1、电工电子综合实验实验报告院系：动力工程学院学号：0808190149姓名：奚睿智指导老师：完成时间：2010 年 3 月 23 日裂相（分相）电路的仿真研究中文摘要：电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 1 页 共 15 页本文主要研究利用 Multisim10 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：
2、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
3、关系） ，同时验证所设计的电路在空载时功耗最小。正文： 电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 2 页 共 15 页（1）料与设备装置序号 名称 型号与规格 数量1 单相交流电源 220V/50Hz 12 电阻器 10 23 电阻器 100 24 电阻器 1k 25 虚拟电容 318.30F 26 虚拟电容 31.830F 27 虚拟电容 3.183F 28 万用表 1GV 29 示波器 XCS1 110 功率表 XWM1 111 虚拟线形电位器 212 虚拟可变电容 213 虚拟可变电感 2（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
4、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。电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 3 页 共 15 页图 1daccU1U2UsV1U1U2图 2（3）实验方法将电
5、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1 2s 1()URC2 21()sRC电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 4 页 共 15 页对输入电压 US而言，输出电压 U1和 U2的相位是1 1arctnRC2 2t或 222cottan(90)RC因此 2 290arct若 12RCRC则必有 1290一般而言， 和 与角频率 无关，但为使 U1和 U2数值相等，可令1212RC（4）实验过程及结果试验线路的设计
6、及参数的选择在实验过程中，同样满足 R1C1=R2C2=RC 且 条121RC件的电阻电容组合成千上万，例如 10k 的电阻及 0.318uF 的电容。以 10k 的电阻及 0.318uF 的电容为例。在空载情况下，测得电压表电压分别为 155.487V 和 155.638V，但是发现当负载可变电阻调至 100k 时，两电压表示数居然有不小的变化，分别为140.759V 和 140.896V,其数值已经接近 150（1-10%）V，可见此时电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 5 页 共 15 页电源供压在发生较大变化时，电阻可变化的阻值范围却很小，无法满足为一般生活中的用电器提供一个较为
7、稳定的供电范围的条件，显然这样的电源输出质量不好，不能作为裂相电路的参数。经过多次实验，笔者发现在发生同等幅度电压变化时，当所选电阻越小，电容越大，电阻可变化的范围就越大，即电源输出质量越好，电压越稳定！实际变化规律如下表所示：R/ C/uF R 变 / U 变 /V10k 0.318 100k 140.7591k 3.183 10k 140.838100 31.831 1k 140.83810 318.310 100 140.841为了得到较为精密的仿真效果，本次试验选择阻值为 10 的电阻以及容量为 318.310uF 的电容作为实验参数。实验最终设计电路图如下图所示：在空载情况下运行：
8、电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 6 页 共 15 页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：由示波器图像可知，裂相后的两相电源输出的相位差约为 90功率表测得电压源空载时的功率：电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 7 页 共 15 页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1381401421441461481
9、501521541561580 2000 4000 6000 8000 10000 12000R/欧 姆U/V 系 列 1功 率 -负 载 特 性 曲 线0200400600800100012000 20 40 60 80 100 120R/欧 姆P/W 系 列 1有电压负载特性曲线可知，两相电源接入相同阻值的电阻性负载后，变换阻值的大小，获得的电压曲线和功率曲线基本重合。由功率负载特性曲线可知，接入适当大小的电阻时，功率可电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 8 页 共 15 页达到最大值，越过最大值之后，功率值随电阻值增大而增大。又空载时，功耗为零，可知设计的电路在空载时功耗最低。依据
