張迪 李定珍

摘要：用Matlab對三相交流電路進行仿真學(xué)習(xí)，可避免發(fā)生事故危險，且能改善設(shè)備不足的限制，提高實驗效率。本文以三相交流電路的電壓電流測量為例，利用Matlab中相關(guān)模塊庫建立仿真模型，通過設(shè)置參數(shù)，運行仿真得出仿真數(shù)據(jù)和波形。并對仿真結(jié)果進行詳細分析，得出結(jié)論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得出的結(jié)論與理論知識完全吻合，證明了應(yīng)用Matlab軟件進行設(shè)計型實驗學(xué)習(xí)正確可行，學(xué)習(xí)方法創(chuàng)新，具有很強的可操作性。

關(guān)鍵詞：三相交流電路;創(chuàng)新學(xué)習(xí);設(shè)計型實驗;Matlab仿真;仿真模型

中圖分類號：TM933 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）45-0155-03

實驗是電工課程學(xué)習(xí)的重要實踐環(huán)節(jié)，分為基礎(chǔ)演示型、驗證型和設(shè)計型實驗，而設(shè)計型實驗最能鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)。設(shè)計型實驗要求根據(jù)給定任務(wù)，設(shè)計實驗方案、電路圖及選擇參數(shù)、獨立進行測試和調(diào)整各參數(shù)值，得出符合任務(wù)要求的測試電路。如果能在進入實驗室進行真正實驗之前，對設(shè)計性實驗采用計算機進行仿真設(shè)計，則可充分理解實驗的目的、內(nèi)容，避免實驗過程中的某些錯誤，大大提高實驗效率。也可以克服實驗設(shè)備不足的限制。Matlab/Simulink仿真是一種交互式仿真，利用它進行仿真實驗，不僅電路直觀，易于理解，而且實驗中的參數(shù)修改方便，實驗結(jié)果一目了然。通過仿真設(shè)計過程可以開闊學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力[1]，提高其綜合素質(zhì)。

一、三相交流電路電壓電流的測量實驗設(shè)計

1.三相交流電路實驗要求。①完成三相電阻性負載作星形聯(lián)接的三相交流電路設(shè)計。且所設(shè)計的電路需完成：（1）有中線Yo接法;（2）無中線Y接法兩種情況時：研究負載對稱;負載不對稱;負載不對稱，A相又開路等工作情況[2]。②完成三相電阻性負載作△形聯(lián)接的電路設(shè)計。研究在負載對稱和負載不對稱時的工作情況。③測量負載線/相電壓、電流，并分析三相電路的負載線/相電壓，電流的關(guān)系以及中性線作用。

2.設(shè)計實驗電路。設(shè)三相交流電路如圖1所示，上圖為三相負載Y形聯(lián)接，下圖為三相負載△形聯(lián)接。三相電源經(jīng)自耦調(diào)壓器接到燈組負載，調(diào)壓器的輸出線電壓220V，相電壓為127V，頻率50Hz。N為中性點。三相負載為RA，RB，RC。每相選取3個并聯(lián)的白熾燈（規(guī)格為10W，220V），每個燈的電阻為R=2202/10=4840Ω。如果負載對稱，即開關(guān)閉合，每相開3盞燈，則RA=RB=RC=1613Ω。如果負載不對稱，A相開1盞燈，B相開2盞燈，C相開3盞燈，則RA=4840Ω，RB=2420Ω，RC=1613Ω。如果負載不對稱，A相又開路，B相開1盞燈，C相開2盞燈，則RB=4840Ω，RC=2420Ω。

二、利用Matlab仿真三相交流電路

1.建立仿真模型。三相實驗電路設(shè)計好后，借助Matlab/Simulink中的相關(guān)模塊建立電路的仿真模型。表1列出了主要元器件的模塊名稱及提取路徑。建立的仿真模型如圖2所示，負載是Y形接法，也可改△形接法。

2.設(shè)置模塊參數(shù)及注意的問題。①三相交流電源。雙擊單相交流電源模塊，可對參數(shù)進行設(shè)置[3]。設(shè)置峰值電壓127*sqrt（2）V，頻率50Hz，相位為0°，B、C相位分別為-120°，+120°。同理，可對其他模塊參數(shù)進行設(shè)置。②負載RA，RB，RC的參數(shù)設(shè)置。通過設(shè)置其參數(shù)值大小，可得對稱負載或不對稱負載。③電壓電流的測量。各交流電壓表、電流表所測得的值均為有效值，而仿真模型中的電壓、電流均為瞬時值，因此通過“Discrete RMS Value”模塊將瞬時值轉(zhuǎn)換為有效值，模塊的頻率設(shè)為50Hz。④測量與顯示。Multimeter可顯示所需測量的電參量，能省掉很多電壓、電流測量模塊[3]。選擇“Scope”和“Display”模塊顯示波形及數(shù)據(jù)。⑤電路改接。在仿真模型中直接操作，如將A相開路，可將負載RA與中性點的連接線剪切掉。⑥仿真時間設(shè)置為0～0.06s，仿真算法采用ode45，其他為缺省設(shè)置。

