淺談電工仿真軟件及Simulink仿真軟件在培訓中的應用

傳云 寧立軍 陶然 苗強

摘 要：針對學員在維修電工實際項目中操作時存在人身觸電及電氣元件損壞的風險，本文特提出采用電工仿真軟件模擬電路原理圖中電路接通與斷開情況，用MATLAB＼Simulink軟件模擬電機過載，分析電機參數（定子電流、轉子電流、電機轉速、機械轉矩）的變化趨勢，通過電工仿真軟件與MATLAB＼Simulink軟件兩者結合，從靜態(tài)過程與動態(tài)過程幫助學員更好理解電路的動作過程及動作后的效果，有效提升員工分析生產實際問題和解決實際問題的能力，避免員工實際操作時發(fā)生的觸電風險，保障人身及設備安全。

關鍵詞：電工仿真;Simulink仿真;人身安全;培訓

0 引言

目前在維修電工學員在培訓上存在以下3種問題：（1）理論知識枯燥。以往在維修電工培訓過程中采用理論講解為主，導致初學維修電工的學員在學習過程中感到既枯燥又吃力，出現課堂講、課下忘，快考試時臨時抱佛腳，死記硬背動作流程和所有電器元器件的動作過程，為了考試而考試，培訓效果收效甚微。（2）實際項目動手少?？紤]到員工的個人安全和電氣設備的安全，一般在實際操作項目上采取學員接完線路不送電，由老師檢查接線正確與否?；蛘咴诶蠋煹闹笇Рz查無短路等情況下才可送電試驗觀察各電器元件的動作情況，這就導致學員光憑理解和記憶學習知識，不能很好的從視覺感官上明白具體各元件的動作過程，對電路知識的理解記憶并不深刻。（3）不明白電路運行的動態(tài)過程。在維修電工崗位工作中，除了明白電路的工作原理，還應知道動態(tài)量的變化，比如抽油機載荷的變化對電流及轉速的影響，短路故障時幅值具體比正常運行電流高多少，在什么時間達到最大幅值等等涉及各種動態(tài)過程的效果。

為了解決上述問題，提升員工培訓效果，本論文特提出采用電工仿真軟件模擬電路原理圖中電工原理理論分析及電路元器件接通及斷開情況，通過點擊接線圖中的開關、起動與停止等各種按鈕，可在圖中清晰看到電氣元器件接通或者斷開后的電路狀態(tài)，對元器件的動作過程一目了然，極大有助于學員理解并掌握電氣原理，降低實際項目中的操作風險，保障人身及設備安全。與此同時，提出用MATLAB＼Simulink軟件仿真電路的動態(tài)過程，以電機過負荷為例，分析定、轉子電流、轉速及載荷的變化情況。通過電工仿真軟件與MATLAB＼Simulink軟件兩者結合，從靜態(tài)過程及動態(tài)過程幫助學員更好理解電路的動作過程及動作后的效果。

1電工軟件模擬異步電動機聯(lián)鎖正反轉控制

電工仿真軟件有多個項目的電氣控制原理圖及接線圖，可按照自身學習需要選擇相關的學習項目進行學習[1-2]。該軟件中，包含本項目中所用電器元件的基本理論介紹，可選取手動布線與自動布線兩個選項進行選擇：自動布線為系統(tǒng)自動連接電路，可快速模擬動作過程。手動布線為模擬實際平布線過程，按等電位點進行布線，可有效防止學員在真實接線時的誤操作。通過運行演示界面，點擊相應的動作開關和按鈕，可清晰看到線路接通與元件動作情況。學員通過該軟件的仿真功能，可以觀察到控制線路的動作過程，這對于員工理解控制線路的原理是一個很好的計算機輔助工具。

本文以異步電動機聯(lián)鎖正反轉控制為例進行分析和說明，軟件界面如下圖1所示，左側表示原理圖，右側表示實際接線圖。圖中L1L2L3表示三相交流電源;QS表示隔離開關;FU表示熔斷器;KM表示接觸器;FR表示熱繼電器;M（3～）表示三相電機;SB表示按鈕。

