劉寧寧　俞梅

摘要：該文將Matlab的計(jì)算、可視化與仿真功能，運(yùn)用于電工學(xué)的教學(xué)改革研究中。將書本理論知識(shí)與Madab軟件有機(jī)結(jié)合，不僅保留了傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)問題的講解更加便捷、形象，有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，節(jié)約課時(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Madab；仿真；電工學(xué)；教學(xué)改革；提高功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）13-0097-02

電工學(xué)課程是工科非電類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。在電工學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，存在內(nèi)容枯燥、理論抽象、計(jì)算復(fù)雜等問題。為提高課堂教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)緊張等問題，本文擬采用Madab軟件對(duì)電工學(xué)的教學(xué)進(jìn)行改革。

Matlab程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，它的功能齊備的電工技術(shù)與自動(dòng)控制軟件工具箱，使得Matlab從工程計(jì)算軟件變成電工計(jì)算與仿真的強(qiáng)有力工具。Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，豐富、方便的圖形功能，與其仿真工具箱結(jié)合，可開辟電工學(xué)教學(xué)的新思路。

本文通過對(duì)功率因數(shù)提高問題的研究來說明Madab在電工學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

1功率因數(shù)提高問題的提出

供電系統(tǒng)中的負(fù)載多屬感性負(fù)載，如廠礦企業(yè)中大量使用的異步電動(dòng)機(jī)、控制電路中的交流接觸器以及照明用的日光燈等都是感性負(fù)載。感性負(fù)載的電流滯后于電壓西角，功率因數(shù)cosφ總是小于1，功率因數(shù)低帶來電源容量不能得到充分利用、增加了線路的電壓損失和功率損失等不良影響。因此，提高的功率因數(shù)是節(jié)約電能，提高供電質(zhì)量的重要途徑。

2提高功率因數(shù)的措施

提高功率因數(shù)的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，產(chǎn)生一個(gè)超前電壓900的容性電流分量，以補(bǔ)償感性負(fù)載的無(wú)功電流分量，使線路總電流減小。電路圖及相量圖如圖1所示。

3定量計(jì)算

補(bǔ)償電容的計(jì)算：

在電源電壓U一定，輸送一定功率P的供電系統(tǒng)中，若原來的功率因數(shù)為cosφ₁，現(xiàn)要求提高到cosφ，所需并聯(lián)的電容量計(jì)算如下。

由圖1（b）所示的相量圖可知，通過電容器的電流應(yīng)為

又從圖1（a）所示電路圖中可知

例：一感性負(fù)載，其功率P=10kW，cosφ=0.6，接在電壓U=220V，f=50Hz的電源上。求：

（1）求負(fù)載電流、無(wú)功功率；

（2）如將功率因數(shù)提高到0.95，需要并聯(lián)多大的電容c，求并C前后線路的電流、負(fù)載電流、電容電流、有功功率、無(wú)功功率。

根據(jù)前面的計(jì)算公式，運(yùn)用Matlab編制M文件，進(jìn)行計(jì)算，程序如下：

程序計(jì)算結(jié)果與理論值相同。采用Matlab軟件進(jìn)行功率因數(shù)參數(shù)的計(jì)算，當(dāng)并聯(lián)電容使功率因數(shù)提高時(shí)，可以方便的計(jì)算出電路中各參數(shù)的值，并且由相量圖可以形象的觀察電壓電流大小及相位的變化。

4Mtalab-Simulink建模仿真

對(duì)圖1（a）所示電路可以通過MatLab的Simulink進(jìn)行電路建模仿真，仿真步驟如下：

（1）在simpowersystem/Electfical Sources模塊里找出交流電源模塊；在simpowersystem/Elements模塊里找出需要的RLC模塊，并根據(jù)需要設(shè)置為電阻電感串聯(lián)或電容；在simpowersystem/measure-ments找出電壓電流測(cè)量模塊；在simulinkSinks里找出顯示display模塊；在simpowersystem/measurements里找出Active&ReactivePower模塊；最后simpowersystem找出Powergui模塊。

（2）對(duì)所用元件及儀表進(jìn)行參數(shù)修改。

（3）連接線路。

（4）運(yùn)行仿真模型電路圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)。

圖3是電路未進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償前，功率因數(shù)為0.6的仿真模型；圖4是并聯(lián)6.60ur電容，將電路功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95后的仿真模型。

5建模仿真電路數(shù)據(jù)分析

圖3中數(shù)據(jù)顯示，功率因數(shù)補(bǔ)償前，仿真值與理論計(jì)算值完全相同，證明了仿真模型的正確性；圖4指示儀表的各數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算值有微小誤差。這是由于在建立仿真電路模型時(shí)，交流電壓源與電容器不能直接并聯(lián)，故采取了先把電容與一微小電阻串聯(lián)，再與電壓源串聯(lián)的方式，從而使仿真結(jié)果存在微小誤差。

6結(jié)論

采用Matlab軟件對(duì)電工學(xué)教學(xué)中的問題進(jìn)行改革，在講解基本理論的基礎(chǔ)上，利用軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能，只需在程序中輸入改變了的電路參數(shù)，就可以精確、快速、形象的觀察對(duì)電路其他參數(shù)的影響，可以減少問題分析時(shí)的計(jì)算量；將軟件的simulink仿真功能運(yùn)用于教學(xué)中，只需從元件庫(kù)中選取所需器件，正確搭建仿真電路，課堂上現(xiàn)場(chǎng)改變參數(shù)，就可以直觀、形象的觀測(cè)到數(shù)據(jù)的變化。

Matlab軟件在電工學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，使電工學(xué)理論更加生動(dòng)、形象，開拓了電工學(xué)教學(xué)的新思路。