三相交流电路的创新学习方法与实践

摘要：用Matlab对三相交流电路进行仿真学习，可避免发生事故危险，且能改善设备不足的限制，提高实验效率。本文以三相交流电路的电压电流测量为例，利用Matlab中相关模块库建立仿真模型，通过设置参数，运行仿真得出仿真数据和波形。并对仿真结果进行详细分析，得出结论。结果发现所得出的结论与理论知识完全吻合，证明了应用Matlab软件进行设计型实验学习正确可行，学习方法创新，具有很强的可操作性。

关键词：三相交流电路;创新学习;设计型实验;Matlab仿真;仿真模型

中图分类号：TM933 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）45-0155-03

实验是电工课程学习的重要实践环节，分为基础演示型、验证型和设计型实验，而设计型实验最能锻炼学生的综合素质。设计型实验要求根据给定任务，设计实验方案、电路图及选择参数、独立进行测试和调整各参数值，得出符合任务要求的测试电路。如果能在进入实验室进行真正实验之前，对设计性实验采用计算机进行仿真设计，则可充分理解实验的目的、内容，避免实验过程中的某些错误，大大提高实验效率。也可以克服实验设备不足的限制。Matlab/Simulink仿真是一种交互式仿真，利用它进行仿真实验，不仅电路直观，易于理解，而且实验中的参数修改方便，实验结果一目了然。通过仿真设计过程可以开阔学生的思路，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力[1]，提高其综合素质。

一、三相交流电路电压电流的测量实验设计

1.三相交流电路实验要求。①完成三相电阻性负载作星形联接的三相交流电路设计。且所设计的电路需完成：（1）有中线Yo接法;（2）无中线Y接法两种情况时：研究负载对称;负载不对称;负载不对称，A相又开路等工作情况[2]。②完成三相电阻性负载作形联接的电路设计。研究在负载对称和负载不对称时的工作情况。③测量负载线/相电压、电流，并分析三相电路的负载线/相电压，电流的关系以及中性线作用。

2.设计实验电路。设三相交流电路如图1所示，上图为三相负载Y形联接，下图为三相负载形联接。三相电源经自耦调压器接到灯组负载，调压器的输出线电压220V，相电压为127V，频率50Hz。N为中性点。三相负载为RA，RB，RC。每相选取3个并联的白炽灯（规格为10W，220V），每个灯的电阻为R=2202/10=4840Ω。如果负载对称，即开关闭合，每相开3盏灯，则RA=RB=RC=1613Ω。如果负载不对称，A相开1盏灯，B相开2盏灯，C相开3盏灯，则RA=4840Ω，RB=2420Ω，RC=1613Ω。如果负载不对称，A相又开路，B相开1盏灯，C相开2盏灯，则RB=4840Ω，RC=2420Ω。

二、利用Matlab仿真三相交流电路

1.建立仿真模型。三相实验电路设计好后，借助Matlab/Simulink中的相关模块建立电路的仿真模型。表1列出了主要元器件的模块名称及提取路径。建立的仿真模型如图2所示，负载是Y形接法，也可改形接法。

2.设置模块参数及注意的问题。①三相交流电源。双击单相交流电源模块，可对参数进行设置[3]。设置峰值电压127*sqrt（2）V，频率50Hz，相位为0°，B、C相位分别为-120°，+120°。同理，可对其他模块参数进行设置。②负载RA，RB，RC的参数设置。通过设置其参数值大小，可得对称负载或不对称负载。③电压电流的测量。各交流电压表、电流表所测得的值均为有效值，而仿真模型中的电压、电流均为瞬时值，因此通过“Discrete RMS Value”模块将瞬时值转换为有效值，模块的频率设为50Hz。④测量与显示。Multimeter可显示所需测量的电参量，能省掉很多电压、电流测量模块[3]。选择“Scope”和“Display”模块显示波形及数据。⑤电路改接。在仿真模型中直接操作，如将A相开路，可将负载RA与中性点的连接线剪切掉。⑥仿真时间设置为0～0.06s，仿真算法采用ode45，其他为缺省设置。

3.运行仿真模型获取实验数据。①三相四线制Yo形联接（有中线）：

测量有中线时三相对称负载（每相开3盏灯）和不对称（A开1盏灯、B开2盏灯、C开3盏灯;A断路，B开1盏灯、C开2盏灯）情况下的Ul、UP、I1、Ip以及中线两端的电压UNO的数值，注意观察中线的作用。运行仿真所得的数据计入表2。②三相三线制Y形联接（断开中线）：将中线断开，测量无中线时三相负载对称（每相开3盏灯）和不对称（A开1盏灯、B开2盏灯、C开3盏灯;A断路，B开1盏灯、C开2盏灯）情况下的各电量，将数据记入表3。

③三相三线制形联接：三相负载对称时取A-B、B-C、C-A相均开3盏灯。三相负载不对称时取A-B相开1盏灯、B-C相开2盏灯、C-A相开3盏灯。运行仿真模型，所测得数据计入表4。

4.仿真结果分析。从表2～4数据中可得出如下结论：①当负载采用Yo联接时，不论负载是否对称，Ul=■UP，I1=Ip。当负载对称时，各相电流相等，流过中线的电流Io=0，所以中线可以省去。②负载不对称无中线Y接时，Ul≠■Up，负载的UP不再平衡，各Ip也不相等，致使负载轻的一相因相电压过高而受到损坏，负载重的一相也会因相电压过低不能正常工作。③不对称三相负载作Y联接时，必须采用Yo接法，且中线必须牢固联接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称[5]。④三相负载形联接时，不论负载是否对称，Ul=Up;若负载对称时，其Ip也对称，Il=■Ip;若负载不对称，则Il≠■Ip。⑤三相负载形联接时，不论负载是否对称，只要电源的Ul对称，加在三相负载上的电压Up也对称，各相负载的工作均不受影响。

从上面对数据的分析可知：应用Matlab软件完全可对三相交流电路进行仿真实验，得出的结论全都符合理论内容，因此仿真实验是正确的、可行的。

三、结束语

仿真实验不仅安全，电路的连接和参数值易于修改，而且可直观地看到电路的输出波形结果，操作极为方便，效果很好[6]。仿真实验所得结论与理论分析结果完全一致，从开始设计实验电路到完成仿真实验，得出所需数据及波形，花费的时间比到实验室做实验要少，在同样时间内，做仿真实验学到的知识更多，大大提高了学习效率。因此利用Matlab进行设计型实验仿真学习是正确可行的。另外在设计过程中，可高效地开发学生的思维，开拓学生的思路，锻炼其单独创新设计、独立思考问题、分析判断问题和解决问题的能力，加强学生全面素质的培养，尤其是创新能力的培养[7]。

参考文献：

[1]彭安华，张金文.以能力培养为主线，改进电工学实验教学[J].实验科学与技术，2011，（6）：135-137，163.

[2]秦曾煌.电工学（上册）电工技术（第6版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]付巍.Matlab在电工技术课程教学中的应用[J].机械管理开发，.2005，（6）：118-120.

[4]郭桂叶，李斌.“电工电子技术”课堂教学的改革与实践[J].遵义师范学院学报，2011，（6）：93-94..

[5]化晓茜，王紫婷.改革电工电子实验教学 培养学生的创新能力[J].实验室研究与探索，2011，（6）：151-153.

[6]黎霞，毛一之.Matlab软件在电工学辅助教学的应用[J].电气电子教学学报，2010，（10）：200-205.

[7]曹荣敏，周惠兴.设计创新实验项目培养工程创新能力[J].实验室研究与探索，2011，（10）：228-231.