計(jì)算機(jī)仿真在電機(jī)及電力拖動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

丁方莉 焦俊生

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

計(jì)算機(jī)仿真在電機(jī)及電力拖動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

丁方莉 焦俊生

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

電機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)是自動(dòng)化、電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程內(nèi)容多，理論教學(xué)內(nèi)容抽象難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中普遍感覺理解困難。為了提高電機(jī)及拖動(dòng)的學(xué)習(xí)效果，采用仿真教學(xué)，以三相交流異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)為例，對(duì)正反轉(zhuǎn)過程做了仿真分析，在學(xué)習(xí)過程中，可任意改變運(yùn)行參數(shù)來觀察結(jié)果，有助學(xué)生理解，從而收到了事半功倍的效果。

電機(jī)；拖動(dòng)；仿真；正反轉(zhuǎn)

一、引言

電機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、電力電子及電力傳動(dòng)等專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程主要講述變壓器、交流異步電機(jī)、同步電機(jī)、直流電機(jī)及控制電機(jī)的原理及應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，它是后續(xù)電力電子技術(shù)、交流調(diào)速系統(tǒng)等課程的基礎(chǔ)。該課程具有理論性強(qiáng)、概念抽象復(fù)雜、難以理解的特點(diǎn)，是電氣工程類專業(yè)較難教學(xué)的課程之一。學(xué)生學(xué)習(xí)本課程后，普遍感覺對(duì)該課程理解不深，概念較為模糊，為了更好地探討該課程的教學(xué)改革，加深學(xué)生對(duì)抽象問題的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本文通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)例，闡述仿真教學(xué)在電機(jī)與電力拖動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用。

借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材缺乏的不足，減少過多的實(shí)驗(yàn)耗材，根據(jù)目前電機(jī)及電力拖動(dòng)教學(xué)情況，電機(jī)及拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室器件較少，滿足不了本課程所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用MATLAB仿真技術(shù)，可以完成電氣及拖動(dòng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的任務(wù)，學(xué)生還可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)對(duì)象，增強(qiáng)在學(xué)習(xí)交流機(jī)、直流機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)過程中對(duì)復(fù)雜磁路的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，取得課程教學(xué)較好的效果。

MATLAB由Jack Little在1984年推出商用版，學(xué)術(shù)版早在1984年就由新墨西哥大學(xué)Cleve Moler教授用于線性代數(shù)、數(shù)值計(jì)算、矩陣?yán)碚摰日n程的教學(xué)。MATLAB語言和其它語言比較起來，如C++，F(xiàn)ortran等在程序編寫及可視化方面，使用上更加方便，對(duì)初學(xué)者來說，一學(xué)就會(huì)，容易上手[1]。它的主要特點(diǎn)在于提供許多庫存函數(shù)指令工具箱，具有Simulink視覺圖形化互動(dòng)系統(tǒng)模擬環(huán)境，使繁雜的運(yùn)算變得簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。目前，已廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、工程、物理、化學(xué)、電氣工程等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外大學(xué)教材更將其納入問題求解模擬的工具軟件。

二、教學(xué)過程

1.三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的理論教學(xué)過程

以三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)作為教學(xué)示例，工作原理如圖1所示[2]。

圖1 二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

我們知道，對(duì)稱三相繞組通入對(duì)稱三相電流，三相交流電能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁感線切割轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生e和i，轉(zhuǎn)子繞組在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的[2]。

如圖1所示，U1U2、V1V2、W1W2中通入的電流分別是i1=Imsinωt，i2=Imsin（ωt-120°），i3=Imsin（ωt+120°）。當(dāng)ωt=0度時(shí)，i1=0，U1U2繞組中沒有電流；i2<0，實(shí)際方向與參考方向相反相成，即從末端V2流入，用“×”表示，從首端V1流出，用“·”表示；i3>0，實(shí)際方向與參考方向相同，即從首端W1流入，從末端W2流出，根據(jù)右手螺旋定則，它們產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的方向如圖中虛線所示，是一個(gè)二極磁場(chǎng)，即一對(duì)磁場(chǎng)，上面的磁感應(yīng)線穿出鐵心，為N極，下面的磁感應(yīng)線進(jìn)入鐵心，為S極。

當(dāng)ωt=120度時(shí)，i1>0，即從首端U1流入，從末端U2流出；i2=0，V1V2繞組中沒有電流；i3<0，即從末端W2流入，從首端W1流出。它們產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的方向如圖1所示，仍是二極磁場(chǎng)，但合成磁場(chǎng)的位置已順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了120度。同理還可繼續(xù)得到其他時(shí)刻的合成磁場(chǎng)，從而證明了合成磁場(chǎng)在空間是旋轉(zhuǎn)的。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序U、V、W順時(shí)針排列，磁場(chǎng)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，若把三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，例如將V相電流通入W相繞組中，W相電流通入V相繞組中，則相序變?yōu)椋篧、V、U，則磁場(chǎng)必然逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

