如何更好地利用Matlab辅助电工技术课程教学

耿大勇 霍春宝 魏 玲

辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

如何更好地利用Matlab辅助电工技术课程教学

耿大勇 霍春宝 魏 玲

辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

Matlab是一个高性能的计算和仿真软件。通过几个实例说明了如何更好地利用Matlab软件进行电工技术课程的辅助教学，对进一步完善电工技术课程教学具有参考价值。

电工技术；Matlab；Simulink；仿真

电工技术是我国工科高校多数非电类专业必修的一门技术基础课程。学生通过该课程的学习，获得必需的电工基础知识，电机、变压器结构及原理，电工测量的基本技能和安全用电常识，为学习后续专业课程打下坚实的基础。在电工技术课程的仿真教学软件使用方面，目前Multisim和Matlab是两款主流软件。比较起来，Multisim软件适用于模拟/数字电路（电子技术）的仿真和分析［1］；而Matlab软件更适用于电工技术课程的仿真。Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。在矩阵分析、图形处理、系统建模和仿真等方面有得天独厚的优势，编程也比较简单。特别是Matlab软件提供的Simulink组件平台，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境［2］。因此，Matlab软件不但有很好的助学性能，而且有很好的教学性能。利用该软件进行辅助教学主要有编程计算和Simulink建模仿真两种方法，教学中选择哪种方法更有利要视教学内容而定。本文以电工技术课程中的几个知识点为例，讨论在教学中如何更好地利用Matlab软件，在有限的课时内传授给学生更多的知识，使枯燥的理论教学变得生动，从而提高学生的学习兴趣，以便更好地发挥它在教学中的作用。

1 充分利用Matlab编程简单和计算功能强的特点

在直流电路和交流电路的稳态分析内容中，包括一些重要的电路分析方法：如支路电流法、节点电压法和回路电流法；还有一些重要的电路定理：如叠加定理、戴维宁定理和互易定理等。传统教学中教师常常要把大量的时间和精力花在公式推导和繁杂的数学计算中，比如经常要列写和求解电压和电流之间的关系方程或方程组。如果这些工作改用Matlab进行，可大大提高讲课效率。这时可以利用Matlab编写m程序的方法进行求解。因为Matlab具有强大的矩阵分析功能，尤其适于解决大规模电路的分析，如节点电压方程和回路电流方程的求解。

1.1 在直流电路中的应用

下面以图1所示电路说明，试采用支路电流法求各支路电流［3］。该电路的支路电流方程为：

图1 直流电路实例

写成矩阵形式为

以往教师在课上要花费好长时间解此方程组，实际上意义不大，利用Matlab强大的矩阵计算能力，用以下几条语句进行编程即可实现上述代数方程组的求解。在Matlab命令菜单中输入edit 命令进入程序编辑器，编辑M文件，运行下述程序：表示A的逆阵

输出的运算结果为

与理论计算结果一致。可见这个过程就像在演算纸上进行求解一样简单。

1.2 在交流电路中的应用

交流电路的计算比较麻烦，但应用Matlab进行交流电路的相量运算及绘制相量图都很方便。以图2所示的电路为例，设电阻R为2Ω，电感L为0.01 H， 交流电压源电压为频率f为50 Hz，

图2 交流电路实例

输出的计算结果为Iz= 31.7469 -49.8427i

2 利用Simulink引导学生将理论和实际联系起来

Matlab软件的Simulink平台是很有特色的仿真环境，在此仿真环境中，用户可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织电路或系统，并完成对电路或系统的仿真。教师可以一边引导学生思考和想象，一边用Simulink搭建电路进行仿真，这样可以培养学生的解决实际问题能力和创造能力。仍以图2所示的交流电路无功补偿及功率因数提高问题为例，当开关K打开时，求电路的有功功率P、无功功率Q和功率因数K闭合后可提高电路的功率因数，欲提高至电容C取多大？

对这样抽象较难理解的内容可用Simulink进行系统建模并进行仿真演示，搭建该系统该使用哪些模块，对某些参数如何测量，引导学生思考。这种方法使学生感到自己好像是在实验室上理论课，结果逼真和直观。该过程不仅加深了对理论知识的理解，也有意识地进行了创造能力的培养。其仿真模型如图3所示。

