Virtual lab of three - phase electric power experiments

QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 19
Virtual lab of three-phase electric power experiments
Doan	Duc	Tung*,	Le	Thai	Hiep,	Doan	Thanh	Bao
Department of Engineering and Technology, Quy Nhon University
Received: 15/05/2019; Accepted: 15/06/2019
ABSTRACT
The paper presents the application of theory of electric theory and modeling methods to develop algorithms 
flowchart and build graphic user interface designs on computers. The program aims to simulate virtual experiments 
of three phase electric power theory without having to use pratical devices. Typical applications of the program are 
to simulate symmetrical and asymmetrical three-phase circuit experiments for analyzing the relationship among 
the phase and the magnitude of currents, the line to line and line to ground voltages under the star- (Y) and delta- 
(∆) connected configurations in the symmetrical three-phase system. Moreover, it could be used to measure the 
3-phase load power capacity by the 1-wattmeter and 2-wattmeter methods. Each process of measuring, calculating 
and processing results of the software program is verified and retested accurately with the practical experiments. 
Finally, this paper shows results in the form of tables or graphs within the experiment scopes.
Keywords: Virtual experiment, three-phase circuit, symmetrical circuit, asymmetrical circuit, star circuit, delta 
circuit.
*Corresponding author.
Email: doanductung@qnu.edu.vn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-2620
*Tác giả liên hệ chính. 
Email: doanductung@qnu.edu.vn
1.	ĐẶT	VẤN	ĐỀ 
Một trong những yêu cầu cấp thiết của 
việc đổi mới phương pháp dạy học hiện nay là 
tăng cường sử dụng phương tiện dạy học hiện 
đại và ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy 
học. Đặc biệt đối với các ngành kỹ thuật thì việc 
sử dụng phương tiện dạy học hiện đại và ứng 
dụng công nghệ thông tin càng có ý nghĩa quan 
trọng trong giai đoạn phát triển nhanh của công 
nghệ như hiện nay. Việc hạn chế về trang thiết bị 
hiện đại trong đào tạo nhằm đáp ứng cho từng 
mô đun, môn học dẫn đến việc sinh viên sau khi 
tốt nghiệp thường gặp nhiều lúng túng bỡ ngỡ 
trong thực hành. Có thể khắc phục hạn chế này 
bằng cách xây dựng các thí nghiệm - thực hành 
ảo có đủ mô hình các trang thiết bị như thật để 
sinh viên có thể làm quen với thiết bị, thao tác 
trên các thiết bị, đo đạc các thông số vật lý, khảo 
sát các đặc tính, thử nghiệm dễ dàng các chế độ 
của mạch, đọc chỉ số thiết bị đo một cách thành 
Thí	nghiệm	ảo	mạch	điện	ba	pha
Đoàn	Đức	Tùng*,	Lê	Thái	Hiệp,	Đoàn	Thanh	Bảo
Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn
Ngày nhận bài: 15/05/2019; Ngày nhận đăng: 15/06/2019
TÓM	TẮT
Bài báo trình bày ứng dụng lý thuyết về Lý thuyết mạch và Phương pháp mô hình hóa trên máy tính để 
nghiên cứu, xây dựng lưu đồ thuật toán, thiết kế giao diện và viết chương trình nhằm mô phỏng thí nghiệm, thực 
hành (TN – TH) ảo về Lý thuyết mạch mà không phải dùng các thiết bị thật. Kết quả được thực hiện mô phỏng cho 
các thí nghiệm mạch điện ba pha đối xứng và không đối xứng với các nội dung như phân tích, nghiệm lại quan hệ 
về pha và mô đun giữa dòng, áp dây và pha trong hệ pha đối xứng nối hình sao (Y) và hình tam giác (∆); đo công 
suất tải 3 pha theo phương pháp 1 wattmet, 2 wattmet; xuất kết quả đo dưới dạng bảng số liệu hoặc đồ thị.
Từ	khóa: Thí nghiệm ảo, mạch điện ba pha, mạch đối xứng, mạch không đối xứng, mạch hình sao, mạch hình 
tam giác.
thạo nhằm trau dồi các kỹ năng.4,5,6,7 Do vậy, 
việc xây dựng các bài thí nghiệm - thực hành ảo 
Lý thuyết mạch bao gồm các thiết bị đo lường 
hiện đại cùng các panel thí nghiệm tổng hợp có 
ý nghĩa rất lớn trong công tác đào tạo, giảng dạy 
và nghiên cứu tại các cơ sở đào tạo.
