實際電路

實際電路是指由電阻器、電容器、線圈、變壓器、電晶體、運算放大器、傳輸線、電池、發電機和信號發生器等電氣器件和設備連線而成的電路。它的主要功能是實現電能或電信號的產生、傳輸、轉換和處理。

基本介紹

• 中文名：實際電路
• 外文名：Actual circuit
• 描述：電氣器件和設備連線而成的電路
• 套用：用電設備
• 學科：物理

概念

定義

研究實際電路，往往將其抽象為電路模型，用電路理論的方法分析計算出電路的電器特性。

分類

根據實際電路的幾何尺寸(d)與其工作信號波長(λ)的關係，可以將它們分為兩大類：

(1)集總參數電路：滿足d<<λ條件的電路。

以電路電氣器件的實際尺寸(d)和工作信號的波長(λ)為標準劃分，實際電路又可分為集總參數電路和分布參數電路。

滿足d<<λ條件的電路稱為集總參數電路。其特點是電路中任意兩個端點間的電壓和流入任一器件端鈕的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無關。

不滿足d<<λ條件的電路稱為分布參數電路。其特點是電路中的電壓和電流是時間的函式而且與器件的幾何尺寸和空間位置有關。

(2)分布參數電路：不滿足d<<λ條件的電路。

在電路理論中，對分布參數電路進行分析時：首先是建立模型。建立模型採用的是無限逼近法。這種方法是將分析對象（例如均勻傳輸線）構想為許多個無窮小長度元dχ。由於長度元dχ是無窮小量，在這些長度元的範圍內參數可以集中。於是，每個長度元可以抽象成一個集總參數電路。而這些集總參數電路級聯而成的鏈形電路就成為整個均勻傳輸線的電路模型。

顯然，只有無窮小長度元dχ的個數為無限多時，鏈形電路才能準確地代表均勻傳輸線。

接著是根據模型寫方程。方程是參照長度元dχ抽象成的集總參數電路，利用KCL和KVL(見基爾霍夫定律)寫出的。它是一個偏微分方程組。

最後是解方程求解答，再根據解答討論電路（即傳輸線）的性能。如果建模完成後，再用合適的實際電阻器、電感器和電容器來實現，便可得到一個線性尺寸很小的稱為人工線的實際鏈形電路。這就提供了對傳輸線進行實驗研究的條件。人們可以在實驗室內利用很短的人工線實現對長達幾百公里，甚而上千公里的輸電線上的各種工作狀態的觀察和各種數據的測量。

分布參數電路作為一個電磁系統當然還可採用電磁場理論進行分析。這樣做雖然嚴格與精確，但並不方便，因為求解電磁場方程組要比求解電路方程組困難得多。因此，通常是採用電路理論來分析分布參數電路。傳輸線傳送能量或信號的各種傳輸線的總稱。其中包括電力傳輸線、電信傳輸線、天線等。傳輸線又稱長線。由於它具有在空間某個方向上其長度已可與其內部電壓、電流的波長相比擬，而必須考慮參數分布性的特徵，所以是典型的分布參數電路。在電路理論中討論傳輸線時以均勻傳輸線作為對象。均勻傳輸線是指參數沿線均勻分布的二線傳輸線，其基本參數，或稱原參數是R₀、L₀、C₀和G₀。其中R₀代表單位長度線（包括來線與回線）的電阻；L₀代表單位長度來線與回線形成的電感；C₀和G₀分別代表單位長度來線與回線間的電容和漏電導。這些參數是由導線所用的材料、截面的幾何形狀與尺寸、導線間的距離，以及導線周圍介質決定的。在高頻和低頻高電壓下它們都有近似的計算公式。

Proteus在實際電路設計中的套用

研究背景

傳統的電子設計流程是先設計電路圖、購買元器件，然後制板、調試，最後進行測試。這個過程一般需要反覆多次進行，以達到設計要求。若採用EDA技術，則在原理圖設計階段就可以進行評估，驗證所設計的電路是否達到要求的技術指標，還可以通過改變元器件參數使整個電路的性能最最佳化，則在很大程度上縮短調試時間，並節省耗材。
Proteus就是一種基於標準仿真引擎的混合電路仿真工具，是將電路仿真軟體，PCB設計軟體和虛擬模型仿真軟體三合一的設計平台，能夠滿足我們平時設計的需求。

圖1 單片機信號控制電機正反轉的電路

Proteus在實際電路中的套用

模擬電子線路中，理論知識抽象、概念多、工程實踐性強，設計中不僅要考慮電路的理論知識還要考慮電路的具體結構及電路信號的特點等因素。我們設計一個用單片機信號控制電機正反轉的電路，電路圖如圖1所示。印製板焊接完成，進行調試。由於沒有這方面的經驗，只是根據理論計算和元器件特性設計了電阻R₂、R₃的具體阻值。在調試中始終沒能使電機旋轉。因此浪費了好多時間。

圖2 圖1運行時的效果圖

將原理圖移植到Proteus軟體中，在電路中分別加入了信號源（模擬單片機輸出信號）、電壓表和電流表（監測電路特性）。Io1有高電平信號即10V，Io2沒有信號即0V，電機正轉。相反，電機反轉。在電路原理圖中，R₂、R₃處分別並聯模擬電壓表，仿真時可以看到兩處的電壓值大小。在Io1處添加了模擬電壓源V₂，用來模擬單片機輸出信號。當V₂有10V電壓信號輸出，光耦6N137工作。此時，如果R₂、R₃的電阻取值不夠合理，電機不能旋轉。我們可以通過反覆仿真調試，不斷改變兩個電阻的阻值。實踐證明，要實現電機的正向旋轉必須保證R₂、R₃兩端的電壓足夠大。

