多軟件仿真技術(shù)在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中的應(yīng)用

馬 莉，宋莉莉

（昌吉學(xué)院 能源與控制工程學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

0 引言

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程是電氣工程及自動(dòng)化類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程之一，該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，目前學(xué)校使用DDSZ-1 電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)提供三相0～450 V 可調(diào)交流電源，同時(shí)可得到單相0～250 V 可調(diào)的交流電源，配有一臺(tái)三相同軸聯(lián)動(dòng)自耦調(diào)壓器。高壓直流電源兩路，提供220 V（0.5 A）勵(lì)磁電源及40～250 V（3 A）連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電樞電源。該設(shè)備屬于強(qiáng)電類設(shè)備，高電壓大電流，實(shí)驗(yàn)操作須嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，由于學(xué)校大規(guī)模擴(kuò)招，學(xué)生數(shù)量增多，每學(xué)期開設(shè)電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)的專業(yè)學(xué)生達(dá)到200～300 人，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，加之實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師數(shù)量有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)人員緊缺，設(shè)備故障率較高。同時(shí)由于近些年高校的專業(yè)課課時(shí)都在不斷減少，有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)手操作的時(shí)間非常有限，時(shí)間和硬件資源無法保證讓所有學(xué)生在實(shí)物的電動(dòng)機(jī)控制電路上進(jìn)行設(shè)備選型和設(shè)備連接，傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還需考慮學(xué)生安全，故一定程度上限制了學(xué)生全面動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的提升。

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課程改革通過引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、電工仿真軟件應(yīng)用、整合硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和報(bào)告撰寫能力等方式，提升電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)[1]。

1 多軟件仿真平臺(tái)

1.1 維修電工仿真軟件

集合了交直流電動(dòng)機(jī)、變壓器、低壓電器，電工儀表等，內(nèi)容涉及外形結(jié)構(gòu)、工作原理，裝配維修，此外還包括電動(dòng)機(jī)控制和電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電路原理、布局連線、運(yùn)行排故等。

1.2 電工技能與實(shí)訓(xùn)仿真軟件

電工技能與實(shí)訓(xùn)軟件，包含交直流電動(dòng)機(jī)的各種控制線路原理圖及接線圖，學(xué)生可以學(xué)習(xí)電路原理并進(jìn)行實(shí)物電器接線，在手動(dòng)布線過程中進(jìn)一步掌握電機(jī)運(yùn)行與控制的電路設(shè)計(jì)。

1.3 MATLAB 仿真軟件

MATLAB 軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能，提供了豐富的電機(jī)模型和控制算法庫(kù)，學(xué)生可以通過MATLAB 進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)的建模和仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇不同類型的電機(jī)模型，并應(yīng)用不同的外圍電路來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[2]。利用SIMULINK 工具箱和Powerlib 工具箱進(jìn)行電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的建模，通過MATLAB 對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，示波器觀察特性曲線，更深刻地理解電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能。學(xué)生還可以利用MATLAB 的數(shù)據(jù)處理工具，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、濾波等操作，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果展示，提高對(duì)電機(jī)工作原理和機(jī)械特性的理解，幫助學(xué)生更加深入地理解電機(jī)的工作原理和控制策略。

1.4 電工仿真教學(xué)軟件

電工仿真軟件是一款異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制線路連接運(yùn)行仿真工具，包含交流電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)自鎖控制電路，接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制，順序啟動(dòng)控制，多地控制電路，自動(dòng)往返控制電路等[3-4]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法全面訓(xùn)練學(xué)生的交流電動(dòng)機(jī)各種控制線路的設(shè)計(jì)和連接運(yùn)行，而電工仿真軟件恰恰解決了上述不足。學(xué)生可以在課下根據(jù)自己的時(shí)間靈活安排學(xué)習(xí)，在個(gè)人電腦上運(yùn)行電工仿真軟件，按照自己的想法設(shè)計(jì)各種各樣的電動(dòng)機(jī)控制電路，熟練應(yīng)用電工測(cè)量?jī)x表和低壓電器的選型和安裝及使用，觀察電動(dòng)機(jī)控制線路的運(yùn)行，牢固掌握相關(guān)電氣元件和電氣線路的設(shè)計(jì)方法。

