基于矩阵分析软件的电机仿真实验教学研究

基于矩阵分析软件的电机仿真实验教学研究

曲春雨

（沈阳工程学院 电力学院 ，辽宁 沈阳，110136 ）

摘 要: 针对电机课程内容抽象和难以理解的问题，借助矩阵分析软件，开发电机仿真实验系统，通过设计仿真核心程序，完成直流电机、异步电机、变压器和同步电机等四种典型电机的运行特性仿真，编制友好的操作界面，方便地调用程序运行，方便了学生使用，带动了教学效果的快速提升。

关键词：电机；仿真实验；特性仿真

中图分类号: TM133   文献标识码: A

Abstract: In order to overcome abstract and difficult problems, and to understand contents in the electrical machine courses, machine simulation experimental system was developed with the help of matrix analysis software. By designing the simulation core program, the operating characteristics of four typical motors, including DC motor, asynchronous motor, transformer, and synchronous motor were simulated. A user-friendly interface was developed to facilitate program execution, making it easier for students to use and driving a rapid improvement in teaching effectiveness.

Key words: electrical machine; experiment teaching; designing experiment.

“电机学”课程是面向所有电气类专业开设的专业基础课程，是电气工程类专业的核心课程之一。该课程以电路（电工学）课程为先修课程，将电力系统分析、继电保护和电气设备等作为后续课程，被看作电气类专业的“看家课”，发挥着重要的作用[1-3]。

“电机学”主要包括变压器、直流电机、异步电机、同步电机等内容，涉及到电、磁、热、机械等多学科知识。此学科不仅是内容上理论性强且抽象性明显，电机运行特性分析更是具有较高的难度。传统的电机教学以理论分析、公式推导和向量图等方法为主，内容比较枯燥，难以做到理论知识和实际运行的衔接和联系，学生积极性调动困难，教学效果难以提升，电机教学的难点随之而来[4]。作者所在课程团队为了克服因内容繁琐且抽象导致的教学效果不佳的问题，借助矩阵分析软件中的GUI模块，通过搭建仿真项目，教学时进行电机的特性仿真，使学生更加深刻理解电机的结构、 原理和基本特性。此外，参数调整时，通过软件仿真来快速显示带来参数调整带来的影响，用软件良好的交互性提高学生的学习兴趣，改善教学效果。

利用矩阵分析软件的GUI模块编制一个具有界面友好、操作简单、运行可靠等优势的仿真实验系统[5]，通过该仿真实验系统，方便了师生的对不同仿真项目进行选择，进而得到电机的运行性能和工作特性，构建完整的电机仿真教学系统。该系统简单易用、操作内容通俗易懂，界面导航简化，使用便捷、输出精炼，学生只需几分钟就可以快速掌握，加深了电机课程教学深度，进而提升了教学效果。

1. 仿真教学系统功能

用户使用矩阵分析语言来编制操作界面。调用仿真文件时，用户只需将不同的方式、不同工况（经二次开发后还可以不同的参数输入）下的需求给出，软件就可自动调用计算和仿真程序。该系统拥有一个前台开发友好、方便、易用的人机交互界面，对复杂的、难以理解和掌握的参数计算和仿真程序安排在后台调用运行，不出现在交互界面上。因此，即使是从未学习过MATLAB软件的工程设计人员也能够使用它进行电机的仿真，得到工程实践需要的参考计算结果。该系统能够完成四类传统电机中各类的两个典型仿真功能。电机仿真实验系统功能示意图如图1所示。此系统可方便地实现四类典型电机的特性仿真，但由于可以实现的特性仿真比较多，这里每类电机仅举两个例子来说明。

图1 电机仿真实验系统

2.仿真界面

2.1 欢迎界面

用户启动仿真系统，先调用欢迎界面来仿真仿真文件，该界面主页面如图2所示。页面包含四个内容：关于我们、功能介绍、运行仿真和退出系统。点击“关于我们”将展示该应用系统的设计背景以及团队信息。在“关于我们”的页面中有三个选项：返回、进入仿真和退出系统。整个仿真实验系统欢迎界面如图2所示。

图2 仿真实验系统欢迎界面

2.2 仿真对话框

在主页面选择“运行仿真”或者是在其他页面选择“进入仿真”会显示出“点击仿真平台”的页面。我们为用户设置了两类电机:常规电机和特种电机。每类电机都有不同的选项来满足用户对不同仿真应用的选择需求。这样的设计使界面清晰明了，让用户的操作更加简单方便。电机类型选择对话框如图3所示。

图3 电机类型选择对话框

2.3 变压器仿真界面

在电机类型选择界面中，当用户选择变压器类型后，就会出现上图的界面。这个界面提供了多种仿真功能，可以满足用户对变压器电感参数、空载参数、负载运行、空载合闸以及其他仿真运行的模拟和计算需求，也可以返回主菜单进行其他的选择和退出系统。变压器仿真功能如图4所示。直流电机、异步电机和同步电机的仿真，这里不再赘述。

图4 变压器仿真功能

3.性能仿真

通过操作电机仿真系统的前台界面，用户可轻松地实现电机的运行特性仿真，进而完成变压器的部分铁磁材料电感参数计算、空载特性和负载特性的分析，以及异步电机的启动、调速和机械特性等运行性能的仿真。如图所示，图5展示了隐极同步电机不考虑定子绕组电阻和考虑定子绕组电阻时的功角特性，图6给出了转子串不同电阻时的机械特性曲线。这些仿真结果直观的反映了电机的运行特性，可帮助学者打下更扎实的电机学基础。

图5隐极同步电机功角特性仿真结果

图6转子串电阻时的机械特性

4.结语

本文借助矩阵分析软件，采用可视化设计构建了直流电机、变压器、异步电机和同步电机等四种典型电机的运行特性仿真实验系统，仿真教学系统界面友好，操作简练，极大地丰硕了教学效果，提升了教学质量。

5.参考文献

[1]李朝生，李先允．应用型本科电机学实验教学改革与探讨．中国现代教育装备，2010(19):105－107．

[2] 许承志,MATLAB 仿真技术在异步电机仿真教学中的应用,新课程学习，2012,92-93.

[3]张代润，刘红萍,三相变压器空载合闸的Matlab仿真教学,教育教学论坛，2020（34）：360-364

[4]杨刚，孙盼何，笠孙军.电机类课程虚拟仿真实验设计与实现,电气电子教学学报，2022,44（5）：9-13.

[5] 李岩，王晶，苏学军．电机虚拟仿真实验教学系统的建 设与应用．课堂，2020，20(6):55－56．