电工电子综合实验
实验报告
院系:电子工程与光电技术学院
学号
姓名
完成时间:20##年4月14日
裂相(分相)电路的仿真研究
中文摘要:
本文主要研究利用Multisim7仿真设计软件模拟的裂相电路。通过设定一定参数的R-C两相电路,将单相交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为90°的两相电源(155V/50 Hz)。并从R-C两相电路出发,简单的通过输出电压、功耗与裂相电路负载参数之间的关系,研究了电压—负载(阻性、感性、容性)特性曲线,同时验证所设计的电路在空载时功耗最小。
关键词:
裂相 单相电源 两相电源 负载特性曲线 功率
引言:
随着电子科技的发展,物理学与电工学教学演示越来越多的进入人们的日常生活。可是在大多数家庭民用场合,往往没有两相动力电源,而只有单相电源,如何利用单相电源为两相负载供电,成为了值得深入研究的问题,此时裂相技术就体现了它很大的实用价值。
笔者从一些电工学教科书提到的R-C裂相电路出发,在参考了一些资料后,对其进行了仿真研究。在将单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电路的实验中,通过仿真测量,记录多组负载的数据,并作出电压——负载(两负载相等,分别有电阻,电感,电容)的特性曲线,并进行了简单的分析,以研究其性质(输出电压、功耗与裂相电路负载参数之间的关系),同时验证所设计的电路在空载时功耗最小。
正文:
(1) 材料与设备装置
(2)实验原理
裂相:将适当的电容、电感与两相对称负载配接,使得两相负载从单相电源获得两相对称电压。
由电路理论可知,电容和电感元件最容易改变交流电的相位,且其只储存能量而不消耗能量,因此是用作裂相电路的理想裂相元件。
电容和电感的移相原理:电容元件和电感元件两端的电压和通过它电流有90°的相位差。
本次仿真就是利用电容的以上性质,将两组电容和电阻串进行适当并联后加上电源,由两个支路分流,其中一个电路电阻及另一电路电容两端的电压就产生了一个相位差,通过计算,调整电阻及电容的值,就能把单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源。
图1为基本R-C裂相电路,图2为向量图。
图一
图二
(3)实验方法
将电源US分裂成U1和U2两个输出电压:
利用R-C串并联电路它可将输入电压路US分裂成U1和U2两个输出电压,且使U1和U2相位差为90°。
如上图所示电路中输出电压U1和U2分别与输入电压US为
对输入电压US而言,输出电压U1和U2的相位是
或
因此
若
则必有
一般而言,和与角频率无关,但为使U1和U2数值相等,可令
(4)实验过程及结果
为了得到较为精密的仿真效果,本次试验选择阻值为0.318kΩ的电阻以及容量为10uF的电容作为实验参数。
① 在空载情况下运行:
空载时电路图如下图所示:
万用表测得两相电压源空载时的电压值:
示波器观察到两相电压源输出的相位差:
由于单相交流电源输出频率为50Hz,示波器中波形一个周期为20ms,T2-T1为5ms,即相差四分之一个周期,相位相差90°
功率表测得电压源空载时的功率:
② 在两相电源的每一相上分别接一个虚拟线性电位器,调节两电位
器使得阻值相等。
分别测量记录不同阻值时二相电源的电压和此时的负载功率,然后绘制电压——负载特性曲线(其中输出电压到150(1-10%);相位差为90(1-5%))、以及功率——负载特性曲线。
电压——负载特性曲线
功率——负载特性曲线
由电压—负载特性曲线可知,随着可变电阻的阻值增大电压也随之增大,开始时电压增长很快,当可变电阻阻值变得比较大时电压变化逐渐趋于直线,电压值趋向于155V,而根据实验要求,输出电压达到150(1-10%)就不用测量了。
由功率—负载特性曲线可知,开始时随着可变电阻阻值变大功率不断变大,阻值达到一个适当大小事,功率可达到最大值,而超过最大值之后,功率值随着阻值增大而减小。又因为空载时,功耗为零,可知设计的电路在空载时功耗最低。
③ 两相电源的每一相上分别接一个虚拟线性电感,调节使得两电感显值相等。
负载为感性的裂相电路实验线路如下:
电压-感性负载特性曲线
由电压—感性负载特性曲线可以看出,负载为两相同电感值的电感时,各相电压在L=R(318Ω),即L=1013mH时,电压取得极大值。越过最大值之后,电压值随电感值增加而增加,但随着电感值越来越大,电压值逐渐趋向于155V。
④两相电源的每一相上分别接一个虚拟电容,两电容值相等。
负载为容性实验线路如下:
电压—容性负载特性曲线
由电压—容性负载特性曲线可以看出,当电容值很小时电压约为155V,随着电容值的不断增大电容上的电压不断减小,但随着电容值的不断增大电压减小的幅度越来越小。
(5)应用
LO接口
