三相交流電路的創新學習方法與實踐

張迪 李定珍

摘要：用Matlab對三相交流電路進行仿真學習，可避免發生事故危險，且能改善設備不足的限制，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中相關模塊庫建立仿真模型，通過設置參數，運行仿真得出仿真數據和波形。并對仿真結果進行詳細分析，得出結論。結果發現所得出的結論與理論知識完全吻合，證明了應用Matlab軟件進行設計型實驗學習正確可行，學習方法創新，具有很強的可操作性。

關鍵詞：三相交流電路;創新學習;設計型實驗;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

實驗是電工課程學習的重要實踐環節，分為基礎演示型、驗證型和設計型實驗，而設計型實驗最能鍛煉學生的綜合素質。設計型實驗要求根據給定任務，設計實驗方案、電路圖及選擇參數、獨立進行測試和調整各參數值，得出符合任務要求的測試電路。如果能在進入實驗室進行真正實驗之前，對設計性實驗采用計算機進行仿真設計，則可充分理解實驗的目的、內容，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，而且實驗中的參數修改方便，實驗結果一目了然。通過仿真設計過程可以開闊學生的思路，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力[1]，提高其綜合素質。

一、三相交流電路電壓電流的測量實驗設計

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接的三相交流電路設計。且所設計的電路需完成：（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△形聯接的電路設計。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，電流的關系以及中性線作用。

2.設計實驗電路。設三相交流電路如圖1所示，上圖為三相負載Y形聯接，下圖為三相負載△形聯接。三相電源經自耦調壓器接到燈組負載，調壓器的輸出線電壓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個并聯的白熾燈（規格為10W，220V），每個燈的電阻為R=2202/10=4840Ω。如果負載對稱，即開關閉合，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。三相實驗電路設計好后，借助Matlab/Simulink中的相關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.設置模塊參數及注意的問題。①三相交流電源。雙擊單相交流電源模塊，可對參數進行設置[3]。設置峰值電壓127*sqrt（2）V，頻率50Hz，相位為0°，B、C相位分別為-120°，+120°。同理，可對其他模塊參數進行設置。②負載RA，RB，RC的參數設置。通過設置其參數值大小，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”模塊將瞬時值轉換為有效值，模塊的頻率設為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”模塊顯示波形及數據。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仿真時間設置為0～0.06s，仿真算法采用ode45，其他為缺省設置。

3.運行仿真模型獲取實驗數據。①三相四線制Yo形聯接（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的數值，注意觀察中線的作用。運行仿真所得的數據計入表2。②三相三線制Y形聯接（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，將數據記入表3。

③三相三線制△形聯接：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，所測得數據計入表4。

4.仿真結果分析。從表2～4數據中可得出如下結論：①當負載采用Yo聯接時，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聯接時，必須采用Yo接法，且中線必須牢固聯接，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。

從上面對數據的分析可知：應用Matlab軟件完全可對三相交流電路進行仿真實驗，得出的結論全都符合理論內容，因此仿真實驗是正確的、可行的。

三、結束語

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

參考文獻：

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

[3]付巍.Matlab在電工技術課程教學中的應用[J].機械管理開發，.2005，（6）：118-120.

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