魏立明 陳偉利 韓成浩

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

《電機(jī)與拖動(dòng)》課程是我校為電氣工程及其自動(dòng)化、建筑電氣與智能化及自動(dòng)化三個(gè)本科專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課.根據(jù)課程大綱，該課程要求學(xué)生掌握變壓器、交流電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、工作特性等相關(guān)內(nèi)容，但該課程需要相關(guān)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的知識(shí)，所以存在概念抽象，公式推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難的現(xiàn)象.同時(shí)由于受到該課程的實(shí)驗(yàn)條件限制，學(xué)生能夠?qū)嶋H操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，難以保證本課程的教學(xué)目的和教學(xué)效果.因此，如何改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果成為本課程教學(xué)研究的重要內(nèi)容之一［1－2］.本文將MATLAB仿真軟件引入到本課程的教學(xué)中，能夠簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)過(guò)程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和演算，集中精力于基本概念和分析問(wèn)題的方法.同時(shí)MATLAB仿真軟件的應(yīng)用，將有效緩解學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)該課程的畏難情緒，激發(fā)其對(duì)電機(jī)與拖動(dòng)課程的學(xué)習(xí)熱情和興趣，為電機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步控制奠定基礎(chǔ).

1 MATLAB仿真軟件

MATLAB是美國(guó)Math Works公司開(kāi)發(fā)的一種科學(xué)與工程計(jì)算軟件，1984年，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的第一個(gè)正式商業(yè)化的MATLAB軟件問(wèn)世，1992年推出了MATLAB1.0版本.之后MATLAB軟件中增加了可視化的仿真工具Simulink，使之倍受使用者的喜愛(ài).MATLAB軟件可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制圖形和曲線、實(shí)現(xiàn)控制算法及創(chuàng)建用戶界面等.主要功能包括工程計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理和金融建模等，在電氣工程、控制工程、通信工程、機(jī)械工程，以及交通工程等領(lǐng)域獲得了廣泛地應(yīng)用.用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算與仿真主要有兩種方式:①編寫(xiě)仿真程序;②使用Simulink進(jìn)行仿真.前者采用MATLAB提供的M語(yǔ)言，按照分析對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，逐條編寫(xiě)仿真程序，與其他語(yǔ)言不同的是M語(yǔ)言具有工程強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，后者是在MATLAB平臺(tái)下的一種基于系統(tǒng)框圖的仿真工具.由于采用了框圖式的仿真方式，使其具有良好的交互性，其中Simulink可以嵌入用M語(yǔ)言編寫(xiě)的功能模塊，也可以轉(zhuǎn)化成M語(yǔ)言程序.在電機(jī)與拖動(dòng)課程教學(xué)中，可以采用電力系統(tǒng)仿真工具箱所提供的現(xiàn)有算法程序，完成不同類(lèi)型電機(jī)系統(tǒng)的建模與仿真，通過(guò)一系列直觀運(yùn)動(dòng)的圖像，使抽象概念更加形象生動(dòng).

2 仿真實(shí)例

2.1 MATLAB軟件在三相變壓器聯(lián)結(jié)組中的應(yīng)用

圖1 變壓器聯(lián)結(jié)組別的仿真模型

聯(lián)結(jié)組是用來(lái)說(shuō)明變壓器高低壓繞組的各種連接方式的，它由連接形式和聯(lián)結(jié)組號(hào)兩部分組成［3］.其中連接方式可通過(guò)觀察得出，而聯(lián)結(jié)組號(hào)反應(yīng)了高、低壓繞組線電動(dòng)勢(shì)之間的相位差.變壓器采用不同的聯(lián)結(jié)組時(shí)，影響一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓之間的相位關(guān)系和幅值關(guān)系.學(xué)生雖然利用時(shí)鐘表示法可以判斷聯(lián)結(jié)組號(hào)，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤的現(xiàn)象.通過(guò)MATLAB軟件中的信號(hào)匯總(Mux)模塊將變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)電壓波形顯示在同一個(gè)窗口，可以很好地比較一次側(cè)和二次側(cè)的電壓相位和幅值之間的關(guān)系.本文以Y，d 11聯(lián)結(jié)組別為例，使用MATLAB中的Simulink建立仿真模型，仿真驗(yàn)證三相變壓器的Y，d11聯(lián)結(jié)組別的一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓的幅值和相位關(guān)系.其仿真模型如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示.

2.2 MATLAB軟件在異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制中的仿真

圖2 變壓器聯(lián)結(jié)組別仿真一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓波形

三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相定子繞組中三相電流的相序，因此任意交換兩相繞組與電源的連接，就能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向.本文使用MATLAB中的Simulink建立異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的仿真模型［4－5］，測(cè)取異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流的仿真曲線.其仿真模型如圖3所示，轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流和定子電流的波形如圖4～圖7所示.從圖5和圖7中可以看出異步電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生了非常大的電磁轉(zhuǎn)矩沖擊，定子電流也有非常大的沖擊，這主要由于在反轉(zhuǎn)控制時(shí)沒(méi)有串聯(lián)電阻等限制電流措施，在開(kāi)始反轉(zhuǎn)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率近似為2，比起動(dòng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)差率大很多，體現(xiàn)在電磁轉(zhuǎn)矩上有很大的沖擊力.

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)仿真模型

圖4 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的仿真波形

圖5 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形

圖6 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流的仿真波形

圖7 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中定子電流的仿真波形

3 結(jié)論

電機(jī)與拖動(dòng)課程涉及到電場(chǎng)和磁場(chǎng)等許多內(nèi)容，該課程的教與學(xué)一直是難點(diǎn).本文通過(guò)兩個(gè)電機(jī)與拖動(dòng)課程中教學(xué)案例分析，說(shuō)明了MATLAB仿真軟件在本課程中的重要性.MATLAB仿真軟件可將本課程中許多抽象的概念和原理以具體圖形的形式表現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生理解和掌握該課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)不再感到抽象和枯燥，這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，同時(shí)也極大地提高了教學(xué)效果.

［1］陳亞愛(ài).電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)及MATLAB仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:12－20.

［2］張曉江.MATLAB仿真應(yīng)用于自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)的實(shí)踐與思考［J］.中國(guó)電力教育，2008(2):44－45.

［3］唐 介.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京:高等教育出版社，2010:55－59.

［4］吳文進(jìn).自動(dòng)控制原理課程的Matlab輔助教學(xué)［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，16(1):114－146.

［5］王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:10－22.