10、实验要求，电压低于 150（1-10%）V 就不再进行测量了，可是为了得到拥有最大值得功率负载特性曲线，故对低于 47 的电阻继续进行了测量。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：分别测量记录不同电感值时两相电源的电压，然后绘制电压负载特性曲线。电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 9 页 共 15 页电 压 -感 性 负 载 线 形 曲 线0501001502002500 100 200 300 400 500 600L/mHP/W 系 列 1负载为两相同电感值的电感时，各相电压在 L=R(10),即L=32mH 时，电压取得
11、极大值。越过最大值之后，电压值随电感值增加而增加。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：分别测量记录不同电容值时两相电源的电压，然后绘制电压负载特性曲线。电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 10 页 共 15 页电 压 -容 性 负 载 特 性 曲 线1501511521531541551560 5 10 15 20 25C/uFU/V 系 列 1电 压 -电 容 特 性 曲 线0204060801001201401601800 200 400 600 800 1000 1200C/uFU/V 系 列 1负载为两相同电容值的电容，电容小于一定值时，各
12、相电压基本平稳保持在空载电压值附近，大于该值后随着电容容性的增加，电压明显降低。（5）应用随着电子技术的飞速发展，裂相技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。例如：在单相电动机里头,需要不同的相位的电源以形成“移进磁场“,或者“旋转磁场“才能使鼠笼转子转起来.采用的电源是单相的,内部却电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 11 页 共 15 页要多相的.这就要靠分相电路了。电子电路中,有时由于电路性能指标的需要,也要设计分相电路.例如彩电中的色度处理,要将付载频分相。简单的电路结构进行分相器(resolver)输出绕组断线等故障诊断，降低分相器故障诊断电路的成本及提高可靠性，而且降低分相
13、器故障诊断电路的功耗。实现上述目的的手段是，在接受来自随着转子的旋转从输出绕组输出与旋转角度相对应的旋转角度信号的分相器的信号的分相器信号输入电路中，在上述输出绕组的输出振幅为规定值以下，而且输出电压的中心电压与正常动作时的中心电压的偏差超过允许范围时，判定上述输出绕组有故障。在此，笔者选择分相器进行详细介绍。分相器分相器包含电阻和电容，电阻和电容连成环形，可以把本振信号分解成相互精确正交的 I 和 Q 两路。所以通常分相器用来为内部混频器产生两路相差 90驱动信号 我们以 STQ-3016 为例来说明分相器的应用。介绍其中的 LO 接口部分，在其中利用了分相器。STQ-3016 是由 SIR
14、ENZA MICRODEVICES 公司采用硅锗器件技术生产的直接正交调制器，具有较宽的工作频带，良好的载波和边带抑制，非常低的宽带噪声基底，无外部中频滤波，低本振驱动，单 5V 电源，支持宽带基带输入。它可实现 GMSK、QPSK、QAM、SSB、BPSK 等多种调制，在GSM、CDMA、PCS、DCS 等数字通信、扩频通讯、固定无线通讯系统电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 12 页 共 15 页中有较为广泛的应用前景。 STQ-3016 可以分为以下部分：本振(LO)接口、混频器、差分电压电流(V-to-I)变换器、RF 输出接口和偏置电路。详细的功能单元图如图所示。LO 接口 差
15、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。0.82.5GHz 的宽频带工作范围是通过每级分相器 RC 谐振回路时常电工电子综合实验（I）实验报告 奚睿智第 13 页 共 15 页数失谐达到的。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
16、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2.54GHz，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 2.54GHz 范围内的曲线关系结论：本文从裂相电路出发，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。具体结论如下：裂相后电源接阻值相等的电阻性负载时，两端的电压和负载阻值具有相同的增减性。裂相后，各相电源空载时功耗最小。负载为感性时，负载电压随电感值先增后减，再趋于平稳。负载为容性时，负载电压随电容值先平稳再减小。以上研究均按裂相电路为无损条件进行的，而实际裂相元件可电工电子综合实验（
17、I）实验报告 奚睿智第 14 页 共 15 页按有损条件再进行必要的修正。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） ，由于其负载较为固定，使用能够获得一定的社会经济效益。但需说明的是，对于负载经常变动的大功率的用电器，一般来说，使用这种裂相电路时不适宜的，因为这种裂相电路的元件也要随之作较大范围的变动调整，很难实现本实验的实验原理较简单，但笔者在实验过程中还是遇到了一些问题。经过思考，尝试，查阅书籍资料，终于克服了那些困难，完成了实验，通过这次实验，笔者加深了对裂相技术的理解，熟悉了 Multisim10 的使用与操作，为以后的研究打下了基础。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）