2 多軟件仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用案例

2.1 異步電動(dòng)機(jī)教學(xué)應(yīng)用案例

2.1.1 維修電工仿真軟件應(yīng)用

在講解三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)內(nèi)容時(shí)，實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)為固定封閉結(jié)構(gòu)，學(xué)生無法觀察到電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在課程中采用維修電工仿真軟件，通過異步電動(dòng)機(jī)的虛擬拆裝實(shí)踐練習(xí)，幫助學(xué)生深入理解三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成與工作原理，以利于將抽象的電磁感應(yīng)理論形象化、具體化，促使學(xué)生深入理解電機(jī)裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的物理本質(zhì)，提高學(xué)生對(duì)電機(jī)拖動(dòng)課程理論知識(shí)的領(lǐng)會(huì)程度。如圖1 所示。

圖1 三相異步電動(dòng)機(jī)拆裝結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 電工技能與實(shí)訓(xùn)仿真軟件應(yīng)用

鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有直接起動(dòng)、星形三角形（Y-Δ）換接起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)等。在三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)實(shí)驗(yàn)講解和實(shí)施過程中，首先采用電工技能與實(shí)訓(xùn)軟件進(jìn)行仿真接線，在仿真軟件中點(diǎn)擊認(rèn)識(shí)低壓電器的名稱外形和電路符號(hào)及設(shè)備的每個(gè)觸點(diǎn)，將斷路器、熔斷器、交流接觸器、熱繼電器、按鈕、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，通過學(xué)生自己從元器件庫(kù)中的設(shè)備選型然后放置在相應(yīng)位置，根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行相應(yīng)的布線，按照原理圖布線完畢后合上電源開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，進(jìn)行運(yùn)行操作。

2.1.3 電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物實(shí)驗(yàn)

采用DDSZ-1 電機(jī)與電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)。選用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)一臺(tái)，型號(hào)為DJ16，選用一臺(tái)校正直流測(cè)功機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)同軸連接，型號(hào)為DJ23，將以上兩個(gè)電機(jī)設(shè)備安裝在導(dǎo)軌上面連接測(cè)速發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)速盤，采用數(shù)模交流電壓電流表進(jìn)行電壓電流的測(cè)量，型號(hào)為D33，選用型號(hào)為D51 的開關(guān)板，選用三相可調(diào)電抗器型號(hào)為D43。將三相交流電源、電動(dòng)機(jī)定子繞組、電壓電流表、開關(guān)板連接起來組成星形三角形電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)電路，用開關(guān)板將星形接線和三角形接線進(jìn)行切換，啟動(dòng)時(shí)候開關(guān)打到右邊形成定子三相繞組的星形接法，運(yùn)行時(shí)開關(guān)打到左邊形成定子繞組三角形連接。采用三相電抗器組成自耦變壓器，接入鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路，合上電源開關(guān)，開關(guān)板開關(guān)打到右邊，電機(jī)由自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)，再把開關(guān)打到左邊，電機(jī)按額定電壓正常運(yùn)行。

2.1.4 電工仿真軟件應(yīng)用

在講解三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制原理和實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)中，采用電工仿真軟件對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路進(jìn)行仿真布局接線，通過元器件介紹和認(rèn)識(shí)，手動(dòng)布線和自動(dòng)布線的實(shí)操練習(xí)，然后接通電源進(jìn)行工作演示。在仿真軟件練習(xí)手動(dòng)控制正反轉(zhuǎn)電路、接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)、按鈕和接觸器雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制線路的不同接法，熟悉在操作過程中有哪些異同之處。掌握由電路原理圖連接實(shí)際線路的操作電路方法，從而深刻掌握三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的原理方法和線路設(shè)計(jì)思路。

將三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，起動(dòng)方法，正反轉(zhuǎn)控制線路的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過不同軟件平臺(tái)配合完成，內(nèi)容豐富，操作平臺(tái)多樣化，學(xué)生既有實(shí)物的動(dòng)手操作體驗(yàn)，又有仿真平臺(tái)的實(shí)踐操作能力訓(xùn)練，達(dá)到了深入透徹的教與學(xué)的目的。