圖2為電路仿真時的效果圖。通過仿真得出了準確的電阻阻值，後面進行了印製板繪製，焊接電路板，順利完成電路所需功能的實現。

研究結論

在實際電路過程中引入了Proteus軟體後，一方面能很好的驗證所設計電路理論上的正確與否，解決了電路設計後焊接時調試成功率低及耗材消耗過多的問題。另一方面通過Proteus的接近實際電路的仿真分析，為今後從事研究設計工作打下堅實基礎。

基於實際電路模型的變流電路工作波形

整流電路是電力電子學中最早的一種電能變換方式，現代電網中套用的各種變流裝置一般均具有整流環節，如三相全橋整流電路、 帶雙反星可控整流電路和12脈波可控整流電路等均可以看作是三相半波整流電路的不同組合形式。因此，對最基礎的三相半波可控整流電路進行仿真及實驗研究將有助於後續的複雜整流電路的研究。在實踐中，存在著與整流過程相反的工作狀態，即逆變，如電力機車下坡行駛時，直流電動機作為發電機制動運行，電機發出交流電。在該種情況下，變流裝置的主電路形式並未發生變化，只要適當調整電路工作狀態即可滿足有源逆變產生的條件，因此常將有源逆變作為整流電路的一種工作狀態進行分析。

圖3 三相半波整流電路及其Simulink仿真接線示意

整流電路一般有相控式與PWM控制方式兩種，前者屬於低頻電路，後者為高頻電路。本文中的DJDK-1型電力電子技術實驗裝置平台為相控式。筆者在以上兩種電路實驗過程中發現了兩種異常現象：一是在三相半波整流電路阻感性負載下，當3個晶閘管均關斷時負載中會流過負向電流；二是在三相半波有源逆變電路中，開關管切換時刻，開關管兩端與負載兩端均出現電壓振盪現象。本文對這兩種現象進行分析，並建立相關元件的改進等效仿真模型。

三相半波變流電路

基於DJDK- 1型電力電子技術實驗裝置平台的三相半波整流實驗電路及其Simulink仿真接線如圖3所示。

圖4 三相半波有源逆變電路及其仿真接線示意

實驗電路中，取三相對稱交流電源相電壓有效值為130 V，頻率為50 Hz。通過依次觸發各個晶閘管導通，在負載上可以得到期望的波形。實驗中負載R=450 Ω，L=700 mH。DJK02-3為晶閘管控制驅動模組，同步信號取自交流電源。仿真圖中晶閘管的並聯電壓吸收支路已設定在模組內部。

三相半波有源逆變電路及仿真連線如圖4所示。與整流電路相比，逆變電路的不同之處在於：在負載端接入的是反向的直流電動勢，且電勢稍大於變流電路直流電壓的平均值。電路需要滿足觸發角90°<α<180°才可以在逆變狀態工作。

晶閘管模型分析及仿真驗證

一般將晶閘管作為整流電路的理想器件，即：晶閘管只具有對電流的開通和關斷作用，當陽極與陰極電壓差大於零時，只要提供有效觸發脈衝即可導通，當電流低於維持電流時，晶閘管就會關斷。

圖 5 晶閘管的線路及其在整流電路中的等效模型

上海電力學院電力電子實驗裝置中晶閘管及其保護電路模型如圖5a所示，其中FUSE為過流保護用保險絲，電容C與電阻R組成了du/dt吸收電路。各元件型號及參數如下：VT為 KP5；FUSE為2.5A；R為120 Ω/8 W；C為0.047 μF/250 V。當三相晶閘管均關斷時，電路中存在3個吸收電路先並聯再與負載電路串聯工作的情況。假設3條支路器件參數完全相同，簡化電路模型如圖5b所示。其中，等效電路有如下數量關係: 等效電容C_e=C₁//C₂//C₃=C₁+C₂+C₃，等效電阻R_e=R₁//R₂//R₃+R。

變壓器模型分析及仿真驗證

對於有源逆變電路中開關切換時刻出現的電壓振盪現象，由電路知識可知，該現象必然與電感和電容有關。通過本文對晶閘管模型的分析可知，晶閘管本身並聯的du/dt吸收電路含有電容，而且逆變電路始終工作在連續狀態，即任意時刻有且只有一個晶閘管導通。當晶閘管處於導通狀態時，緩衝電路被短路，電容不參與振盪。因此，電路中必然存在其他元件含有電容參數，而且這一電容參數就在變壓器中。

在實驗過程中發現，三相市電需經過三相變壓器降壓至電路工作電壓。而原始仿真中只是通過等效出的工作電壓接入電路，因此將導致變壓器模型理想化，並將引入仿真誤差。理想的變壓器是指忽略磁路飽和、磁滯損耗、渦流損耗、分布參數等因素，只要滿足關係V₁/V₂=n₁/n₂，I₁/I₂=n₂/n₁的變壓器，在理想變壓器中原副邊只有磁聯繫，而無電聯繫。