2.	MẠCH	ĐIỆN	BA	PHA
2.1	Khái	quát	
- Nguồn điện ba pha có thể lấy ra từ máy 
phát điện xoay chiều đồng bộ ba pha hoặc từ các 
máy biến áp ba pha ở các trạm biến áp. Nguồn 
áp đối đối xứng có các sức điện động (sđđ) hoàn 
toàn giống nhau và lệch nhau 1200 ứng với thời 
gian 1/3 chu kỳ. Ta có biểu thức các sđđ đó.1
Sức điện động pha A: 
Sức điện động pha B:
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 21
Sức điện động pha C:
- Nếu các nguồn điện nối riêng rẽ với các 
tải có tổng trở pha Z
A
, Z
B
, Z
C
 ta có hệ thống ba 
pha gồm ba mạch một pha nhưng không liên hệ 
nhau (hình 1). Mỗi mạch điện gọi là một pha của 
mạch điện ba pha.1
Hình	1. Hệ thống 3 pha nối riêng rẽ
- Mạch ba pha không liên hệ (hình 1), 
trong thực tế không dùng cách nối dây này vì 
không kinh tế. Thường ba pha của nguồn nối liền 
với nhau, ba pha của tải nối liền với nhau và có 
đường dây ba pha nối giữa nguồn với tải, dẫn 
điện năng từ nguồn đến tải. Thông thường dùng 
2 cách nối: nối hình sao (ký hiệu Y) và nối hình 
tam giác (ký hiệu Δ).1
2.2.	Quan	hệ	giữa	dòng	điện	và	điện	áp	dây,	
pha	trong	mạch	3	pha	đối	xứng
2.2.1. Sơ đồ nối sao - sao (Y- Y) 
+ Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: 
Hình	2. Sơ đồ nối sao - sao (Y- Y).2
- Về trị số hiệu dụng: điện áp dây lớn hơn 
điện áp pha 3 lần: 
- Về góc pha: UAB vượt trước UA là 30
0.
+ Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng 
điện pha:
 A iA 
iC B C 
• 
X 
• 
ZA 
ZB ZC 
 Y Z 
iB 
eA 
eB 
eC 
- Về trị số hiệu dụng: I
d
 = I
f
- Về góc pha : Id = If
2.2.2. Sơ đồ nối tam giác - tam giác (Δ- Δ):
+ Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: 
Hình	3. Sơ đồ nối Δ- Δ
- Về trị số hiệu dụng: U
d 
 = U
f
- Về góc pha: U
d
 = U
f
+ Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng 
điện pha:
- Về trị số hiệu dụng: Dòng điện dây bằng
3 lần dòng điện pha: d fI = 3 I
- Về góc pha: dòng điện dây chậm sau 
dòng điện pha là 300.
2.3.	Đo	công	suất	tải	3	pha	bằng	các	Wattmet
2.3.1. Đo công suất mạch ba pha đối xứng
Ta chỉ cần đo công suất một pha, công 
suất ba pha là: P = 3P
f 
= 3 P1
với P1 - chỉ số của oatmét (Wattmeter) một 
pha.
Hình	4.	Đo công suất bằng 1 wattmet
2.3.2. Đo công suất mạch ba pha không đối xứng:
Để đo công suất mạch ba pha bốn dây 
không đối xứng ta dùng ba oatmét để đo công 
suất từng pha. Công suất ba pha là:1,2,3
P = P
A 
+ P
B
 + P
C
. .
. .
. .
.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-2622
Hình	5. Đo công suất bằng 3 wattmet
Hình	6. Đo công suất bằng 2 wattmet
Với mạch ba pha ba dây đối xứng hoặc 
không đối xứng có thể dùng hai oatmét nối dây 
như hình 6. Công suất của toàn mạch là:
P = P1 + P2 = PA + PB + PC
3.	THÍ	NGHIỆM	ẢO	MẠCH	ĐIỆN	BA	PHA
Xuất phát từ cơ sở khoa học về lý thuyết 
mạch điện, kết hợp với kỹ thuật lập trình trên 
MatLab bài báo đã nghiên cứu xây dựng mô hình 
thí nghiệm để thực hiện mô phỏng cho các bài thí 
nghiệm Lý thuyết mạch, trong phần này sẽ trình 
bày các thí nghiệm về “Mạch ba pha đối xứng và 
không đối xứng”.
Quá trình thực hiện thí nghiệm được thực 
hiện theo sơ đồ như hình 7. Sinh viên thực hiện 
các bước thí nghiệm theo các liên kết chính 
trong sơ đồ, trong đó sinh viên có thể xem bài 
thí nghiệm mẫu để thuận tiện cho việc làm thí 
nghiệm.
