基于M ultisim與Proteus的功率因數(shù)提高仿真研究?

吳春林 吳凌燕 王守權(quán)

基于M ultisim與Proteus的功率因數(shù)提高仿真研究?

吳春林 吳凌燕 王守權(quán)

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041）

論文采用Multisim與Proteus軟件，以感性負(fù)載電路的功率因數(shù)提高為例，仿真了并聯(lián)不同容量電容器對電路功率因數(shù)的影響。文中給出了兩種軟件仿真的過程和注意事項(xiàng)，并將仿真過程中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Excel進(jìn)行繪圖，以圖形方式展示了不同容量的電容對電路功率因數(shù)的影響，彰顯了軟件仿真的直觀性和在實(shí)驗(yàn)課程中的所能發(fā)揮的重要作用。

Multisim；Proteus；功率因數(shù)

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

軟件Multisim、Proteus均為EDA工具軟件。兩者都可對數(shù)字電路、模擬電路及模擬和數(shù)字混合電路等進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)。這兩款軟件都具有強(qiáng)大的電路分析功能：如電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析等，且都具有多種仿真儀器儀表工具：如萬用表、瓦特表、邏輯分析儀等；且都具有從電路仿真到電路印制版圖生成的功能，是產(chǎn)品的電子設(shè)計(jì)自動化的有益幫手［1～7］。

現(xiàn)以感性負(fù)載電路的功率因數(shù)提高為例，分別采用兩款軟件進(jìn)行并聯(lián)電容提高功率因數(shù)的仿真，選用軟件自帶的虛擬儀器功率表、交流電壓、電流表及電壓電流探針等，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用Excel軟件將數(shù)據(jù)繪制成圖，總結(jié)并顯示出并聯(lián)不同容量電容對功率因數(shù)的影響。

2 感性負(fù)載電路功率因數(shù)提高的原理分析

在日常的生產(chǎn)生活當(dāng)中，以感性負(fù)載居多，例如日光燈電路，發(fā)電機(jī)等。功率因數(shù)的提高，對于國計(jì)民生是有很大意義的，國家相關(guān)部門對此有嚴(yán)格規(guī)定，即對功率因數(shù)有相應(yīng)的要求，低于某個(gè)數(shù)值要采取無功補(bǔ)償，即功率因數(shù)的提高。功率因數(shù)的提高，可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費(fèi)開支，提高電力資源的利用率。

純阻性負(fù)載，理論上發(fā)電機(jī)容量會完全利用，因?yàn)?P=UI cos?中的cos?=1；即功率因數(shù)為1，電能完全利用，但是當(dāng)負(fù)載為感性或容性時(shí)，cos?＜1，發(fā)電機(jī)容量就得不到充分利用，需進(jìn)行功率因數(shù)的提高。

現(xiàn)以感性負(fù)載日光燈電路為例，該電路可等效為電阻與電感的串聯(lián)，如圖1實(shí)線部分。感性負(fù)載電路提高路功率因數(shù)的方法，一般是在該電路兩端并聯(lián)電容器，以補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，從而減少或消除感性負(fù)載與電源之間的能量交換。補(bǔ)償電路如圖1虛線部分所示。

補(bǔ)償前后電路電壓與電流的相量圖如圖2。未補(bǔ)償時(shí)，有功功率P與無功功率Q之間的關(guān)系為：QL=UI sinφ1=P tanφ1，φ1為未并聯(lián)電容器時(shí)端口總電壓與干路電流IRL間夾角。由于無功功率為Q=QL+QC，此時(shí) P、Q之間的關(guān)系為Q=P tanφ2，φ2為并電容后端口總電壓與干路電流IZ間夾角。

圖1

圖2

3 采用M ultisim對電路進(jìn)行仿真

現(xiàn)在通過Multisim軟件，仿真采用并聯(lián)電容器改變電路的功率因數(shù)。如圖3所示，將感性負(fù)載電路采用電阻與電感的串聯(lián)來示意。選取工具條中的瓦特表Wattmeter，注意表的正確連接，U與I的同名端要接到電源同一極性的端子上，電壓線圈并在回路上，電流線圈串在回路中，電壓電流的采集采用的探針［8］。

圖3

4 采用對電路進(jìn)行Proteus仿真電路

現(xiàn)在通過Proteus軟件，同樣采用并聯(lián)電容器改變電路的功率因數(shù)。如圖4所示，注意，Proteus軟件只有8以上的版本才有瓦特表Wattmeter。電壓和電流的選取可以選用交流電壓表和交流電流表，注意Wattmeter表的正確連接，同樣，電壓線圈要并在回路上，電流線圈串在對應(yīng)回路中。

圖4

5 電路仿真數(shù)據(jù)的采集

通過兩種軟件，分別采用改變電容的容量，觀察電路功率因數(shù)的變化情況，除了數(shù)據(jù)上略有差異，變化規(guī)律是一樣的，現(xiàn)以Multisim軟件的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，進(jìn)行電容容量與功率因數(shù)之間關(guān)系的研究，電壓電流探針Probe獲取，功率因數(shù)由Wattmeter獲取，數(shù)據(jù)如下表1。

表1

從表中數(shù)據(jù)可以看出，并聯(lián)電容，電路的有功功率不會改變，將電容容量與功率因數(shù)間關(guān)系數(shù)據(jù)用Excel繪成圖，在Excel中插入平滑散點(diǎn)圖，選取電容容量列作為橫軸，功率因數(shù)作為縱軸，如下圖5所示。從圖中可以看出并聯(lián)電容的大小對功率因數(shù)的影響，并不是電容容量越大越好，電容容量大于某個(gè)值后，功率因數(shù)反而下降，所謂過猶不及。

同樣方法繪制電容容量與電路總電流間的關(guān)系，如下圖6所示，從圖中可以看出電源支路電流先隨并聯(lián)電容值的增大而減小，達(dá)到某一最小值之后，隨電容值的增大而增大。

圖5 電容容量與功率因數(shù)的關(guān)系

圖6 電容容量與總電流大小的關(guān)系

6 結(jié)語

通過軟件Multisim與Proteus軟件對感性負(fù)載電路功率因數(shù)改變的仿真可以看出，兩種軟件存在異曲同工之妙，軟件所帶工具略有不同，但對電子電路的仿真都可以勝任。并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取可以總結(jié)出：感性負(fù)載電路功率因數(shù)的提高，可以采取并聯(lián)電容器的方法，但不是任意容量隨便并聯(lián)，容量過大或者過小對提高功率因數(shù)都沒有幫助，需要一個(gè)合適的容量；且并聯(lián)電容，只是進(jìn)行了無功補(bǔ)償，對有功功率沒有影響。軟件仿真，相當(dāng)于一個(gè)龐大的虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生可以根據(jù)需求隨時(shí)做實(shí)驗(yàn)，并迅速得出結(jié)論，大大提高了學(xué)習(xí)的效率和興趣，在輔助教學(xué)方面有著很廣闊的前景［9～10］。

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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

吳春林，男，碩士研究生，講師，研究方向：軟件仿真。吳凌燕，女，碩士研究生，副教授，研究方向：單片機(jī)，智能儀表。王守權(quán)，男，碩士研究生，副教授，研究方向：虛擬儀器。