基于Matlab的电工学教学改革研究

刘宁宁　俞梅

摘要：该文将Matlab的计算、可视化与仿真功能，运用于电工学的教学改革研究中。将书本理论知识与Madab软件有机结合，不仅保留了传统教学的优势，而且对问题的讲解更加便捷、形象，有助于加深学生对知识的理解，节约课时，提高教学质量。

关键词：Madab；仿真；电工学；教学改革；提高功率因数

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0097-02

电工学课程是工科非电类专业重要的专业基础课程之一。在电工学教学实践中，存在内容枯燥、理论抽象、计算复杂等问题。为提高课堂教学质量，激发学生创新实验能力，同时缓解实验设备不足和实验学时紧张等问题，本文拟采用Madab软件对电工学的教学进行改革。

Matlab程序设计语言是当今世界上最优秀的高性能数值计算软件，它的功能齐备的电工技术与自动控制软件工具箱，使得Matlab从工程计算软件变成电工计算与仿真的强有力工具。Matlab强大的计算功能，丰富、方便的图形功能，与其仿真工具箱结合，可开辟电工学教学的新思路。

本文通过对功率因数提高问题的研究来说明Madab在电工学教学中的应用。

1功率因数提高问题的提出

供电系统中的负载多属感性负载，如厂矿企业中大量使用的异步电动机、控制电路中的交流接触器以及照明用的日光灯等都是感性负载。感性负载的电流滞后于电压西角，功率因数cosφ总是小于1，功率因数低带来电源容量不能得到充分利用、增加了线路的电压损失和功率损失等不良影响。因此，提高的功率因数是节约电能，提高供电质量的重要途径。

2提高功率因数的措施

提高功率因数的方法是在电感性负载两端并联电容器，产生一个超前电压900的容性电流分量，以补偿感性负载的无功电流分量，使线路总电流减小。电路图及相量图如图1所示。

3定量计算

补偿电容的计算：

在电源电压U一定，输送一定功率P的供电系统中，若原来的功率因数为cosφ₁，现要求提高到cosφ，所需并联的电容量计算如下。

由图1（b）所示的相量图可知，通过电容器的电流应为

又从图1（a）所示电路图中可知

例：一感性负载，其功率P=10kW，cosφ=0.6，接在电压U=220V，f=50Hz的电源上。求：

（1）求负载电流、无功功率；

（2）如将功率因数提高到0.95，需要并联多大的电容c，求并C前后线路的电流、负载电流、电容电流、有功功率、无功功率。

根据前面的计算公式，运用Matlab编制M文件，进行计算，程序如下：

程序计算结果与理论值相同。采用Matlab软件进行功率因数参数的计算，当并联电容使功率因数提高时，可以方便的计算出电路中各参数的值，并且由相量图可以形象的观察电压电流大小及相位的变化。

4Mtalab-Simulink建模仿真

对图1（a）所示电路可以通过MatLab的Simulink进行电路建模仿真，仿真步骤如下：

（1）在simpowersystem/Electfical Sources模块里找出交流电源模块；在simpowersystem/Elements模块里找出需要的RLC模块，并根据需要设置为电阻电感串联或电容；在simpowersystem/measure-ments找出电压电流测量模块；在simulinkSinks里找出显示display模块；在simpowersystem/measurements里找出Active&ReactivePower模块；最后simpowersystem找出Powergui模块。

（2）对所用元件及仪表进行参数修改。

（3）連接线路。

（4）运行仿真模型电路图，进行数据的观测。

图3是电路未进行功率因数补偿前，功率因数为0.6的仿真模型；图4是并联6.60ur电容，将电路功率因数补偿到0.95后的仿真模型。

5建模仿真电路数据分析

图3中数据显示，功率因数补偿前，仿真值与理论计算值完全相同，证明了仿真模型的正确性；图4指示仪表的各数据，与理论计算值有微小误差。这是由于在建立仿真电路模型时，交流电压源与电容器不能直接并联，故采取了先把电容与一微小电阻串联，再与电压源串联的方式，从而使仿真结果存在微小误差。

6结论

采用Matlab软件对电工学教学中的问题进行改革，在讲解基本理论的基础上，利用软件强大的计算功能，只需在程序中输入改变了的电路参数，就可以精确、快速、形象的观察对电路其他参数的影响，可以减少问题分析时的计算量；将软件的simulink仿真功能运用于教学中，只需从元件库中选取所需器件，正确搭建仿真电路，课堂上现场改变参数，就可以直观、形象的观测到数据的变化。

Matlab软件在电工学教学中的应用，使电工学理论更加生动、形象，开拓了电工学教学的新思路。