曾礼光 黄莺

【摘 要】以Multisim仿真软件为平台，以车间变电所为基本模型，以功率因数测试及无功功率补偿的内容为主线，通过仿真元件的创建、电路模型的设计与仿真测试，完成在虚拟的环境下代替真实的系统进行实验教学的目标，开创了Multisim在强电实验教学领域的应用空间。

【关键词】Multisim 供配电技术 课程教学 应用

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）03C-0179-03

一、传统式的教学方法及效果分析

传统式的教学方法，一般采用以下基本程序：复习旧课—激发学习动机—讲授新课—巩固练习—检查评价—间隔性复习。这种以教师为主导的教学方法，其教学效果受到很多因素的制约，一是教师的专业技术水平，二是教师的语言表达能力，三是授课对象注意力的集中程度。而在上述三种因素中，最不稳定的是授课对象的注意力，不仅控制难度大，而且对教学效果也是最具“破坏力”的因素，尤其在信息化快速发展的今天，人们获取知识的途径已经显现多样化，过去那种“跟着老师在课堂上学”的教学方法也将受到前所未有的冲击。面对自我意识更强的授课对象群，在知识的传授过程中，如果还把学生当做被动的接受者，结果只会增加学生的逆反心理，不利于激发学生的学习积极性、主动性和创造性。

供配电技术是一门融理论性、工程性和实践性于一体的专业技术课程，该课程主要面向的职业岗位群有三大类：一是变电所（站）值班员与维护员、供配电设备检修员与设备管理员；二是建筑配电系统设计员与安装员；三是供配电设备制造所需要的工艺员、检查员、维护员、调试员等。按岗位目标的要求和教学的目的，不仅要使学生明白“为什么”，而且要教会学生“怎么做”，实现教、学、做一体。然而，要实现这个教学目标，仅有好的师资队伍是不够的，还需要相对完善的实训设备系统来支撑。

任何事物的发展都要经历一个逐渐成长的过程，实训基地的建设也不例外，在实验实训设备不足的情况下，如何才能最大程度地提高教学质量？引入现代教育技术辅助教学，是一个不错的选择。

二、Multisim强电仿真功能的开发

Multisim是一款电子应用仿真软件，它具有强大的元件库功能，通过对其中机电元件库功能的开发，实现了Multisim在强电环境下的仿真应用。下面以“功率因数测试与无功功率补偿”为实验项目，介绍具体电路的设计与仿真运行的方法。

（一）实验模型的设计

1.变电所类型的选择。电力系统主要由发电厂、变电所、输电线路和用电设备等四大要素构成，从变电所的配置上看，车间变电所位于系统的末级，是所有用电设备与电网连接的桥梁，其数量最多，接触面最广。因此，在设计“功率因数测试与无功功率补偿”仿真电路模型时，选择了车间变电所作为基本模型。车间变电所的基本结构由10KV电源进线、10KV高压断路器、三相变压器、低压断路器、用户设备与电容补偿装置等构成，如图1所示。

图1 车间变电所电气系统图

2.中性点运行方式。车间变电所输入电压为10KV，而输出电压为220/380V，为满足给三相和单相负荷供电的要求，采用中性点直接接地的运行方式，输出模式为典型的“三相四线制”，即三个相线和一个中性线，也称为N线或PN线。

3.主要技术指标。（1）变电所受电电压，即配电电压为10KV。（2）变电所馈出电压，即输出电压为220/380V。（3）变压器采用10/0.4KV三相变压器，联结组标号为Dyn0。（4）负载配置：三相异步电动机2台，单相照明设备3组，额定功率3×1000W，分别接于三相四线制的U、V、W相上，未接补偿电容器时系统总的功率为117KW。（5）补偿前系统高压侧的功率因数为0.817，补偿后高压侧的功率因数≥0.9。（6）无功功率补偿选择并联电容器法，电容器的采用△连接，补偿装置的接入点为变压器低压母线。

（二）仿真电路的设计

仿真软件的版本为Multisim9，设计内容：车间变电所“功率因数测试与无功功率补偿”电路。设计的步骤如下：

1.仿真元件的创建与选择。从仿真元件库中选择元件，是Multisim仿真电路设计的第一步，只有选择与供配电系统相匹配的仿真元件，才能实现相应的仿真功能。

（1）三相变压器的创建。车间变电所电气主接线图仿真电路的设计，关键的问题是解决三相变压器元件的创建及参数的设置，因为在Multisim9现有的元件库中无法找到符合车间变电所需要的电力变压器的元件模型，本设计方案利用元件库里现有的虚拟变压器进行组装。具体做法是：将3个变压器的一次绕组6个接头按照头尾相接（注意变压器的同名端）的原则接成△，再从三角形的3个顶点各引出一根线，分别与三相交流电源的三个相线相接；将3个变压器的二次绕组的6个接头接成星形，即将3个变压器的二次绕组的3个异名端连接在一起，并直接与地相连接，作为车间供配电系统的N线，变压器另外3个同名端各引出一根线作为车间供配电系统3个相线U、V、W。仿真模型如图2所示。

图2 三相变压器仿真模型

（2）10KV三相交流电源及其它元件的选择。10KV三相交流电源，可直接从电源库中选择，方法是在元件工具栏里找到电源库的图标，双击打开该元件库，选择信号电压源即可，如图2的V1所示。其余电路元件可从Multisim9相应的元件库中查找。

2.元件参数的设置。对于车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”的仿真电路来说，对仿真运行影响较大的元器件是三相变压器和10KV交流电源，参数设置方法如下：

