Simulink仿真软件辅助电机学教学的探索

Simulink 仿真软件辅助电机学教学的探索张建辉，许莹莹（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013）摘要：介绍了Simulink 的特点及其仿真建模的方法，并给出了用Simulink 仿真软件来辅助电机学教学的具体仿真实例．实践表明，在电机学教学中使用Simulink 仿真软件，可以帮助学生理解课程中的难点，使抽象的概念形象化，既调动了学生的学习积极性，又可以提高教学效果和质量．关键词：仿真软件；电机学；教学方法中图分类号：TM301；TP273文献标志码：A文章编号：1673-014301-0063-04电机学是高校电类各专业一门重要的专业基础课，它所研究的对象具有实用性、普遍性，是其他后续课程的基础，在课程设置中具有关键性地位，是该专业每个学生必须学好的一门课程．但调查显示，电机学是部分学生大学期间最讨厌的两门课之一．电机学之所以被公认为一门难学难教的课程，主要是由该课程自身的特点和教学中客观存在的一些问题引起的．电机中，电磁量随时间、空间坐标的复杂变化、旋转关系及部分电磁量的非线性关系让学生难以理解；同时，繁多的课程内容令学生“应接不暇”．电机学的研究对象本来比较实际具体，但传统教学过多地依赖理论教学，理论与实践脱节，使学生失去了应有的学习兴趣．另一方面，随着高校扩招，实验条件受到制约，学生进行动手操作的实践机会很少，难以达到应有的教学目标．要打破这种僵化的局面、提高学生的学习积极性，必须对传统的教学方法进行改进，在教学中引入Simulink 仿真软件进行辅助教学，可以加深学生对理论知识的理解和深化，提高学生的学习兴趣，同时还能弥补硬件实验条件的不足．1Matlab/Simulink 动态仿真软件由美国MathWorks 公司推出的Matlab 软件是目前国内外最流行的计算机仿真软件，旗下的Simulink 动态建模仿真工具，具有建模方便、直观，更改参数容易，能动态显示图形等优点，在自动控制、电机拖动仿真领域得到了广泛应用，在电机学课程的教学上也能利用其发挥作用．对电机系统进行仿真分析主要采用Simulink 下的SimPowerSystems 库．它包括6个子模块库：电源(Electrical Sources )子库含有单相交流电源、直流电压源、受控源、三相交流电源等；元件子库(Elements )有各种支路、负载和开关、变压器等主要电力设备元件；附加子库(Extra Library )含有各种附加的控制、测量模块和特殊变压器等模块；电机子库(Machines )有直流、交流、控制等各种电机；测量子库(Measurement )含有电压、电流和阻抗等测量元件；电力电子子库(Power Electronics )里有GTO 、IGBT 、MOSFET 、Thyristor 等各种电力电子元器件．建立仿真模型时，只需通过鼠标点击相关模块库内的模型，简单拖移到模型窗口，即可建立所研究系统的仿真模型，再利用模型元件的属性对话框设置相关参数后就可以直接对系统仿真．使用Simulink 提供的示波器(Scope )模型，可显示观测点的信号波形．从而使得复杂的系统建模和仿真变得十分容易，而且这种方式非常直观、灵活，特别适合初学者．收稿日期：2009－10－27基金项目：教育部特色专业建设基金项目(TS10331)作者简介：张建辉(1979—)，男，河南郾城人，讲师，硕士，主要从事电气工程及其自动化研究．第38卷第1期2010年3月江汉大学学报(自然科学版)Journal of Jianghan University (Natural Sciences )Vol.38No.1Mar.201064江汉大学学报（自然科学版）总第38卷2应用实例2.1直流电机直接起动仿真分析直流电机直接起动时会造成巨大的冲击电流，在实际应用中是不允许的．因起动时间很短，在实验室无法准确观测，为了加深理解该知识点，采用Simulink软件进行仿真分析，可以很直观地观察起动电流的大小和整个起动过程．他励直流电动机直接起动仿真模型如图1所示．在Simulink模型窗口，选择直流电压源(DC Voltage Source)、定时器(Timer)、理想开关(Ideal Switch)、电压测量(Voltage Measurement)、示波器(Scope)、直流电机(DC Machine)和集线器(Demux)等模型，按图1进行连接，建立仿真模型．然后把直流电压源的电压幅值设置为240V，定时器延时时间设为0.5s．运行Simulink进行仿真，结果如图2所示．由图2可知，整个起动过程从0.5s开始，一直延续到1.3s，起动最大冲击电流达到了320A，是额定电流的几十倍．它非常形象地显示了直接起动的特点，这样的效果是在实验室中无法观测到的．2.2直流电机分级起动仿真分析在讲授直流电机分级起动时，学生很难想象分步切除起动电阻时会造成什么样的现象．借助Simulink软件可以形象地展示整个分步切除电阻的过程，还能观测到切除时刻造成的冲击．