基于MATLAB面向课题的电机实践教学研究

【摘要】1 研究的目标与解决的主要问题 电机学、电机与拖动基础是一门实践性很强的应用技术,是电气工程及其自动化、热能与动力工程等专业的一门重要专业课。该课程实验教学的内容以电路、磁...

摘要 根据全日制本科电机学教学大纲的要求,对现有的电机实验内容进行改革,将matlab技术引入到电机实践教学中,用MATLAB开发实验软件包,实验数据处理,图表绘制都用MATLAB软件完成。对电机的暂态过程通过Simulink仿真技术并结合电机实验数据进行仿真,增加了综合性,研究性实验内容,使电机学传统的实验焕然一新。MATLAB软件应用于电机实验,不仅在处理实验数据、图表绘制上显得非常便捷,更重要的是通过仿真,完善了电机的实验内容。通过具体的电机实验,证实了MATLAB软件在电机实践教学中的重要作用。

关键词 电机实验;MATLAB;仿真

中图分类号 G424文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)14-0088-03

0 引言

MATLAB应用于电机实践教学,目前国内外同一领域的研究尚处于初始阶段,这主要是因为MATLAB在20世纪80年代初才问世。MATLAB软件以矩阵运算为基础,把计算、可视化、程序设计有机地融合到一个简单易学的交互式工作环境中,其出色的数值计算能力和强大的图形处理功能得到了广大科研人员和工程技术人员的垂青。MATLAB经过这些年的不断更新,交互性越来越好,功能也变得越来越强大。现在MATLAB软件已成为国际上应用最广泛的、最优秀的数学应用软件之一。MATLAB为用户提供了丰富而实用的资源,它涵盖了许多门类的科学研究,如数学、控制、通信、数字信号处理、数字图像处理、经济和地理等。这极大地方便了社会上各个行业的科技工作者。在国外的大学中,MATLAB是学生必须要掌握的一种基本技能。近年来,它已经由最初在科研单位和高等院校中的仿真研究,逐渐普及到了具体工业部门中被用来解决实际问题。在国内最近几年也由于MATLAB本身的巨大优势而兴起了学习MATLAB、应用MATLAB的高潮。扬州大学自2002年始将MATLAB技术应用于电机实践教学中,并于2007年正式立项为扬州大学重点教学改革研究课题,实践证明该软件在电机实验中发挥了重要作用,并取得了一系列成果。实践的需要推动了科技的发展,从而促进了社会的进步。电机学涵盖了电路、电磁学、数学、机械、控制工程等多门学科,不仅有复杂的数值计算,还有大量的图表处理及仿真,这些特点正体现MATLAB其出色的数值计算能力和强大的图表处理功能。MATLAB应用于电机实践教学虽然目前尚处于初始研究阶段,但必将成为各高校研究的热点,是电机实验教学的新趋势。MATLAB必将成为培养学生分析问题、解决问题和工程实际应用能力的有力工具。

1 研究的目标与解决的主要问题

电机学、电机与拖动基础是一门实践性很强的应用技术,是电气工程及其自动化、热能与动力工程等专业的一门重要专业课。该课程实验教学的内容以电路、磁路为主线,分析、测试直流电机、变压器、异步电机、同步电机等参数、工作特性并经过计算以图表、曲线的形式反映这些特性。电机实验的特点是:需要高电压,大电流,大负载,设备投入大;存在磁路非线性,计算复杂,实验数据处理、图表绘制量大;各类电机存在不稳定区域,用常用仪表难以测量。因此,制约了电机实验教学的研究。目前,电机实验都是在一定的稳定的条件下开设些传统性验证性的实验,学生几乎是在老师或实验指导书的指导下机械式连线、读取实验数据,学生分析问题,解决问题的能力未能得到很好的提高,主观能动性未能得到发展,更谈不上对实验的研究。本课题采用MATLAB平台,应用其强大的数值计算与图表处理功能和Simulink仿真技术可以弥补电机实验教学中的不足,加强学生对电机学课程的理解和掌握。

1.1 研究的目标

根据电机学教学大纲的要求对现有的电机实验内容进行改革,运用MATLAB技术编写一套电机实验指导书,用MATLAB开发实验软件包,所有的实验数据处理,图表绘制都用MATLAB软件完成。对电机的暂态过程通过Simulink仿真技术结合电机实验数据进行仿真。增加综合性,研究性实验内容。

1.2 解决的主要问题

1.2.1 改编电机实验指导书

运用MATLAB技术编写了一套电机实验指导书,增加综合性,研究性实验内容。MATLAB是一种应用于多领域、强大的数学计算工具,这已毋庸置疑。在美国,2001年曾对200多个大学自动化专业做过调查,他们所用的主流软件就是MATLAB。国外把MATLAB应用于各种课程的教材已达800多种,而中文的较少。我们与美国在大学课程计算工具上的差距在10年以上,我国工科高校的专业基础课教材中,极少涉及到利用MATLAB求解的实例及练习题。我们将MATLAB和电机实验有机结合起来,编写了一套电机实验指导书,将科学计算方法植入到该课程中,用MATLAB对实验结果进行数值分析、图表绘制。该套实验指导书经过几年使用,实践证明在电机实验中发挥了重要的作用,尤其是对激发学生们的学习兴趣与提高学生对工程的认识上具有不可低估的作用,使电机实验焕发了生机。