Hình	7. Sơ đồ quá trình tiến hành thí nghiệm
Trên cơ sở kỹ thuật lập trình trên ngôn ngữ 
MatLab, bài báo xây dựng các bài thí nghiệm lý 
thuyết mạch có giao diện chính như hình 8. 
Hình	8. Giao diện thí nghiệm - thực hành ảo lúc mới 
khởi động
Trên giao diện chính nhấn vào Tab “Thu 
vien” lấy các thiết bị để lắp mạch thí nghiệm - 
thực hành. Giao diện các thiết bị như hình 9.
Hình	9. Giao diện các thiết bị thí nghiệm ảo
Trên giao diện chính được thiết kế với 
nhiều tính năng như: Chọn các bài thực hành 
mẫu đã có (có 5 bài, mỗi bài có nhiều sơ đồ 
thí nghiệm), thư viện các thiết bị thí nghiệm, 
có thể lưu và hiển thị dữ liệu cho mỗi lần làm 
thí nghiệm.
Từ giao diện chính như hình 8 và thư viện 
các thí nghiệm như hình 9 ta có thể lắp đặt các 
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 23
mạch thí nghiệm theo nhu cầu cần khảo sát và 
tiến hành khảo sát để thu nhập các dữ liệu. 
Bài báo trình bày kết quả thực hiện các 
thí nghiệm ảo: mạch điện ba pha đối xứng đấu 
Y, mạch ba pha đối xứng đấu ∆ và mạch ba pha 
không đối xứng đấu Y0.
3.1.	Mạch	điện	3	pha	đối	xứng	đấu	Y
Từ giao diện chính như hình 8 và thư viện 
các thí nghiệm như hình 9, tiến hành lắp mạch 
điện 3 pha đối xứng đấu Y. Sơ đồ thí nghiệm 
được lắp đặt từ chương trình như hình 10. 
Hình	10. Sơ đồ thí nghiệm mạch điện 3 pha đối xứng 
đấu Y
Tiến hành khảo sát (chạy chương trình) ta 
được các số liệu về dòng điện, điện áp, công suất 
hiển thị trên các thiết bị đo như hình 11.
Hình	11. Kết quả đo các số liệu thí nghiệm mạch điện 
3 pha đối xứng đấu Y
Có thể xuất các số liệu thí nghiệm và vẽ 
các đặc tính trên giao diện chính như hình 12:
Hình	12. a) Hiển thị các số liệu; b) các dạng sóng của 
điện áp và dòng điện
Trong quá trình làm thí nghiệm thì các kết 
quả có thể đọc số liệu từ các đồng hồ hiển thị 
trên Giao diện mô phỏng (hình 11), cũng có thể 
đọc và phân tích trên Giao diện chính (hình 12). 
Kết quả cũng có thể được trích xuất như bảng 1.
Bảng	1. Kết quả đo trong thí nghiệm mạch 3 pha đối 
xứng đấu Y
Công suất (W) Dòng điện (A) Điện áp (V)
P1 1434.951 I1 2.20 UfA=U1 220.0
P2 1411.203 I2 2.20 UfB=U2 220.0
I3 2.20 UfC=U3 220.0
U
BC
=U4 381.1
U
n0
=U 0.0
a
b
24
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26
Qua kết quả thí nghiệm ta nghiệm lại được 
quan hệ giữa điện áp pha và điện áp dây đúng 
như lý thuyết đã có. 
3.2.	Mạch	điện	3	pha	đối	xứng	đấu	∆
Tiến hành lắp mạch điện 3 pha đối xứng 
đấu ∆, sơ đồ thí nghiệm được lắp đặt từ chương 
trình như hình 13. 
Hình	13. Sơ đồ thí nghiệm mạch điện 3 pha đối xứng 
đấu ∆
Tiến hành khảo sát (chạy chương trình) ta 
được các số liệu về dòng điện, điện áp, công suất 
hiển thị trên các thiết bị đo như hình 14.
Hình	14. Kết quả đo các số liệu thí nghiệm mạch điện 
3 pha đối xứng đấu ∆
Có thể xuất các số liệu thí nghiệm và vẽ 
các đặc tính trên giao diện chính như hình 15.
b)
Hình	15. Hiển thị các số liệu và các dạng sóng của 
điện áp và dòng điện
Kết quả cũng có thể được trích xuất như 
bảng 2.
