多軟件仿真技術在“電機及拖動基礎”實驗實訓課程教學中的應用

馬 莉，宋莉莉

（昌吉學院 能源與控制工程學院，新疆 昌吉 831100）

0 引言

“電機及拖動基礎”課程是電氣工程及自動化類專業的專業基礎核心課程之一，該課程具有較強的實踐性，目前學校使用DDSZ-1 電機及電氣技術實驗平臺，該平臺提供三相0～450 V 可調交流電源，同時可得到單相0～250 V 可調的交流電源，配有一臺三相同軸聯動自耦調壓器。高壓直流電源兩路，提供220 V（0.5 A）勵磁電源及40～250 V（3 A）連續可調穩壓電樞電源。該設備屬于強電類設備，高電壓大電流，實驗操作須嚴格遵守安全操作規程，由于學校大規模擴招，學生數量增多，每學期開設電機拖動實驗的專業學生達到200～300 人，學生基礎參差不齊，加之實驗指導教師數量有限，實驗設備維護人員緊缺，設備故障率較高。同時由于近些年高校的專業課課時都在不斷減少，有限的實驗課時導致學生在實驗室的動手操作的時間非常有限，時間和硬件資源無法保證讓所有學生在實物的電動機控制電路上進行設備選型和設備連接，傳統硬件實驗教學中還需考慮學生安全，故一定程度上限制了學生全面動手能力和實踐能力的提升。

“電機及拖動基礎”實驗課程改革通過引入虛擬仿真實驗、電工仿真軟件應用、整合硬件實驗平臺、強化實驗數據分析和報告撰寫能力等方式，提升電機拖動實驗的教學效果，培養學生的實踐能力和綜合素質[1]。

1 多軟件仿真平臺

1.1 維修電工仿真軟件

集合了交直流電動機、變壓器、低壓電器，電工儀表等，內容涉及外形結構、工作原理，裝配維修，此外還包括電動機控制和電力拖動系統的電路原理、布局連線、運行排故等。

1.2 電工技能與實訓仿真軟件

電工技能與實訓軟件，包含交直流電動機的各種控制線路原理圖及接線圖，學生可以學習電路原理并進行實物電器接線，在手動布線過程中進一步掌握電機運行與控制的電路設計。

1.3 MATLAB 仿真軟件

MATLAB 軟件具有強大的數據分析和可視化功能，提供了豐富的電機模型和控制算法庫，學生可以通過MATLAB 進行電機系統的建模和仿真，根據實驗目的，選擇不同類型的電機模型，并應用不同的外圍電路來進行仿真實驗[2]。利用SIMULINK 工具箱和Powerlib 工具箱進行電機拖動系統的建模，通過MATLAB 對仿真數據進行處理和分析，示波器觀察特性曲線，更深刻地理解電機的運行狀態和性能。學生還可以利用MATLAB 的數據處理工具，進行數據擬合、濾波等操作，實現更加準確的數據處理和結果展示，提高對電機工作原理和機械特性的理解，幫助學生更加深入地理解電機的工作原理和控制策略。

1.4 電工仿真教學軟件

電工仿真軟件是一款異步電動機運行控制線路連接運行仿真工具，包含交流電動機點動自鎖控制電路，接觸器聯鎖正反轉控制，順序啟動控制，多地控制電路，自動往返控制電路等[3-4]。傳統實驗室無法全面訓練學生的交流電動機各種控制線路的設計和連接運行，而電工仿真軟件恰恰解決了上述不足。學生可以在課下根據自己的時間靈活安排學習，在個人電腦上運行電工仿真軟件，按照自己的想法設計各種各樣的電動機控制電路，熟練應用電工測量儀表和低壓電器的選型和安裝及使用，觀察電動機控制線路的運行，牢固掌握相關電氣元件和電氣線路的設計方法。

2 多軟件仿真技術實驗教學應用案例

2.1 異步電動機教學應用案例

2.1.1 維修電工仿真軟件應用

在講解三相異步電動機的工作原理與結構內容時，實驗室電動機為固定封閉結構，學生無法觀察到電機內部結構，在課程中采用維修電工仿真軟件，通過異步電動機的虛擬拆裝實踐練習，幫助學生深入理解三相異步電動機結構組成與工作原理，以利于將抽象的電磁感應理論形象化、具體化，促使學生深入理解電機裝置進行能量轉換的物理本質，提高學生對電機拖動課程理論知識的領會程度。如圖1 所示。

圖1 三相異步電動機拆裝結構圖

2.1.2 電工技能與實訓仿真軟件應用

鼠籠式三相異步電動機的起動方法有直接起動、星形三角形（Y-Δ）換接起動、自耦變壓器降壓起動等。在三相異步電動機的起動實驗講解和實施過程中，首先采用電工技能與實訓軟件進行仿真接線，在仿真軟件中點擊認識低壓電器的名稱外形和電路符號及設備的每個觸點，將斷路器、熔斷器、交流接觸器、熱繼電器、按鈕、電動機等設備，通過學生自己從元器件庫中的設備選型然后放置在相應位置，根據電氣原理圖進行相應的布線，按照原理圖布線完畢后合上電源開關，按下啟動按鈕，進行運行操作。