1.2.2 引入Simulink仿真技术

将Simulink仿真技术应用于电机实践教学中。仿真有助于学生思维、创新能力的培养,仿真改变了以往单一的实验形式,使学生既掌握了一种新的技术,又掌握了一种新型的实验分析方法,还可以自己展开实验设计,大大提高了学生的学习兴趣。尤其在仿真过程中,学生不再是被动地重复教师的操作,而是主动地去探求解决问题的方法,同样的设计要求可以有不同的实现电路、不同的程序,这能充分发挥学生的主观能动性和创造性,培养他们运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力。仿真使学生由被动接受变为主动探索,仿真软件的应用过程中,学生完全可以自己利用观察仿真软件中的实例,结合实验教材,进行分析、实验操作、提交结果分析报告等。教师在整个教学过程中是学生引路人的角色,为学生获得知识提供情景、引导学生自己去学习、设计实验并验证实验结果。仿真有助于改进教学效果和解决硬件不足的问题。仿真软件的引入突破了实验时间和空间的限制,学生不必拘泥于实验室,可以利用计算机在课后继续进行研究,这样就可对实验的原理、方法有较明确的认识,对实践中的难点也有了准备,当他真正走进实验室时,能做到心中有数,减少了操作的盲目性,改善了教学效果。实验场地也不再局限于传统意义的实验室,不再需要昂贵的仪器与设备,计算机机房就可以用来进行实验,解决了缺少硬件设备的问题。我们经过几年的努力,将Simulink仿真技术应用于电机实践教学中,教学效果显著提高,设计性实验、综合性实验内容生动而丰富,得到了同行专家的高度赞誉。

2 实验方法研究

2.1 MATLAB在变压器实验中的应用

变压器试验一般通过空载试验和短路试验确定变压器的参数,通过负载试验测定变压器的运行特性。负载试验由于受到实验条件的限制,一般仅做纯阻性负载,而变压器实际运行时,负载可能是感性亦可能是容性。这样,所做的负载试验实际上是不完整的。为了完善实验内容,引入MATLAB的仿真技术,应用该技术处理变压器各种性质的负载问题显得非常便捷。例如,一台实验教学用的单相变压器,容量为3kVA,V,通过空载试验(变压器低压侧)测得:,,。通过短路试验(变压器高压侧,室温=20℃)测得:,,。用MATLAB对数据进行实验分析,要求:

1)求变压器的参数:、、、;

2)作出功率因数为1、0.8(超前和滞后两种情况)时,变压器的外特性、效率特性的曲线;

3)假设该变压器带额定负载,对于任意给定功率因数(超前或滞后),作出变压器调整率与效率的变化曲线。

MATLAB程序编制过程如下:打开MATLAB,点击FileNewM-file,编制M文件,将文件取名并保存M文件格式,然后在在命令窗口Command Window 调用该M文件。

程序运行结果为:

rm =34.5227;Xm =334.8217;Zm =336.5967;

rk75C =1.7756;xk =1.759。

变压器功率因数为1、0.8(超前和滞后两种情况)时的外特性、效率特性的曲线如图1。

图2为变压器带额定负载情况下,任意给定功率因数(超前或滞后)运行结果。

图2 任意功率因数角(-π/2 ~ π/2)变压器

满载下调整率与效率曲线

2.2 MATLAB在三相异步电动机实验中的应用

三相异步电动机通过空载和短路试验确定其参数,通过负载试验测定其工作特性。负载实验由于受到条件的限制仅能做稳定段,而对完整的M-S曲线不作研究,显然实验是不完整的,借助MATLAB即能解决这一缺憾。有一台实验用的三相异步电动机,容量为10kW,,p=2,定子绕组Δ接法。通过空载和短路试验测得,,,,,,应用MATLAB求该电动机完整的M-S曲线。

三相异步电动机等值电路如图3(1),应用戴维南定理可等效为图3(2)

(1)

(2)

图3 三相异步电动机等值电路

根据等效电路,由MATLAB编程仿真,结果如图4。

以上仅列举两例, Simulink综合仿真实验(如异步电动机软起动控制器仿真、单闭环直流调速系统仿真、异步电动机直接转矩控制系统的仿真)。

3 结论

我们经过几年的努力,将MATLAB引入电机实验的教学中,可使教学更生动,教学内容更充实,调动了学生的积极性,加深了学生对工程实践的理解,使电机传统的实验焕然一新,将MATLAB引人电机实践教学中不仅是让学生掌握一种分析、设计实验的方法,提高学生的理论和实践水平,更重要的是让学生掌握一种现代科研手段,在其它领域发挥作用。

参考文献

[1]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]张圣勤.MATLAB7.0实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2007.

[4]张健.试论高等职业教育理论与实践课程的整合[J].中国高教研究,2008(1):63-64.

[5]杜华.机电控制课程体系教学改革研究与实践[J].长春工程学院学报:社会科学版,2006(1):82-83.

[6]刘白雁.机电控制系统动态仿真[M].北京:机械工业出版社,2005.