图3 图2所示电路的Simulink仿真模型

Simulink中，只需将所要计算电路的端电压和电流送入有功和无功功率测量仪即可通过显示模块直接显示。利用数学运算模块据功率因数定义式可搭建功率因数计算子系统。先断开电容仿真显示有功和无功功率分别为6.979 kW，10.96 kVar，功率因数再设置电容值

用手动开关连接电容，仿真后显示有功功率不变，无功功率3 360 Var（减小），功率因数功率因数被提高了，和理论分析完全一致。再改变电容值可看到它的变化对电路的功率因数会产生什么影响，这样会引导学生主动进行思考，活跃了上课的气氛，也学到了知识。

图4 电力系统的Simulink仿真模型

3 利用Simulink 进行系统仿真将前后知识有机联系

图4所示为电力系统Simulink仿真模型。其中包含3个交流电压源、1个升压变压器（3.15 KV/35 kV），一个降压变压器（35 KV/400 V）、具有分布参数的输电线（分别设置成300 km和1 km）模块。3个交流电压源设置成等幅值（大小为初相位互差120度，用来模拟交流发电机。具有分布参数的输电线模块用来模拟实际输电线上的电能损耗。

三相负载分别为电阻负载和异步电动机。电机主要参数为：额定功率5.5 kW、线电压380 V、极对数p=3，负载转矩为5.5 N·m。通过示波器可看到异步电动机电压、电流和转速的动态变化情况。该系统模型还可以模拟三相异步电动机缺相时的运行情况，为此在C相中串入了断路器模块，用阶跃信号控制它在2秒时断开C相导线，使从正常的三相运行变为单相运行。通过电动机参数测量器测出的电机定子A相电流曲线如图5所示。从图可以看出异步电动机在运行中如某相断线，电机仍可继续转动，如此时还带额定负载工作，电流将超过额定

Simulink具有仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，非常适合于含有电机、变压器等时变控制系统的动态仿真。对变压器、电机、发电和输电这部分知识要求非电类学生重在了解和应用，为了将这些知识有机地联系起来进行教学，可使用Simulink的电力系统模块库（Power System Blockset）中的元器件模块组建大系统进行仿真。值，有可能烧毁电机。将三相电阻负载设置成不同参数可比较三相对称和不对称电路的不同。

图5 电机A相线电流的仿真曲线

4 结束语

对于直流电路和交流电路的稳态分析中复杂的计算内容，适合通过编程求解；对一些抽象较难理解的内容和含有电机、变压器等时变控制系统的动态仿真适合通过Simulink仿真，以帮助学生理解，同时还可以与实验教学内容相联系，改变该课程在教学中脱离实际工程背景的窘境。为了将前后知识联系起来，还可以进行大系统仿真，提高教学趣味性。借助于Matlab的帮助，教师可以根据学生的学习情况设计较为复杂的、与实际工程密切相关的问题，引导学生进行更复杂的系统分析，提高学习兴趣。

［1］ 沙春芳.Multisim10在模拟电子技术教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2011（3）：125-126.

［2］ 薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［3］ 秦曾煌.电工学［M］.上册，第六版.北京：高等教育出版社，2004.

How Uses Matlab to Carry on the Electrician Technology Auxiliary Teaching Better

Geng Dayong， Huo Chunbao， Wei Ling

Liaoning University of Technology， Jinzhou， 121001， China

Matlab is a high performance calculation and simulation software. This paper discusses how uses Matlab software to carry on the electrician technology assistance teaching better through several examples， which has reference value to perfect the teaching of electrician technology.

electrician technology ； Matlab； Simulink； simulation

2015-06-29

耿大勇，硕士，副教授，电工教研室主任。霍春宝，博士，教授，协同创新中心副主任。魏玲，博士，教授。

辽宁省普通高校本科教学改革研究项目“电工与电子技术课程教学改革与实践”（编号：UPRP20140307）；辽宁省教育评价协会教学改革与教育质量评价研究项目“电工学课程教学改革与实践”（编号：PJHYYB15101）。