南京理工大学-电子电工综合实验(I)论文-裂相
南京理工大学
电子电工综合实验论文
电子工程与光电技术学院
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裂相（分相）电路的研究
一、摘要：
裂相（分相）电路可以把单相交流电源分裂成具有相位差的多相电源，多相电路性能稳定，较之单相电路更加优越，且运用场合广泛。将单相电转换为多相电可以满足在只有单相电源，而仪器设备必须使用多相电源时的问题。本文从裂相电路出发，介绍了用Multisim10对裂相电路进行仿真，深入研究将单相交流电源（220V/50HZ）分裂成相位差对称的两相电源，并保证两相输出空载时电压有效值相等，具体实现电压为150V±2%，相位差为90°±2%。进而在原电路基础上改变负载(电阻性)做出电压与负载特性曲线。并讨论在负载为电容或电感时负载两端电压值与负载大小关系的特性曲线。最后分析并证明此电路在空载时功耗最小。
二、关键词：
裂相电路两相电源三相电源负载空载功率
三、引言
如今，随着科技的迅猛发展，电工技术在许多领域中都发挥着重要的作用。裂相技术作为一项原理较为简单的电路处理技术，在实际应用中还有很大的潜力有待开发。裂相电路由电阻和电容构成，它同时吸取了单相电源供电方便，以及多相整流输出平稳，谐波少，功率高等优点。本文主要研究将一个单相的交流电源分别分裂成两相交流电源。利用电容，电感元件两端的电压和通过它们的电流的相位差恒定为π/2，将电容和与之串联的电阻分别作为电源，同时还研究了裂相后的电源接不同性质负载时的电压、功率的变化。实验中，通过运用Multisim10对电路进行仿真，同时测量多组数据，绘制相应曲线，并进行简单的分析，从而达到研究的目的。
四、正文
1、实验要求
（1）将单相交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为90°对称的两相电源。
①两相输出空载时电压有效值相等，为150×(1±4%)V；相位差为90°×(1±2%)。
②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150×(1-10%)V；相位差为90°×(1-5%)为止。
③测量证明设计电路在空载时功耗最小。
（2）若负载分别为感性或容性时，讨论电压——负载特性。
（3）论述分相电路用途，并举例说明。
2、实验原理
将单相交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为90°对称的两相电源。
将电源Us 分裂成U 1和U 2两个输出电压。如以下原理图（1），它可将输入电
压Us 分裂成U 1和U 2两个输出电压，且使U 1和U 2的相位差为90度。原理图（2）
为向量表示Us ，U 1和U 2 三者之间的关系。
图中输出的电压U 1和U 2分别和输入电压Us 为：
Us U 1＝2)11(11
C wR + Us U 2＝2
)221
(11C wR +
对输入电压Us 而言，输出电压U 1和U 2与其的相位为：
2
221
111arctan arctan C wR C wR =-=??
或者为：
RC
C R C R arctan -90)
90tan(cot 22112222222===++-==若
由此
C wR C wR
???
则必有 90-21=??
一般而言，21??和与角频率ω无关，但为使U 1和U 2数值相等，可令
12211==C wR C wR
当上述两条件都满足时则单相交流电被分裂成大小相等、相位差为90 o 的两相交流电。
3、实验内容
（1）将单相交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为90°对称的两相电源。
①两相输出空载时电压有效值相等，为150×(1±4%)V ；相位差为90°×(1±2%)。
根据以上实验原理，我们可以设计出如下电路图（1）。
经模拟测试得到U 1和U 2读数分别为155.842V 以及155.201V ，如下图（1），
图（2）所示，满足两相输出空载时电压有效值基本相等，且满足在实验要求误差范围内。
电路图（1）
同时，通过连接示波器可以看出两输出电压U 1 和U 2 满足相位差为90°，如
图（3）所示。
②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150×(1-10%)V ；相位差为90°×(1-5%)为止。
连接电路如电路图（2）
3 4 R 3和R 4 两端电压，得到如下表（1）
利用Excel 制图功能得到R 3和R 4 的电压——负载关系图，如图（4）所示。
通过模拟测试我们可以发现，R 3和R 4 两端电压重合的较好，且当两负载阻值接近5000欧姆时，两负载两端电压均可保持在150V 左右，满足题设中输出电压150×(1-10%)V 的要求。通过电压——负载关系图也可以证明该电路进行的裂相效果良好。
③测量证明设计电路在空载时功耗最小。
利用图（4）中电路图，测定在R 3和R 4 改变过程中，两负载功率改变情况，得到表（2）。
利用Excel 制图功能得到R 3和R 4 的功率——负载关系图，如图（5）所示。
势，当负载阻值趋向无穷时功率趋向为零。
（2