分步切除电阻的仿真模型可用开关(Breaker)和定时器(Timer)来实现，如图3所示．3个开关分别并联在3个起动电阻两端．起动开始时，3个电阻全部串入；2.8s时开关Breaker1闭合(切除电阻R1)；4.8s时开关Breaker2闭合(切除电阻R2)；6.8s时开关Breaker3闭合(切除电阻R3)；整个模型封装之后作为直流电机起动变阻箱模块(Subsystem1)放置于图4的直流电机分级起动仿真模型中．在Simulink窗口中，放置直流电压源(DC Voltage Source)、定时器(Timer)、理想开关(Ideal Switch)、起动变阻箱模块(Subsystem1)、电压测量(Voltage Measurement)、示波器(Scope)、直流电机(DC Machine)和集线器(Demux)等模型，按图4进行连接，建立仿真模型．然后把直流电压源的电压幅值设置为240V，定时器延时时间设为0.8s．运行Simulink进行仿真，结果如图5所示．由图5可清晰地看到，整个起动过程从0.8s 开始，一直延续到7.3s，其中在2.8、4.8、6.8s分别切除了电阻R1、R2、R3，最终完成起动．整个图4他励直流电动机分级起动仿真模型n(r/min)图5他励直流电动机分级起动仿真波形n(r/m in)图1他励直流电动机直接起动仿真模型图2他励直流电机直接起动仿真波形图3直流电机起动变阻箱仿真模型R1R2R3n(r/min)2010年第1期张建辉，等：Simulink仿真软件辅助电机学教学的探索65过程电机速度上升比较平稳，起动电流、起动转矩冲击相对于直接起动已大大削弱．采用Simulink仿真形象地展现了分级起动的动态过程，这对于学生加深理解、巩固知识帮助很大．2.3异步电动机能耗制动仿真分析异步电机是生活中应用比较广泛的电机，相对于直流电机来说，其理论概念更加抽象，学生普遍反应难度较大．在讲授异步电机的实际应用时，采用Simulink仿真可以把抽象的控制方法形象化，有利于提高学生的兴趣，调动学习积极性．例如，异步电机的能耗制动方式，与前面所述的直流电机起动控制一样也是动态过程，在实验室不容易观测，借助于Simulink仿真效果就比较好．由于能耗制动过程涉及模型结构的变化，因此整个仿真过程分成两个阶段进行．首先建立制动前的稳态运行模型，在Simulink模型窗口，选择3个单相交流电压源(AC Voltage Source)、电压测量(Voltage Measurement)、异步电机(Asynchr-onous Machine)、示波器(Scope)和总线选择器(Bus Selector)等模型，按图6进行连接，建立仿真模型．仿真时把3个单相交流电压源的幅值设置为311V，初相位分别设置为0°、366江汉大学学报（自然科学版）总第38卷明显．例如，将制动电阻R z 的阻值由原来的“2”，其制动时间由原来的0.3s延长到0.75s ，如图10所示．通过Simulink 仿真，学生可以非常直观地理解、掌握该知识点，同时也提高了分析问题的能力．限于篇幅，这里只举了常用的几个实例．此外，在讲授变压器的空载运行、并网运行，直流电机调速，交流电机旋转磁场，异步电机起动、调速、制动以及同步发电机空载、短路、不对称运行等内容时，采用Simulink 仿真进行辅助教学，效果都非常不错．3教学效果笔者已在最近3年的电机学课程中使用Simulink仿真软件进行辅助教学，取得了良好的教学效果.(1)理论联系实际．将抽象理论知识通过仿真模型直观展现出来，既巩固了理论知识，又锻炼了学生分析问题的能力．(2)Simulink 仿真软件比较适合初学者，学生很快就能上手，学生课下利用Simulink 对课堂上所学的内容进行仿真验证，特别具有成就感，大大提高了学习兴趣，调动了学习积极性．(3)计算机仿真能力大大提高．随着Simulink 软件在电机课程学习中的使用，使学生的计算机建模、仿真能力得到了有效锻炼，为后续课程设计、毕业设计打下了坚实的基础．4结论Matlab/Simulink 是一种有效的仿真工具，用它来辅助电机学课程的教学，可以帮助学生理解课程上的难点，使课程中许多抽象的概念和原理形象化．在实验条件相对不足的情况下，将教学内容与仿真方法相结合是一条值得推广的途径．在实践教学中取得了一定的成效，既调动了学生的学习积极性，又大大改善了教学效果，提高了教学质量．参考文献：[1]张建辉，许莹莹．电机学课程教学方法的探索[J ]．江汉大学学报：自然科学版，2008，36(3)：55-58.[2]肖金凤，朱荣辉，盛义发．电气工程及其自动化专业电机学教学改革研究[J ]．电力系统及其自动化学报，2003，15(6)：97-99.[3]潘晓晟，郝世勇．MA TLAB 电机仿真精华50例[M ].北京：电子工业出版社，2007.（责任编辑：范建凤）图9三相异步电机能耗制动后仿真波形N (r/m in )图10调节制动电阻后的能耗制动仿真波形N (r/min )。