三相交流電路的創(chuàng)新學(xué)習(xí)方法與實(shí)踐

張迪 李定珍

摘要：用Matlab對(duì)三相交流電路進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，可避免發(fā)生事故危險(xiǎn)，且能改善設(shè)備不足的限制，提高實(shí)驗(yàn)效率。本文以三相交流電路的電壓電流測(cè)量為例，利用Matlab中相關(guān)模塊庫(kù)建立仿真模型，通過設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行仿真得出仿真數(shù)據(jù)和波形。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)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(shí)完全吻合，證明了應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)正確可行，學(xué)習(xí)方法創(chuàng)新，具有很強(qiáng)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(jì)型實(shí)驗(yàn);Matlab仿真;仿真模型

中圖分類號(hào)：TM933 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）45-0155-03

實(shí)驗(yàn)是電工課程學(xué)習(xí)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，分為基礎(chǔ)演示型、驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)最能鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)給定任務(wù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、電路圖及選擇參數(shù)、獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整各參數(shù)值，得出符合任務(wù)要求的測(cè)試電路。如果能在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真正實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，則可充分理解實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容，避免實(shí)驗(yàn)過程中的某些錯(cuò)誤，大大提高實(shí)驗(yàn)效率。也可以克服實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的限制。Matlab/Simulink仿真是一種交互式仿真，利用它進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不僅電路直觀，易于理解，而且實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)修改方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然。通過仿真設(shè)計(jì)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(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路。設(shè)三相交流電路如圖1所示，上圖為三相負(fù)載Y形聯(lián)接，下圖為三相負(fù)載△形聯(lián)接。三相電源經(jīng)自耦調(diào)壓器接到燈組負(fù)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(diǎn)。三相負(fù)載為RA，RB，RC。每相選取3個(gè)并聯(lián)的白熾燈（規(guī)格為10W，220V），每個(gè)燈的電阻為R=2202/10=4840Ω。如果負(fù)載對(duì)稱，即開關(guān)閉合，每相開3盞燈，則RA=RB=RC=1613Ω。如果負(fù)載不對(duì)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(fù)載不對(duì)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(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)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(fù)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(duì)參數(shù)進(jìn)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(duì)其他模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。②負(fù)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(duì)稱負(fù)載或不對(duì)稱負(fù)載。③電壓電流的測(cè)量。各交流電壓表、電流表所測(cè)得的值均為有效值，而仿真模型中的電壓、電流均為瞬時(shí)值，因此通過“Discrete RMS Value”模塊將瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換為有效值，模塊的頻率設(shè)為50Hz。④測(cè)量與顯示。Multimeter可顯示所需測(cè)量的電參量，能省掉很多電壓、電流測(cè)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(fù)載RA與中性點(diǎn)的連接線剪切掉。⑥仿真時(shí)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(yùn)行仿真模型獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。①三相四線制Yo形聯(lián)接（有中線）：

測(cè)量有中線時(shí)三相對(duì)稱負(fù)載（每相開3盞燈）和不對(duì)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(yùn)行仿真所得的數(shù)據(jù)計(jì)入表2。②三相三線制Y形聯(lián)接（斷開中線）：將中線斷開，測(cè)量無(wú)中線時(shí)三相負(fù)載對(duì)稱（每相開3盞燈）和不對(duì)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(fù)載對(duì)稱時(shí)取A-B、B-C、C-A相均開3盞燈。三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)取A-B相開1盞燈、B-C相開2盞燈、C-A相開3盞燈。運(yùn)行仿真模型，所測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)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(dāng)負(fù)載采用Yo聯(lián)接時(shí)，不論負(fù)載是否對(duì)稱，Ul=■UP，I1=Ip。當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，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(fù)載不對(duì)稱無(wú)中線Y接時(shí)，Ul≠■Up，負(fù)載的UP不再平衡，各Ip也不相等，致使負(fù)載輕的一相因相電壓過高而受到損壞，負(fù)載重的一相也會(huì)因相電壓過低不能正常工作。③不對(duì)稱三相負(fù)載作Y聯(lián)接時(shí)，必須采用Yo接法，且中線必須牢固聯(lián)接，以保證三相不對(duì)稱負(fù)載的每相電壓維持對(duì)稱[5]。④三相負(fù)載△形聯(lián)接時(shí)，不論負(fù)載是否對(duì)稱，Ul=Up;若負(fù)載對(duì)稱時(shí)，其Ip也對(duì)稱，Il=■Ip;若負(fù)載不對(duì)稱，則Il≠■Ip。⑤三相負(fù)載△形聯(lián)接時(shí)，不論負(fù)載是否對(duì)稱，只要電源的Ul對(duì)稱，加在三相負(fù)載上的電壓Up也對(duì)稱，各相負(fù)載的工作均不受影響。

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

三、結(jié)束語(yǔ)

仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所得結(jié)論與理論分析結(jié)果完全一致，從開始設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路到完成仿真實(shí)驗(yàn)，得出所需數(shù)據(jù)及波形，花費(fèi)的時(shí)間比到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)要少，在同樣時(shí)間內(nèi)，做仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)到的知識(shí)更多，大大提高了學(xué)習(xí)效率。因此利用Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)仿真學(xué)習(xí)是正確可行的。另外在設(shè)計(jì)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(dú)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考問題、分析判斷問題和解決問題的能力，加強(qiáng)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(xiàn)：

[1]彭安華，張金文.以能力培養(yǎng)為主線，改進(jìn)電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，（6）：135-137，163.

[2]秦曾煌.電工學(xué)（上冊(cè)）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(jī)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(shí)踐[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（6）：93-94..

[5]化曉茜，王紫婷.改革電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)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(bào)，2010，（10）：200-205.

[7]曹榮敏，周惠興.設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，（10）：228-231.