差分本振输入允许用户差分驱动本振以便达到最佳性能。本振可以单端驱动,但是本振馈通性能将会变差,特别是到了频率范围的高端。LO接口是由多相网络和缓冲放大器交替级联组成。分相器包含电阻和电容,电阻和电容连成环形,把LO信号分解成相互精确正交的I和Q两路。每路信号都通过一个缓冲放大器补偿损耗和高频跌落。然后两个信号通过另外一个多相网络以提高正交精度。0.8~2.5GHz的宽频带工作范围是通过每级分相器RC谐振回路时常数失谐达到的。第二个分相器的输出馈入混频器本振输入的驱动放大器。本振频率范围 。
LO本振输入的频率范围受限于内部正交分相器。分相器为内部混频器产生两路相差90o的驱动信号。超出规定LO频率范围2.5~4GHz,正交准确度下降,结果边带抑制减少。图为边带抑制与本振频率在2.5~4GHz范围内的曲线关系
(6)结论
本文从R-C裂相电路出发,经过理论研究和仿真实验,得出裂相对称负载性质、参数与裂相输出电压、功率之间的关系。
(1)分相电路可以提供更多的接口,使各负载之间能够分开,而不需要同时并联到哪一单相电源上,用电更加安全。
(2)阻性负载时,负载越大,得到的电压越稳定,越接近理论值。
(3)负载为感性时,负载电压随电感值先增后减,再趋于平稳。
(4)负载为容性时,负载电压随电容值先平稳再减小。
(5)空载时,电阻趋向无穷大,此时功耗最小。
参考文献
《电工仪表与电路实验技术》(马鑫金 编著 机械工业出版社 2007.8)
《单相电源变成三相电源的裂相电源的研究》(刘正生 夏敦柱 翁凌 扬州大学理学院 物理学系 225002)
《电路》(黄锦安 主编 机械工业出版社)
第二篇:裂相电路
裂相电路的研究
姓名:张旭
学号:0804210248
南京理工大学
电子工程与光电技术学院
摘要:从裂相电路出发,深入研究了如何将单向交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为90度的两相电源,并保证两相输出空载时电压有效值相等,为155×(1±4%)V,相位差为90×(1±2%)。作出电压——负载特性曲线,分析并研究证明此电路在空载时功耗最小。
关键词:裂相电路,两相电源,单向电源
1.引言
在许多物理学与电工学教学演示及家庭民用等场合,往往没有三相动力电源,而只有单相电源,为了能利用单相电源为三相负载供电,一些电工学教科书涉及裂相电路;也有文献对单相电源用于三相负载的裂相电路作过一些有益的讨论,但理论上不够深入.
随着素质教育的逐渐深入人心,对教学演示的需要也越来越迫切、越来越多,同时由于家
用电器越来越多的进入人们的日常生活,而生活和工作中一般没有三相动力电源,只有单相电源,如何利用单相电源为三相负载供电,就成了值得深入研究的问题了.
我就从一些基本电路只是出发,设计R—C裂相电路,研究了如何将单相电源分裂成两相电源,并研究了负载的性质,参数与裂相电路结构,参数之间的关系等。
2.两相输出空载是电压有效值相等,为155×(1±4%)V;相位差为90×(1±2%)
将电源U分裂成U1和U2两个输出电压,如图为RC桥式分相电路原理的一种,它可将输入电压路U分裂成U1和U2两个输出电压,且使U1和U2相位差成90°。
如图
U1/U=1/√[1+(wR1C1)^2 ],U2/U=1/√[1+(1/wR2C2)^2]
对输入电压U而言,输出电压U1和U2的相位为
ψ1=-arctanwR1C1
ψ2=arctan1/wR2C2
由此
ψ2+90°=-arctanwR2C2
若
R1C1=R2C2=RC
则必有
ψ1-ψ2=90°
一般而言,ψ1和ψ2与角频率w无关,但为使U1和U2数值相等,可令
wR1C1=wR2C2=1
如仿真图,令R1=R2=1Ω,C1=C2=0.00318F,则两相输出空载时电压有效值在误差范围内相等,相位差为90°。
3.测量并作电压—负载(两负载相等,且为电阻性)特性曲线,到输出电压155(1-10%)V
在电路两输出电压两端加电阻值相等的负载,组织从∞到4.5Ω,使得两输出电压变化为150(1-10%)左右,作出U-R特性曲线,如下图
4.测量证明设计的电路在空载时功耗最小
将原电路原两输出电压端接入两功率表,测量电阻变化时功率大小,绘出P-R曲线如下图
可见,当电路空载时,功耗最小。
5.结论
本文研究了如何将单相交流电源分裂成相位差为90度的两相电源,并测量证明了设计的电路在空载时功耗最小。
通过这项研究,可以用同样的方法进行将单相交流电源分裂成三相电源的研究,对于日常生活很多方面有着帮助。比如对于使用小功率单相电机的家用电器(如家用洗衣机、窗式空调、吸尘器及电风扇等) ,若将单相异步电动机换为三相异步电动机,由于其负载较为固定,可大大改善其性能,并且能够获得一定的社会经济效益。
参考文献:
《电工仪表与电路试验技术》
机械工业出版社
编者:马鑫金
《电路》
机械工业出版社
编者:黄锦安