2.2 直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)實(shí)驗(yàn)案例

2.2.1 電工技能及實(shí)訓(xùn)仿真軟件應(yīng)用

直流電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)穩(wěn)定和調(diào)速快優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電力牽引、軋鋼機(jī)、起重設(shè)備及要求調(diào)速范圍廣的機(jī)械中。在自控系統(tǒng)中，小功率直流電機(jī)應(yīng)用廣泛。電機(jī)拖動(dòng)課程授課過程中給學(xué)生介紹直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，電路、磁路系統(tǒng)及電力拖動(dòng)運(yùn)行特性。采用電工技能及實(shí)訓(xùn)仿真軟件對(duì)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行裝配訓(xùn)練，通過動(dòng)畫形式的直觀零布件拆裝與組合，深刻形象的認(rèn)識(shí)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，理解直流電機(jī)的工作原理。

2.2.2 電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物實(shí)驗(yàn)

在測(cè)試直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)有關(guān)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速實(shí)驗(yàn)過程中，先進(jìn)行直流電機(jī)啟動(dòng)調(diào)速的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，通過將電動(dòng)機(jī)、校正直流測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)速表同軸連接，學(xué)生親自動(dòng)手將電動(dòng)機(jī)和校正直流測(cè)功機(jī)的勵(lì)磁回路和電樞回路接線連接正確，將高壓直流電源、開關(guān)、電阻、電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別連接成串聯(lián)回路。設(shè)置調(diào)整好電壓電阻值，打開電源開關(guān)接通電路起動(dòng)直流電機(jī)，觀察電動(dòng)機(jī)的電壓電流和轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)操作調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，增大電樞回路電阻，轉(zhuǎn)速會(huì)降低，增大勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻，轉(zhuǎn)速會(huì)減小。在直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)調(diào)速過程中，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析發(fā)現(xiàn)，隨著電樞電流的增大，勵(lì)磁電流也在增大，輸出電磁轉(zhuǎn)矩也隨之逐漸增大。輸出功率隨之增大，輸入功率也隨之增大，但是轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，隨著負(fù)載的增大，轉(zhuǎn)速只有略微的下降。同時(shí)在這個(gè)過程中，效率也是逐漸提高的。

2.2.3 MATLAB 仿真軟件應(yīng)用

在直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，采用MATLAB 軟件仿真平臺(tái)，通過Simulink 仿真工具箱，借助于Powerlib 電力工具箱。在計(jì)算機(jī)上建立直流電動(dòng)機(jī)模型，然后匹配外圍電路和測(cè)量?jī)x表，組成直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)模塊、直流電源模塊、理想開關(guān)模塊，定時(shí)器模塊、常量模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，接通直流電源可以模擬直流電機(jī)的運(yùn)行過程，用示波器觀察直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化。從仿真結(jié)果的波形中容易看出啟動(dòng)電流沖擊很大，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊較大，轉(zhuǎn)速能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。如圖2 所示，分析不同參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，還可以進(jìn)行電機(jī)控制的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同控制策略的效果，加深學(xué)生對(duì)電機(jī)控制原理的理解。

圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真結(jié)果

學(xué)生通過學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際直流電機(jī)的直觀認(rèn)知、原理解讀、線路連接、設(shè)備調(diào)試和起動(dòng)運(yùn)行及各個(gè)參數(shù)的測(cè)量[5-6]。同時(shí)，通過軟件仿真平臺(tái)學(xué)會(huì)模型搭建和參數(shù)設(shè)置。這些都能從不同維度鍛煉提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力和思維創(chuàng)新能力[7]。

3 結(jié)語

多軟件仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)資源比較豐富，學(xué)生可以獲得大量的實(shí)驗(yàn)資源，進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)置和控制策略的實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)形式。多軟件平臺(tái)仿真技術(shù)靈活性高，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自由調(diào)控仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。多軟件平臺(tái)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全性好，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全隱患，減少實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

通過以上改革措施，“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課程可以更加貼近實(shí)際應(yīng)用，提升學(xué)生的實(shí)踐能力、解決問題的能力和創(chuàng)新思維。這種改革方式將為電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果和學(xué)生能力的培養(yǎng)帶來積極的影響。因此，多軟件平臺(tái)仿真技術(shù)在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”實(shí)踐教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過該技術(shù)，可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決問題的能力。