）若负载分别为感性或容性时，讨论电压——负载特性。
①负载为电容
连接电路如电路图（3）所示，将原始电路图中两电阻负载R 3和R 4 改为电容，记为C 3，C 4。
利用电路图（3），通过改变C 3，C 4 的大小，测量出C 3，C 4 两端电压，得到表（3）。
利用Excel 制图功能得到C 3和C 4 的电压——负载关系图，如图（6）所示。
, 电容两端电压值都不断减小，直到减小为零，这是因为电容越大，对交流的阻抗越小，当电容为无穷大时，阻抗为零。
②负载为电感
连接电路如电路图（4）所示，将原始电路图中两电阻负载R 3和R 4 改为电容，记为L 1，L 2。
利用电路图（4），通过改变L 1，L 2 的大小，测量出L 1，L 2 两端电压，得到表（4）。
利用Excel 制图功能得到L 1，L 2 的电压——负载关系图，如图（7）所示。
由表格中测得的数据可知在电感较小时, 两电感两端电压都较小，随着电感值的不断增大, 两电压值呈现出先增大后减小的趋势，当电感很大时，电感两端电压趋近于155V 。表（4）由于取值的限制，没有将电感值取到相应值使得电压值达到155V 附近，现补充当L 1，L 2 取值为1kH 时测量到的两端电压值得情况，如下图（8）。
可以看出，当电感不断增大时，电压值将保持在155V左右。
（3）论述分相电路用途，并举例说明。
分相电路可以提供更多的接口，使负载之间相互分开，而不需要同时并联到某一单相电源上，使得用电更加安全，从实验数据可知，接阻性负载时，阻值越大，分相所得电压越稳定且更加接近理论值。对于使用小功率单相异步电动机的家用电器（洗衣机、窗式空调、电扇），若将单相异步电机换为三相异步电机，由于负载较为固定，使用这种裂相电路可大大改善其性能，并且能够获得一定社会经济效益。但对于功耗经常变动的大功率用电器，此裂相电路是不适宜的，因为这种裂相电路的元件也要随之作大范围的变动调整。
随着电子技术的飞速发展，分相技术在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角色。例如：在单相电动机内,我们往往需要不同的相位的电源以形成"移进磁场"，或者利用"旋转磁场"才能使鼠笼转子转起来。通常我们采用的电源都是单相的,而电动机内部却需要多相电源，此时我们就可以利用分相电路对电源进行分相以满足实际需要；在电子电路中,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等。此外我们还可以利用简单的电路结构进行分相器输出绕组断线等的故障诊断，在降低分相器故障诊断电路成本的同时提高可靠性，并且降低分相器故障诊断电路的功耗。
以下是以分相器和其中的LO接口为例分别介绍分相电路的实际应用。
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位差为90°分相电压以驱动信号。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SIRENZA 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。如下STQ-3016详细的功能单元图所示。
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。
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90°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。下图为边带抑制与本振频率在2.5~4GHz范围内的曲线关系
五、结论
本实验原理较简单，目的明确，在整个实验过程中我们可以得到以下几个结论：
1、利用电阻电容并联电路可以将单相交流电源(220V/50Hz)分裂成相位差为
90°对称的两相电源，且经模拟测试效果良好，得到的两相电源大约为155V，同时相位差满足90°。
2、通过研究电阻型负载的电压——负载关系可以得到，随着负载电阻值不断增
加，负载两端电压值也不断增加，最终趋向于155V左右。
3、通过研究电阻型负载的功率——负载关系可以看出，电路空载时消耗功率最
小，且随着负载值不断增加，消耗功率先增大后减小，当负载值合适时,裂相后的电路负载上消耗的功率将远大于电源消耗的功率。
4、当负载为电容时，通过绘制电压——负载关系图可以得到，随着电容值不断
增加，负载两端电压从初始值155V左右逐渐降低，最终趋近于零。
5、当负载为电感式，通过绘制电压——负载关系图可以得到，随着电感值不断
增加，负载两端电压先增大，在某一值达到最大后逐渐减小，最终保持在155V 左右。
通过本次实验，使我对裂相（分相）电路有了更深的了解，提高了我自主学习的能力，在整个实验过程中虽然遇到了很多困难，但我通过询问老师同学，以及查阅相关资料使其得以解决，同时由于整个实验需要利用Multisim10进行电路的连接以及模拟，使我对这个软件的使用和操作更加熟悉，这也为我将来的学习和工作打下了坚实的基础。
六、致谢
本文能顺利完成得益于老师以及同学对我的帮助和指导，在此，我向帮助过我克服实验瓶颈的老师同学表达最衷心的感谢。
七、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）