淺談電工仿真軟件及Simulink仿真軟件在培訓(xùn)中的應(yīng)用

傳云 寧立軍 陶然 苗強(qiáng)

摘 要：針對學(xué)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(fēng)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(jī)過載，分析電機(jī)參數(shù)（定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)械轉(zhuǎn)矩）的變化趨勢，通過電工仿真軟件與MATLAB＼Simulink軟件兩者結(jié)合，從靜態(tài)過程與動態(tài)過程幫助學(xué)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(chǎn)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(fēng)險，保障人身及設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：電工仿真;Simulink仿真;人身安全;培訓(xùn)

0 引言

目前在維修電工學(xué)員在培訓(xùn)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(xùn)過程中采用理論講解為主，導(dǎo)致初學(xué)維修電工的學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中感到既枯燥又吃力，出現(xiàn)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(xùn)效果收效甚微。（2）實際項目動手少。考慮到員工的個人安全和電氣設(shè)備的安全，一般在實際操作項目上采取學(xué)員接完線路不送電，由老師檢查接線正確與否。或者在老師的指導(dǎo)并檢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(dǎo)致學(xué)員光憑理解和記憶學(xué)習(xí)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(yùn)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(yīng)知道動態(tài)量的變化，比如抽油機(jī)載荷的變化對電流及轉(zhuǎn)速的影響，短路故障時幅值具體比正常運(yùn)行電流高多少，在什么時間達(dá)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(xùn)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(diǎn)擊接線圖中的開關(guān)、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(xué)員理解并掌握電氣原理，降低實際項目中的操作風(fēng)險，保障人身及設(shè)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(jī)過負(fù)荷為例，分析定、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)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(jié)合，從靜態(tài)過程及動態(tài)過程幫助學(xué)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(jī)聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)需要選擇相關(guān)的學(xué)習(xí)項目進(jìn)行學(xué)習(xí)[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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行布線，可有效防止學(xué)員在真實接線時的誤操作。通過運(yùn)行演示界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的動作開關(guān)和按鈕，可清晰看到線路接通與元件動作情況。學(xué)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(jī)輔助工具。

本文以異步電動機(jī)聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制為例進(jìn)行分析和說明，軟件界面如下圖1所示，左側(cè)表示原理圖，右側(cè)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(guān);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(jī);SB表示按鈕。

為了快速得到仿真結(jié)果，本文選取自動布線，具體動作過程如下：按下電源開關(guān)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(jī)M連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);松開起動按鈕SB2后，其常開觸頭恢復(fù)分?jǐn)嗪螅驗榻佑|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(jī)M實現(xiàn)自鎖連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，模擬運(yùn)行圖如下圖2所示。

假設(shè)電機(jī)過載，即在電機(jī)上按下鼠標(biāo)模擬電機(jī)過載，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，3秒鐘后熱繼電器輔助觸頭分?jǐn)啵佑|器KM的自鎖觸頭在切斷控制電路時已經(jīng)分?jǐn)啵獬枣i，SB2已經(jīng)分?jǐn)啵越佑|器KM不能得電，電動機(jī)M也不會轉(zhuǎn)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(xué)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(shè)備損壞事故。

2 利用MATLAB＼Simulink軟件模擬電機(jī)過載

Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)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(kuò)展，并且可以解決在使用MATLAB過程中遇到的非線性、變系數(shù)等問題。它能夠進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進(jìn)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(fù)雜的系統(tǒng)。

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

由圖3可知：當(dāng)負(fù)載載荷增加后，轉(zhuǎn)子電流迅速上升，達(dá)到22A左右，說明負(fù)載增加轉(zhuǎn)子電流也會增加，符合實際工況。定子電流和轉(zhuǎn)子電流類似，只是變換頻率比轉(zhuǎn)子快，數(shù)值上比轉(zhuǎn)子電流略小。隨著負(fù)載的變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，保證電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩能跟蹤到負(fù)載載荷以維持電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

3 結(jié)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(jī)過載，分析電機(jī)參數(shù)（定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)械轉(zhuǎn)矩）的變化趨勢，通過電工仿真軟件與MATLAB＼Simulink軟件兩者結(jié)合，從靜態(tài)過程及動態(tài)過程幫助學(xué)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(chǎn)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(fēng)險，保障人身及設(shè)備安全。

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