Matlab仿真軟件在電機與拖動中的應(yīng)用

廣東理工學(xué)院電氣工程系 胡林林廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系 付 龍

Matlab仿真軟件在電機與拖動中的應(yīng)用

廣東理工學(xué)院電氣工程系 胡林林廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系 付 龍

電機與拖動課程涉及電、磁、熱等知識，內(nèi)容抽象、概念多、公式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，難于理解，從而使得老師難教，學(xué)生難學(xué)，本文提出將Matlab仿真軟件應(yīng)用在電機與拖動的教學(xué)中，通過實例表明應(yīng)用Matlab軟件可以使許多抽象的問題簡單化、形象化，便于學(xué)生理解，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

電機與拖動；Matlab；simulink；教學(xué)改革

0 引言

《電機與拖動》課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，本課程由于涉及到磁場的概念，使教學(xué)內(nèi)容抽象、概念多、公式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，難于理解，導(dǎo)致學(xué)習(xí)這門課程存在著學(xué)生難學(xué)的情況，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，本文提出將Matlab仿真軟件應(yīng)用于實際教學(xué)中，使教學(xué)過程更加形象、生動，使學(xué)生更好的掌握本課程的內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

1 Matlab仿真軟件

Matlab是MathWorks公司開發(fā)的軟件，該軟件可以進行矩陣運算、繪制圖形和曲線、實現(xiàn)控制算法、創(chuàng)建用戶界面等。Matlab實現(xiàn)數(shù)值計算與仿真主要有兩種方式：(1)創(chuàng)建M文件，編寫仿真程序；(2)使用Simulink進行仿真，Simulink是Matlab最重要組件之一，是一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的軟件包，在Simulink提供的圖形用戶界面(GUI)上，只需要進行簡單的拖拉操作即可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，具有簡單、明了的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于線性、非線性系統(tǒng)以及離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)。電機與拖動的Simulink仿真模型構(gòu)建主要使用Simulink中的SimPower Systems模塊庫。

2 仿真實例

2.1 直流電機機械特性的Matlab仿真

直流電機的機械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，機械特性分為：(1)固有機械特性；(2)人為機械特性。

(1)固有機械特性的仿真

某他勵直流電動機，已知額定值為UN=220N，PN=22kW，IN=115A，nN=1500r/min；電樞電阻Ra=0.18Ω；勵磁電阻Rf=628Ω，其對應(yīng)的固有機械特性曲線的仿真圖如圖1所示：

圖1 固有機械特性曲線

圖2 降低電樞電壓的人為機械特性曲線

(2)人為機械特性曲線的仿真

直流電機的人為機械特性分為三大類：①改變電樞電壓的人為機械特性；②電樞回路串電阻的人為機械特性；③減弱磁通的人為機械特性。

圖2為降低電樞電壓的人為機械特性曲線仿真圖，電樞電壓分別為220V、180V、120V、80V。

圖3為電樞回路串電阻的人為機械特性曲線仿真圖，電樞回路所串的電阻分別為0.18Ω、0.68Ω、1.18Ω、1.68Ω。

圖3 電樞回路串電阻的人為機械特性曲線

圖4 減弱磁通的人為機械特性曲線

2.2 三相異步電動機的建模與仿真

三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、運行可靠等一系列優(yōu)點；還具有較高的運行效率和較好的工作特性、從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運行，能滿足各行各業(yè)大多數(shù)生產(chǎn)機械的傳動要求。

三相異步電動機的建模與仿真步驟如下：

(1)仿真系統(tǒng)模型的建立

首先建立一個新的Simulink窗口，在模塊庫瀏覽器窗口新建一個Model，通過鼠標(biāo)的拖動將需要的模塊拖動到工作區(qū)中，拖動完畢后，搭建模塊，搭建好的仿真模型如圖5所示，最后進行模塊參數(shù)的設(shè)置。

圖5 三相異步電動機的仿真模型

圖6 三相交流電源AB相電壓的顯示

內(nèi)嵌專用系統(tǒng)的監(jiān)控單元，對大功率發(fā)射機的監(jiān)測與控制的準(zhǔn)確性、及時性為對發(fā)射機的管理和維護提供了良好的條件，使得臺站能更好的完成播出任務(wù)，做好安全播出。