Bảng	2. Kết quả đo trong thí nghiệm mạch điện 3 pha 
đối xứng đấu ∆
Công suất (W) Dòng điện (A) Điện áp (V)
P1 1950.008 IfA=I1 3.00 UfA 381.05
P2 1931.498 IfA=I2 3.00 UfB 381.05
I
fA
=I3 3.00 UfC 381.05
I
dAC
= I4 1.73 UAC=U1 381.05
I
dBA
= I5 1.73 UBA=U2 381.05
I
dCB
= I
6
1.73 U
CB
=U3 381.05
Qua kết quả thí nghiệm ta nghiệm lại được 
quan hệ dòng điện pha và dòng điện dây đúng 
như lý thuyết đã có. 
3.3.	Mạch	điện	3	pha	không	đối	xứng	đấu	Y0
Từ giao diện chính của chương trình và 
thư viện các thiết bị, tiến hành lắp mạch điện 3 
pha không đối xứng (nguồn đối xứng, tải không 
đối xứng) ta được sơ đồ thí nghiệm như hình 16. 
a
b
25
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26
Hình	16. Sơ đồ thí nghiệm mạch điện 3 pha không 
đối xứng đấu Y0
Tiến hành khảo sát, thực hiện chương 
trình ta được các số liệu như hình 17.
Hình	17. Kết quả đo các số liệu thí nghiệm
Trong quá trình làm thí nghiệm, các kết 
quả có thể đọc từ các đồng hồ hiển thị trên giao 
diện mô phỏng, cũng có thể đọc và phân tích trên 
giao diện chính như hình 18.
Hình	18. Hiển thị các số liệu và các dạng sóng của 
điện áp và dòng điện
Khi thay đổi giá trị điện trở R1 ta được kết 
quả như bảng 3.
Bảng	 3. Kết quả đo trong thí nghiệm mạch 3 pha 
không đối xứng
4.	KẾT	LUẬN	
Phần mềm thí nghiệm - thực hành ảo có 
nội dung thí nghiệm phong phú, linh hoạt nên 
giúp sinh viên nắm được nhiều kiến thức bổ ích 
và rèn luyện tốt kỹ năng thí nghiệm - thực hành. 
Với các thí nghiệm ảo, đây là công cụ rất hữu ích 
hỗ trợ tích cực trong công tác giảng dạy, giảng 
viên dễ dàng gắn các tiết giảng lý thuyết với thực 
hành ngay cả khi ở trên lớp học. Với phần mềm về 
các thí nghiệm ảo được xây dựng sẽ là một trong 
những giải pháp giúp nâng cao chất lượng đào tạo.
Phần mềm thí nghiệm - thực hành ảo cũng 
sẽ đóng góp một giải pháp công nghệ linh hoạt 
và hiện đại. Qua đó giúp cơ sở đào tạo đạt được 
hiệu quả: 
- Tiết kiệm được kinh phí đầu tư thiết bị.
- Tiết kiệm được kinh phí mua vật tư tiêu 
hao phục vụ thí nghiệm hàng năm.
- Tiết kiệm được kinh phí duy tu, bảo dưỡng.
a
b
26
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26
TÀI	LIỆU	THAM	KHẢO
1. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh. Kỹ thuật điện, 
Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2008.
2. Nguyễn Ngọc Mỹ, Huỳnh Đức Hoàn. Giáo trình 
thí nghiệm Lý thuyết mạch điện, Trường Đại học 
Quy Nhơn, TLG 192.202, 2001.
3. Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân. Phạm 
Khắc Chương. Cơ sở kỹ thuật điện, Đại học & 
Trung học chuyên nghiệp, 1971.
4. Nguyễn Đức Luyện, Bùi Văn Sáng, Mai Quốc 
Khánh, Phan Trọng Hanh. Mô phỏng mạch điện 
tử, nguyên lý đo và các bài thí nghiệm lý thuyết 
mạch, kỹ thuật điện tử, đo lường điện - VTĐ bằng 
phần mềm Electronics Workbench và Matlab, Kỷ 
yếu Hội thảo ICT.rda’03, 22,23/2/2003 Hà Nội, 
357-366, 2003.
5. Nguyễn Cát Hồ. Nghiên cứu phát triển ứng dụng 
công nghệ đa phương tiện, mã số KC 01-14, Đề tài 
thuộc chương trình KHCN cấp nhà nước KC 01, 
2005.
6. M. Budhu. Virtual laboratories for engineering 
education, International Conference on Engineering 
Education, Manchester, U.K., August 18-21, 2002.
7. S. S. Kendre, P. V. Mulmule, S. D. Shirbahadurkar. 
Virtual Laboratory Development for Teaching 
Power Systems via Interactive Experiment 
Environment”, IEEE, Sofware Engineering and 
Applied Computing (ACSEAC), 2012 African 
Conference, 82-89, 24-26 Sept 2012.