2.仿真教學(xué)分析

三相交流異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，學(xué)生對(duì)它的正反轉(zhuǎn)電磁特性理解不深，為了讓學(xué)生更好地掌握交電電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，采用軟件仿真的方法可以讓學(xué)生形象、直觀地觀察電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的特性，可以反復(fù)修改參數(shù)，既不存在損壞實(shí)際設(shè)備的問題，而且也能達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

如圖2所示，使用Simulink電力系統(tǒng)SimPower-Systems仿真模塊，選取適當(dāng)?shù)碾娏﹄娮悠骷Ｐ痛罱ㄖ麟娐?，在Simulink模型窗口，選擇3個(gè)單相交流電壓源（AC Voltage Source）、電壓測(cè)量（Voltage Measurement）、異步電機(jī)（Asynchronous Machine）、示波器（Scope）、集線器（Demux）等模型，按圖2進(jìn)行連接，建立仿真模型。仿真時(shí)把3個(gè)單相交流電壓源的幅值設(shè)置為311V，初相位分別設(shè)置為0°、120°、-120°，異步電機(jī)設(shè)置為鼠籠型（Squirrel-cage）。

圖2 三相交流異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)仿真框圖

三、仿真結(jié)果分析

三相交流異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如圖3所示，電磁轉(zhuǎn)矩瞬間變?yōu)檎?，?jīng)過振蕩過程，逐漸變?yōu)榱恪?/p>

圖3 三相交流異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)仿真波形圖

圖4 三相交流異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)仿真波形圖

在圖2中，改變電源相序，模型重新開始運(yùn)行后，反轉(zhuǎn)仿真圖如圖4所示，電磁轉(zhuǎn)矩瞬間變成負(fù)值，經(jīng)過渡過程，逐漸趨近于零。

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，有部分同學(xué)認(rèn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終是負(fù)轉(zhuǎn)矩，側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相反，其值應(yīng)該為正值，其實(shí)是一種誤解。電機(jī)改變狀態(tài)前，我們可以假設(shè)轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針，這樣得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩逆時(shí)針，電磁轉(zhuǎn)矩順時(shí)針，也就是電磁轉(zhuǎn)矩T>0，是正值，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL< 0，為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)改變以后，電磁轉(zhuǎn)矩首先改變方向，即變?yōu)門<0，而此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向來不及變化，仍然為順時(shí)針，負(fù)載轉(zhuǎn)矩繼續(xù)為TL<0，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速減小到零，這個(gè)過程中電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩都是小于零，同方向[3]。然后，電動(dòng)機(jī)改變方向?yàn)槟鏁r(shí)針，與電磁轉(zhuǎn)矩同方向，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩則變成順時(shí)針方向，一直到電動(dòng)機(jī)進(jìn)入持續(xù)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

四、結(jié)論

計(jì)算機(jī)仿真提供獨(dú)特的學(xué)習(xí)環(huán)境，它允許學(xué)習(xí)者自由控制學(xué)習(xí)環(huán)境，透過良好的可操作模塊軟件，學(xué)習(xí)者可輕易改變模塊的起始狀態(tài)，使其成為預(yù)定狀態(tài)，這些軟件接受學(xué)習(xí)者的命令后，即刻改變模塊組合形態(tài)，并在適當(dāng)時(shí)機(jī)將新的組合結(jié)果顯現(xiàn)出來。當(dāng)操作實(shí)物具有危險(xiǎn)性或建立真實(shí)情境需時(shí)耗力時(shí)，那么此方式特別適合采用計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)。在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下，計(jì)算機(jī)快速地建立各種真實(shí)情境，讓學(xué)習(xí)者在極短時(shí)間內(nèi)安全地操縱并經(jīng)歷這些情境。

因此，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用MATLAB軟件作為輔助工具，已成為電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生不可缺少的學(xué)習(xí)課程及方向技能，而由本文所提供的例題與解題過程來看，MATLAB軟件確實(shí)適用于對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)中的交直流電機(jī)起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)運(yùn)行的分析與模擬。學(xué)習(xí)者可看到運(yùn)行動(dòng)態(tài)變化行為，補(bǔ)償理論學(xué)習(xí)的抽象難懂之處，強(qiáng)化具體的學(xué)習(xí)效果。

［1］張志涌，徐彥.Matlab教程（7.0版本）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］唐介.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：高等教育出版社，2007.

［3］潘曉晟，郝世勇.Matlab電機(jī)仿真精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Ding Fang-li，Jiao Jun-sheng

（Tongling University,Tongling Anhui 244000,China）

Application of Computer Simulation in Motor and Driving Course

Motor and driving is important professional foundation course of the automation,electrical engineering.Students feel learning difficulties because of its more course content and theoretical teaching.In order to improve the learning effect of motor and driving,the author applies the simulation teaching using positive and negative rotation of three-phase alternating current asynchronous motor.The paper analyzes simulation results of positive and negative rotation,the learning process can be changed by operation parameters arbitrarily.The method is useful for motor and driving courses teaching.

motor;driving;simulation;positive and negative rotation

G642

A

1672-0547（2015)04-0119-03

2015-07-25

丁方莉(1969-),女,安徽淮北人,銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,研究方向：電工電子。

銅陵學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（JY12026)。