為了快速得到仿真結果，本文選取自動布線，具體動作過程如下：按下電源開關QS后，原理圖中QS接通;再按下起動按鈕SB2后，接觸器KM線圈通電，KM常開輔助觸頭閉合，KM主觸頭閉合，電機M連續(xù)運轉;松開起動按鈕SB2后，其常開觸頭恢復分斷后，因為接觸器KM的常開輔助觸頭閉合時已將SB2短接，控制電路仍保持接通，所以接觸器KM繼續(xù)得電，電動機M實現自鎖連續(xù)運轉，模擬運行圖如下圖2所示。

假設電機過載，即在電機上按下鼠標模擬電機過載，此時電機轉速變慢，3秒鐘后熱繼電器輔助觸頭分斷，接觸器KM的自鎖觸頭在切斷控制電路時已經分斷，解除自鎖，SB2已經分斷，所以接觸器KM不能得電，電動機M也不會轉動。

綜上所述，電工仿真軟件可以清晰看出電路接通與斷開情況，使學員充分了解電路的工作原理。在實際操作前模擬接線過程，防止錯誤操作引發(fā)觸電事故和電氣設備損壞事故。

2 利用MATLAB＼Simulink軟件模擬電機過載

Simulink是MATLAB提供的實現動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包[3-5]，是基于框圖的仿真平臺。Simulink最初是為仿真控制系統(tǒng)而建立的工具箱，在使用中易編程、易擴展，并且可以解決在使用MATLAB過程中遇到的非線性、變系數等問題。它能夠進行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進行線性和非線性系統(tǒng)的仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就能仿真較大、較復雜的系統(tǒng)。

本文以異步電動機過載為例進行分析定子電流、轉子電流、轉速及機械轉矩的動態(tài)變化過程，設置電機的參數如下：額定電壓UN=380 V;電機額定功率PN=2.2 Kw;額定轉速nN=1500 rpm; 額定頻率f=50 HZ;額定轉矩按照TN=9550*PN/n計算，則TN=14 N.m;負載從1s開始由10 N.m上升到80 N.m，仿真時間設置為2s，仿真波形由下圖3所示。

由圖3可知：當負載載荷增加后，轉子電流迅速上升，達到22A左右，說明負載增加轉子電流也會增加，符合實際工況。定子電流和轉子電流類似，只是變換頻率比轉子快，數值上比轉子電流略小。隨著負載的變大，電機轉速有所下降，保證電機的機械轉矩能跟蹤到負載載荷以維持電機正常運轉。

綜上所述，利用MATLAB＼Simulink軟件可以清晰看出轉子電流、定子電流、電機轉速、機械轉矩的變化趨勢和具體數值大小，更加有利于我們掌握電機過載時的動態(tài)過程。

3 結語

本文采用電工仿真軟件模擬電路原理圖中電路接通與斷開情況，用MATLAB＼Simulink軟件模擬電機過載，分析電機參數（定子電流、轉子電流、電機轉速、機械轉矩）的變化趨勢，通過電工仿真軟件與MATLAB＼Simulink軟件兩者結合，從靜態(tài)過程及動態(tài)過程幫助學員更好理解電路的動作過程及動作后的效果，有效提升員工分析生產實際問題和解決實際問題的能力，避免員工實際操作時發(fā)生的觸電風險，保障人身及設備安全。

參考文獻：

[1]趙芳.仿真教學軟件在《電機與電氣控制技術》一體化課程中的應用[J].計算機產品與流通，2020（01）：178-179.

[2]李琪菡.電工實驗教學改革思考[J].教育教學論壇，2020（36）：183-184.

[3]任亞明.Simulink仿真軟件在電工技術教學中的應用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（06）：105-106.

[4]張金霞，樊明，陳曉弢，韓進輝，張海峰，李文秀.基于SIMULINK異步電動機的動態(tài)仿真[J].青海大學學報（自然科學版），2012，30（02）：5-9.

[5]于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：172-218.