可知，未接入電容補(bǔ)償裝置前功率因數(shù)只有0.817，不符合我國(guó)電業(yè)部門規(guī)定的≥0.9的要求，因此，需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆椒ú捎迷诘蛪耗妇€并接電容器的方法。

（1）無(wú)功功率補(bǔ)償量的計(jì)算。無(wú)功功率補(bǔ)償量用Qc表示，考慮到變壓器的無(wú)功功率的損耗遠(yuǎn)大于有功功率的損耗，因此，在變壓器低壓側(cè)補(bǔ)償時(shí)，低壓補(bǔ)償后功率因數(shù)應(yīng)略高于0.9，本設(shè)計(jì)方案按0.95計(jì)算。

（5）

取整數(shù)。

（2）需接入并聯(lián)電容量的計(jì)算。并聯(lián)補(bǔ)償電容器采用△形連接，并聯(lián)電容器的裝設(shè)位置采用了低壓集中補(bǔ)償?shù)姆绞?，C=1μF時(shí)，其三相無(wú)功功率補(bǔ)償量為：

（6）

那么單相無(wú)功功率補(bǔ)償量為（電容器C=1μF時(shí)）：

（7）

需要并聯(lián)電容器的總?cè)萘浚?/p>

（8）

（3）補(bǔ)償電容器的個(gè)數(shù)及分組。補(bǔ)償電容器采用△連接，若每個(gè)電容器的容量為100μF，12個(gè)電容器共計(jì)1200μF，考慮到電容器的無(wú)功損耗，因此補(bǔ)償量稍大是合適的。每組需3個(gè)電容器，12個(gè)電容共分為4組。其連接關(guān)系如圖3所示。

3.補(bǔ)償電容器接入后的仿真運(yùn)行。在補(bǔ)償電容器接入前仿真運(yùn)行的基礎(chǔ)上，依次閉合S3和S4，將補(bǔ)償電容器接入系統(tǒng)，此時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)即為補(bǔ)償后有功功率和功率因數(shù)，雙擊圖3所示的功率表XWM1，即可顯示所測(cè)試的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償后的功率和功率因數(shù)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，并接電容補(bǔ)償裝置后的功率因數(shù)達(dá)到0.923，基本滿足了設(shè)計(jì)要求。在功率因數(shù)提高的同時(shí)，系統(tǒng)的有功功率也由原來(lái)的117.326KW增加到133.975KW，這是由于變壓器的無(wú)功功率損耗所造成的。

三、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)與課時(shí)安排

教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)，以創(chuàng)設(shè)真實(shí)的工作情景為指導(dǎo)，以完成車間變電所“功率因數(shù)測(cè)試與無(wú)功功率補(bǔ)償”仿真電路的設(shè)計(jì)與運(yùn)行為主線，通過(guò)讓學(xué)生親自參與項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到“做中學(xué)”的教學(xué)目的。

基于Multisim“功率因數(shù)測(cè)試與無(wú)功功率補(bǔ)償”電路設(shè)計(jì)及仿真運(yùn)行的成功，為Multisim在供配電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代仿真技術(shù)開(kāi)展輔助教學(xué)，模擬真實(shí)的供配電系統(tǒng)，將復(fù)雜、抽象的理論問(wèn)題，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直觀、形象化的教學(xué)，既有效激勵(lì)了學(xué)生的求知欲望，更重要的是通過(guò)讓其參與仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)到了許多分析和解決問(wèn)題的方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭鎖利，劉延飛，李琪，王曉戎，張延偉. 基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2012

[2]翁雙安. 供配電工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[3] 付艮秀，王邦林. 工廠供電技術(shù)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2006

[4]張廣溢，郭前崗. 電機(jī)學(xué)（第2版）[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

[5]唐志平，魏勝宏，楊衛(wèi)東. 工廠供配電[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002

【資助項(xiàng)目】2011年廣西高?？蒲辛㈨?xiàng)項(xiàng)目（201106LX808）

【作者簡(jiǎn)介】曾禮光（1958- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。黃 鶯（1980- ），男，工學(xué)碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：智能檢測(cè)與控制技術(shù)。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）