MATLAB软件在电机与拖动课程教学中的应用*

魏立明 陈伟利 韩成浩

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春 130118)

《电机与拖动》课程是我校为电气工程及其自动化、建筑电气与智能化及自动化三个本科专业开设的一门重要的专业基础课.根据课程大纲，该课程要求学生掌握变压器、交流电动机及直流电动机的工作原理、工作特性等相关内容，但该课程需要相关的电场与磁场的知识，所以存在概念抽象，公式推导繁琐，学生学习起来比较困难的现象.同时由于受到该课程的实验条件限制，学生能够实际操作的实验项目较少，难以保证本课程的教学目的和教学效果.因此，如何改进教学方法和教学手段，提高学生的学习效果成为本课程教学研究的重要内容之一［1－2］.本文将MATLAB仿真软件引入到本课程的教学中，能够简化学习过程中的数学推导和演算，集中精力于基本概念和分析问题的方法.同时MATLAB仿真软件的应用，将有效缓解学生对学习该课程的畏难情绪，激发其对电机与拖动课程的学习热情和兴趣，为电机实现进一步控制奠定基础.

1 MATLAB仿真软件

MATLAB是美国Math Works公司开发的一种科学与工程计算软件，1984年，使用C语言编写的第一个正式商业化的MATLAB软件问世，1992年推出了MATLAB1.0版本.之后MATLAB软件中增加了可视化的仿真工具Simulink，使之倍受使用者的喜爱.MATLAB软件可以进行矩阵运算、绘制图形和曲线、实现控制算法及创建用户界面等.主要功能包括工程计算、系统设计、信号处理、图像处理和金融建模等，在电气工程、控制工程、通信工程、机械工程，以及交通工程等领域获得了广泛地应用.用MATLAB软件实现数值计算与仿真主要有两种方式:①编写仿真程序;②使用Simulink进行仿真.前者采用MATLAB提供的M语言，按照分析对象的数学模型，逐条编写仿真程序，与其他语言不同的是M语言具有工程强大的矩阵运算能力，后者是在MATLAB平台下的一种基于系统框图的仿真工具.由于采用了框图式的仿真方式，使其具有良好的交互性，其中Simulink可以嵌入用M语言编写的功能模块，也可以转化成M语言程序.在电机与拖动课程教学中，可以采用电力系统仿真工具箱所提供的现有算法程序，完成不同类型电机系统的建模与仿真，通过一系列直观运动的图像，使抽象概念更加形象生动.

2 仿真实例

2.1 MATLAB软件在三相变压器联结组中的应用

图1 变压器联结组别的仿真模型

联结组是用来说明变压器高低压绕组的各种连接方式的，它由连接形式和联结组号两部分组成［3］.其中连接方式可通过观察得出，而联结组号反应了高、低压绕组线电动势之间的相位差.变压器采用不同的联结组时，影响一次侧电压和二次侧电压之间的相位关系和幅值关系.学生虽然利用时钟表示法可以判断联结组号，但经常会出现判断错误的现象.通过MATLAB软件中的信号汇总(Mux)模块将变压器的一次侧和二次侧电压波形显示在同一个窗口，可以很好地比较一次侧和二次侧的电压相位和幅值之间的关系.本文以Y，d 11联结组别为例，使用MATLAB中的Simulink建立仿真模型，仿真验证三相变压器的Y，d11联结组别的一次侧电压和二次侧电压的幅值和相位关系.其仿真模型如图1所示，仿真结果如图2所示.

2.2 MATLAB软件在异步电动机正反转控制中的仿真

图2 变压器联结组别仿真一次侧电压和二次侧电压波形

三相异步电动机的旋转方向取决于三相定子绕组中三相电流的相序，因此任意交换两相绕组与电源的连接，就能改变电动机的转向.本文使用MATLAB中的Simulink建立异步电动机正反转控制的仿真模型［4－5］，测取异步电动机的正反转控制过程中的转速、电磁转矩和电枢电流的仿真曲线.其仿真模型如图3所示，转速、电磁转矩、转子电流和定子电流的波形如图4～图7所示.从图5和图7中可以看出异步电动机从正转切换到反转时，产生了非常大的电磁转矩冲击，定子电流也有非常大的冲击，这主要由于在反转控制时没有串联电阻等限制电流措施，在开始反转时，异步电动机的转差率近似为2，比起动时刻的转差率大很多，体现在电磁转矩上有很大的冲击力.

图3 三相异步电动机正反转仿真模型

图4 三相异步电动机正反转过程中转子转速的仿真波形

图5 三相异步电动机正反转过程中电磁转矩的仿真波形

图6 三相异步电动机正反转过程中转子电流的仿真波形

图7 三相异步电动机正反转过程中定子电流的仿真波形

3 结论

电机与拖动课程涉及到电场和磁场等许多内容，该课程的教与学一直是难点.本文通过两个电机与拖动课程中教学案例分析，说明了MATLAB仿真软件在本课程中的重要性.MATLAB仿真软件可将本课程中许多抽象的概念和原理以具体图形的形式表现出来，帮助学生理解和掌握该课程中的重点和难点内容，使学生学习起来不再感到抽象和枯燥，这样可以充分调动学生学习的主动性和积极性，同时也极大地提高了教学效果.

［1］陈亚爱.电机与拖动基础及MATLAB仿真［M］.北京:机械工业出版社，2011:12－20.

［2］张晓江.MATLAB仿真应用于自动化专业教学的实践与思考［J］.中国电力教育，2008(2):44－45.

［3］唐 介.电机与拖动［M］.北京:高等教育出版社，2010:55－59.

［4］吴文进.自动控制原理课程的Matlab辅助教学［J］.安庆师范学院学报，2010，16(1):114－146.

［5］王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真［M］.北京:电子工业出版社，2008:10－22.