2.1.3 電機實驗臺實物實驗

采用DDSZ-1 電機與電氣技術實驗臺，進行實物操作實驗。選用三相鼠籠式異步電動機一臺，型號為DJ16，選用一臺校正直流測功機與異步電動機同軸連接，型號為DJ23，將以上兩個電機設備安裝在導軌上面連接測速發電機和轉速盤，采用數模交流電壓電流表進行電壓電流的測量，型號為D33，選用型號為D51 的開關板，選用三相可調電抗器型號為D43。將三相交流電源、電動機定子繞組、電壓電流表、開關板連接起來組成星形三角形電動機降壓起動電路，用開關板將星形接線和三角形接線進行切換，啟動時候開關打到右邊形成定子三相繞組的星形接法，運行時開關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機啟動電路，合上電源開關，開關板開關打到右邊，電機由自耦變壓器降壓啟動，再把開關打到左邊，電機按額定電壓正常運行。

2.1.4 電工仿真軟件應用

在講解三相異步電動機的正反轉控制原理和實驗課程當中，采用電工仿真軟件對三相異步電動機正反轉控制線路進行仿真布局接線，通過元器件介紹和認識，手動布線和自動布線的實操練習，然后接通電源進行工作演示。在仿真軟件練習手動控制正反轉電路、接觸器聯鎖正反轉、按鈕和接觸器雙重聯鎖正反轉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際線路的操作電路方法，從而深刻掌握三相異步電動機正反轉控制的原理方法和線路設計思路。

將三相異步電動機的結構原理，起動方法，正反轉控制線路的實驗內容通過不同軟件平臺配合完成，內容豐富，操作平臺多樣化，學生既有實物的動手操作體驗，又有仿真平臺的實踐操作能力訓練，達到了深入透徹的教與學的目的。

2.2 直流電動機起動實驗案例

2.2.1 電工技能及實訓仿真軟件應用

直流電動機具有起動穩定和調速快優點，廣泛用于電力牽引、軋鋼機、起重設備及要求調速范圍廣的機械中。在自控系統中，小功率直流電機應用廣泛。電機拖動課程授課過程中給學生介紹直流電機的結構和工作原理，電路、磁路系統及電力拖動運行特性。采用電工技能及實訓仿真軟件對直流電機的結構組成進行裝配訓練，通過動畫形式的直觀零布件拆裝與組合，深刻形象的認識直流電機的結構，理解直流電機的工作原理。

2.2.2 電機實驗臺實物實驗

在測試直流電動機電力拖動特性實驗有關直流電動機的起動和調速實驗過程中，先進行直流電機啟動調速的實物實驗，通過將電動機、校正直流測功機、轉速表同軸連接，學生親自動手將電動機和校正直流測功機的勵磁回路和電樞回路接線連接正確，將高壓直流電源、開關、電阻、電機的勵磁繞組和電樞繞組分別連接成串聯回路。設置調整好電壓電阻值，打開電源開關接通電路起動直流電機，觀察電動機的電壓電流和轉速之間的相互關系。通過實驗操作調節發現，增大電樞回路電阻，轉速會降低，增大勵磁回路調節電阻，轉速會減小。在直流并勵電動機的啟動調速過程中，通過實驗數據測量與分析發現，隨著電樞電流的增大，勵磁電流也在增大，輸出電磁轉矩也隨之逐漸增大。輸出功率隨之增大，輸入功率也隨之增大，但是轉速不會突變，隨著負載的增大，轉速只有略微的下降。同時在這個過程中，效率也是逐漸提高的。

2.2.3 MATLAB 仿真軟件應用

在直流電動機的直接起動實驗實施過程中，采用MATLAB 軟件仿真平臺，通過Simulink 仿真工具箱，借助于Powerlib 電力工具箱。在計算機上建立直流電動機模型，然后匹配外圍電路和測量儀表，組成直流電動機的仿真模型，對直流電動機模塊、直流電源模塊、理想開關模塊，定時器模塊、常量模塊進行參數設置，進行直流電動機起動仿真實驗，接通直流電源可以模擬直流電機的運行過程，用示波器觀察直流電機運行時的轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩的變化。從仿真結果的波形中容易看出啟動電流沖擊很大，同時電磁轉矩的沖擊較大，轉速能夠在較短時間內達到穩定。如圖2 所示，分析不同參數對電機性能的影響，還可以進行電機控制的仿真實驗，驗證不同控制策略的效果，加深學生對電機控制原理的理解。

圖2 他勵直流電動機直接啟動仿真結果

學生通過學校實驗室的實物平臺進行實際直流電機的直觀認知、原理解讀、線路連接、設備調試和起動運行及各個參數的測量[5-6]。同時，通過軟件仿真平臺學會模型搭建和參數設置。這些都能從不同維度鍛煉提升學生的實踐操作能力和思維創新能力[7]。

3 結語

多軟件仿真技術實驗資源比較豐富，學生可以獲得大量的實驗資源，進行不同參數設置和控制策略的實驗，豐富實驗內容和實驗形式。多軟件平臺仿真技術靈活性高，可以隨時隨地進行實驗，不受時間和地點的限制。學生可以根據自己的學習進度進行實驗，自由調控仿真實驗的參數。多軟件平臺相比傳統實驗設備安全性好，通過虛擬仿真實驗，可以避免實際實驗中可能出現的安全隱患，減少實驗事故的發生，降低了實驗教學的成本和風險。

通過以上改革措施，“電機及拖動基礎”實驗課程可以更加貼近實際應用，提升學生的實踐能力、解決問題的能力和創新思維。這種改革方式將為電機拖動實驗課程的教學效果和學生能力的培養帶來積極的影響。因此，多軟件平臺仿真技術在“電機及拖動基礎”實踐教學中具有重要的應用價值。通過該技術，可以提高學生的實踐能力和動手能力，培養學生的分析和解決問題的能力。