3.運行仿真模型獲取實驗數(shù)據(jù)。①三相四線制Yo形聯(lián)接（有中線）：

測量有中線時三相對稱負載（每相開3盞燈）和不對稱（A開1盞燈、B開2盞燈、C開3盞燈;A斷路，B開1盞燈、C開2盞燈）情況下的Ul、UP、I1、Ip以及中線兩端的電壓UNO的數(shù)值，注意觀察中線的作用。運行仿真所得的數(shù)據(jù)計入表2。②三相三線制Y形聯(lián)接（斷開中線）：將中線斷開，測量無中線時三相負載對稱（每相開3盞燈）和不對稱（A開1盞燈、B開2盞燈、C開3盞燈;A斷路，B開1盞燈、C開2盞燈）情況下的各電量，將數(shù)據(jù)記入表3。

③三相三線制△形聯(lián)接：三相負載對稱時取A-B、B-C、C-A相均開3盞燈。三相負載不對稱時取A-B相開1盞燈、B-C相開2盞燈、C-A相開3盞燈。運行仿真模型，所測得數(shù)據(jù)計入表4。

4.仿真結(jié)果分析。從表2～4數(shù)據(jù)中可得出如下結(jié)論：①當負載采用Yo聯(lián)接時，不論負載是否對稱，Ul=■UP，I1=Ip。當負載對稱時，各相電流相等，流過中線的電流Io=0，所以中線可以省去。②負載不對稱無中線Y接時，Ul≠■Up，負載的UP不再平衡，各Ip也不相等，致使負載輕的一相因相電壓過高而受到損壞，負載重的一相也會因相電壓過低不能正常工作。③不對稱三相負載作Y聯(lián)接時，必須采用Yo接法，且中線必須牢固聯(lián)接，以保證三相不對稱負載的每相電壓維持對稱[5]。④三相負載△形聯(lián)接時，不論負載是否對稱，Ul=Up;若負載對稱時，其Ip也對稱，Il=■Ip;若負載不對稱，則Il≠■Ip。⑤三相負載△形聯(lián)接時，不論負載是否對稱，只要電源的Ul對稱，加在三相負載上的電壓Up也對稱，各相負載的工作均不受影響。

從上面對數(shù)據(jù)的分析可知：應(yīng)用Matlab軟件完全可對三相交流電路進行仿真實驗，得出的結(jié)論全都符合理論內(nèi)容，因此仿真實驗是正確的、可行的。

三、結(jié)束語

仿真實驗不僅安全，電路的連接和參數(shù)值易于修改，而且可直觀地看到電路的輸出波形結(jié)果，操作極為方便，效果很好[6]。仿真實驗所得結(jié)論與理論分析結(jié)果完全一致，從開始設(shè)計實驗電路到完成仿真實驗，得出所需數(shù)據(jù)及波形，花費的時間比到實驗室做實驗要少，在同樣時間內(nèi)，做仿真實驗學(xué)到的知識更多，大大提高了學(xué)習(xí)效率。因此利用Matlab進行設(shè)計型實驗仿真學(xué)習(xí)是正確可行的。另外在設(shè)計過程中，可高效地開發(fā)學(xué)生的思維，開拓學(xué)生的思路，鍛煉其單獨創(chuàng)新設(shè)計、獨立思考問題、分析判斷問題和解決問題的能力，加強學(xué)生全面素質(zhì)的培養(yǎng)，尤其是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]。

參考文獻：

[1]彭安華，張金文.以能力培養(yǎng)為主線，改進電工學(xué)實驗教學(xué)[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，（6）：135-137，163.

[2]秦曾煌.電工學(xué)（上冊）電工技術(shù)（第6版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]付巍.Matlab在電工技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].機械管理開發(fā)，.2005，（6）：118-120.

[4]郭桂葉，李斌.“電工電子技術(shù)”課堂教學(xué)的改革與實踐[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報，2011，（6）：93-94..

[5]化曉茜，王紫婷.改革電工電子實驗教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2011，（6）：151-153.

[6]黎霞，毛一之.Matlab軟件在電工學(xué)輔助教學(xué)的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，（10）：200-205.

[7]曹榮敏，周惠興.設(shè)計創(chuàng)新實驗項目培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2011，（10）：228-231.