（1）三相变压器的参数设置。本设计所选择的变压器，是由元件库里虚拟的单相变压器组装而成，其特点是各相磁路独立，因此，对每个单相变压器的参数设置要完全相同。首先，确定变压器的变压比。根据国家标准GB156-1993《电压标准》规定，车间变电所高压侧的额定电压10KV，低压侧的额定电压220/380V，因此，其变压比为：

（1）

如果变压器的二次绕组为100匝，那么其一次绕组的匝数为：

（匝） （2）

其次，确定变压器初次绕组的电阻。以一个100KV.A的全密封式三相变压器为例，其型号：S9-M-100/10。主要性能参数：空载损耗0.29KW、短路损耗1.5KW、空载电流1.6%、阻抗电压4%，由此可推算变电压器的励磁电阻Rm：

（3）

“变压器在空载时，”，因此，该变压器一次绕组的直流电阻约为20Ω左右。仿真试验时，该电阻值可在20～60Ω的范围内选择，具体数值需要根据负荷的大小而定。而变压器二次绕组的直流电阻一般均小于1Ω，具体数值的选择也需视负荷的大小而定。值得注意的是，3个单相变压器的参数设置要相同，设置的参数包括：初级匝数、初级电阻、次级匝数、次级电阻，其它参数采用系统默认值。

（2）10KV交流电源的参数设置。Multisim9元件库所提供的交流信号源，其有效值为相电压值，而车间变电所高压侧10KV的输入电压为线电压，因此，该交流信号源的电压为：

（4）

因此对信号源参数设置为： “Voltage”为5774V、“Frequency”为50Hz。

3.仿真电路的连接。完成元件查找后，可按车间变电所电气主接线图的连接关系，合理调整元件的布局，并将电路接通，如图3所示。

图3 车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”仿真电路图

（三）仿真运行

1.补偿电容器组接入前的仿真运行。车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”仿真电路图如图3所示。仿真运行时，先闭合出线断路器S2，后合高压断路器S1，此时，照明灯X1、X2、X3被点亮，各电压、电流表相继显示各线路的额定电压及负载电流值。双击图3所示的功率表XWM1，如图4所示。表中显示的数据即为系统的有功功率和功率因数。

图4 无补偿的功率和功率因数

2.系统无功功率补偿量的计算。从图4所示的测试结果可知，未接入电容补偿装置前功率因数只有0.817，不符合我国电业部门规定的≥0.9的要求，因此，需要对该系统进行无功功率的补偿，补偿的方法采用在低压母线并接电容器的方法。

（1）无功功率补偿量的计算。无功功率补偿量用Qc表示，考虑到变压器的无功功率的损耗远大于有功功率的损耗，因此，在变压器低压侧补偿时，低压补偿后功率因数应略高于0.9，本设计方案按0.95计算。

（5）

取整数。

（2）需接入并联电容量的计算。并联补偿电容器采用△形连接，并联电容器的装设位置采用了低压集中补偿的方式，C=1μF时，其三相无功功率补偿量为：

（6）

那么单相无功功率补偿量为（电容器C=1μF时）：

（7）

需要并联电容器的总容量：

（8）

（3）补偿电容器的个数及分组。补偿电容器采用△连接，若每个电容器的容量为100μF，12个电容器共计1200μF，考虑到电容器的无功损耗，因此补偿量稍大是合适的。每组需3个电容器，12个电容共分为4组。其连接关系如图3所示。

3.补偿电容器接入后的仿真运行。在补偿电容器接入前仿真运行的基础上，依次闭合S3和S4，将补偿电容器接入系统，此时测试的数据即为补偿后有功功率和功率因数，双击图3所示的功率表XWM1，即可显示所测试的结果，如图5所示。

图5 补偿后的功率和功率因数

从测试结果可以看出，并接电容补偿装置后的功率因数达到0.923，基本满足了设计要求。在功率因数提高的同时，系统的有功功率也由原来的117.326KW增加到133.975KW，这是由于变压器的无功功率损耗所造成的。

三、教学过程的设计与课时安排

教学过程的设计，以创设真实的工作情景为指导，以完成车间变电所“功率因数测试与无功功率补偿”仿真电路的设计与运行为主线，通过让学生亲自参与项目的实验，达到“做中学”的教学目的。

基于Multisim“功率因数测试与无功功率补偿”电路设计及仿真运行的成功，为Multisim在供配电技术实验教学中的应用打下了良好的基础。利用现代仿真技术开展辅助教学，模拟真实的供配电系统，将复杂、抽象的理论问题，通过仿真实验进行直观、形象化的教学，既有效激励了学生的求知欲望，更重要的是通过让其参与仿真实验，学到了许多分析和解决问题的方法。

【参考文献】

[1]郭锁利，刘延飞，李琪，王晓戎，张延伟. 基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2012

[2]翁双安. 供配电工程设计指导[M]. 北京：机械工业出版社，2008

[3] 付艮秀，王邦林. 工厂供电技术[M]. 北京：北京师范大学出版社，2006

[4]张广溢，郭前岗. 电机学（第2版）[M]. 重庆：重庆大学出版社，2006.

[5]唐志平，魏胜宏，杨卫东. 工厂供配电[M]. 北京：电子工业出版社，2002

【资助项目】2011年广西高校科研立项项目（201106LX808）

【作者简介】曾礼光（1958- ），男，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：电气自动化技术。黄 莺（1980- ），男，工学硕士，柳州铁道职业技术学院副教授，研究方向：智能检测与控制技术。

（责编 丁 梦）