四、以上三種大功率發(fā)射機監(jiān)控單元實際應(yīng)用效果

現(xiàn)我所工作的發(fā)射臺所用機型中使用以上三種監(jiān)控單元的大功率發(fā)射機都有，那么在實際應(yīng)用中它們的效果如何呢？

第一種以51單片機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元的發(fā)射機，這類發(fā)射機因成本控制較低，其使用的監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)簡單，所實現(xiàn)的功能相應(yīng)的也少。該系統(tǒng)具有手動開關(guān)機和遙控開關(guān)機功能，能顯示入射反射功率，可查詢各功放模塊的工作電壓電流和輸出功率。但受51單片機的局限，它連接各功放盒的線路過于繁瑣，導(dǎo)致與各功放盒的的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常丟包，造成個別數(shù)據(jù)讀取延時甚至讀取不到，造成監(jiān)測狀態(tài)的誤報。因該系統(tǒng)的開關(guān)是由單片機的指令直接控制，當(dāng)單片機主控故障時將無法通過控制板上的開關(guān)鍵進行開關(guān)，也不可能進行遙控控制，這種情況下必須進行維修才能讓發(fā)射機進行工作。

第二種以PC機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元的發(fā)射機，這類發(fā)射機的監(jiān)控單元由于采用了PC機，使得其具備良好的人機界面，其監(jiān)測的信息量也很大，除了常規(guī)的發(fā)射機功率數(shù)據(jù)及各功放盒的各種實時數(shù)據(jù)外，它還有各種告警信息，并且能將各種采集來的數(shù)據(jù)存儲，方便維護人員調(diào)取日志查看發(fā)射機的歷史數(shù)據(jù)以確定維護方向。該類監(jiān)控系統(tǒng)不僅通過PC主機進行控制開關(guān)機、待機、遙控，它還有一套由邏輯電路組成的控制模塊，當(dāng)PC主機故障時可通過控制模塊上的按鍵直接控制發(fā)射機的工作狀態(tài)，在保證播出時可暫時不對其進行維修。

第三種使用內(nèi)嵌專用系統(tǒng)監(jiān)控單元的發(fā)射機，這類發(fā)射機可說是現(xiàn)在處于技術(shù)領(lǐng)先的發(fā)射機。該機型不僅主控是內(nèi)嵌專用系統(tǒng)，它的功放盒、激勵器、冷卻單元，甚至是射頻網(wǎng)絡(luò)都有自己的內(nèi)嵌監(jiān)控系統(tǒng)，各系統(tǒng)各司其責(zé)保障整個發(fā)射機系統(tǒng)的運行。其主控單元具有PC機一樣好的人機界面，可通過各級菜單對發(fā)射機的工作狀態(tài)進行控制，同時也可設(shè)置發(fā)射機的工作模式。該主控去除了PC機上的一些附屬的不必要的功能直接針對發(fā)射機系統(tǒng)讀取顯示各單元的任何數(shù)據(jù)，包括各功率參數(shù)、電壓電流、工作溫度、冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)等，同時具備告警功能并保存日志。當(dāng)主控故障時，可直接通過激勵器上的內(nèi)嵌系統(tǒng)對發(fā)射機進行控制，甚至可通過各單元的內(nèi)嵌系統(tǒng)單獨進行控制和查看其的工作狀態(tài)。這類系統(tǒng)的各單元的內(nèi)嵌監(jiān)控模塊都具備控制本身工作狀態(tài)和監(jiān)測功能，它可設(shè)置控制本地和將控制移交至上一級，所以當(dāng)主控故障時可通過主控的下級控制進行控制，也可將發(fā)射機的各級控制歸還各級本地，然后逐一控制，并可通過遠程端口進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測，在保證播出時可長時間進行工作。

五、結(jié)論

現(xiàn)在大功率發(fā)射機都使用了以MOS管為功放模塊的多功放盒合成功率的方式，MOS管的穩(wěn)定性和高壽命大大保證了發(fā)射機持續(xù)播出的時間。監(jiān)控單元猶如發(fā)射機系統(tǒng)的大腦一般，一套可靠、穩(wěn)定、實時的監(jiān)控單元對發(fā)射機來說是相當(dāng)重要的；反之，若是監(jiān)控系統(tǒng)不可靠、讀取數(shù)據(jù)不及時甚至不真實，那么必定會造成維護上的誤判，甚至導(dǎo)致發(fā)射機損壞。所以了解發(fā)射機的監(jiān)控單元，對發(fā)射機的維護很重要，對安全播出的保障至關(guān)重要。

[1]GME1014F型10KW大功率合放式全固態(tài)電視發(fā)射機技術(shù)手冊。

[2]BT03-103S_10kW電視發(fā)射機中文技術(shù)手冊。

[3]EUT液冷20kW（模擬/數(shù)字）電視發(fā)射機中文技術(shù)手冊。