MATLAB在电机教学中的应用

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第 1卷第 2 8期 20 0 6年 4月

电力系统及其自动化学报Pr c e i g ft eCS EP A o e d n so h U— S

V o . 8 N o. 11 2

Ap . 2 0 r 06

MAT AB在电机教学中的应用 L田浩(汉理工大学自动化学院，武汉 4 0 7 )武 3 0 0摘要：了提高教学质量，功能强大、作方便的计算机软件应用于基础教学中，绍了 MATL为将操介 AB在电机

学中的主要应用，数计算，参曲线描绘和仿真，用实例说明该程序应用于电机教学的突出优点。并关键词：件；用；电机学软应中图分类号： TM3; 30 2 TP—5文献标识码： B文章编号：10—9 0 2 0 ) 200—5 0 38 3 ( 0 60—1 80

Ap i a i n f M ATLAB n t e Te c i f El c r c M a h ne y plc to s o i h a h ng o e t i c i rT I N a A H o

( c o lo t ma i n,W u a i e st fTe h o o y,W u a 3 0 0 S h o fAu o t o h n Un v r i o c n l g y h n 4 0 7,Ch n ) ia

Ab t a t Thi pe ntod e he an a sr c: s pa r i r uc s t m i ppl a i ns ofM ATLA B n he f da e a t a n e t i i to c i t un m nt l e chig ofelc rc

ma h n r u h a a a t r c lu a ig,c r e p o t g a d smu a i n c i e y s c s p r me e ac ltn u v l ti n i l t . n o Ke r s o t r;a p ia i n;ee t i ma h n r y wo d:s fwa e p l t c o lc rc c ie y

1前言 在当今的大学和科研机构中，算机是教学计和研究的重要工具之一。O 2世纪 8年代， 0国外已将 B I ASC语言引入电机学基础教材中[。来， 1后]国内也有部分电机学基础教材乜 附录中对应用计。在算机程序解题或仿真做了简略介绍。但是，由于使

2 1参数计算 .

电机学中的大多数问题

均涉及数学计算。当然，电机学并非纯数学，中数学方程式的主要作其用在于揭示各参数之间具有物理意义的定量关系。 然而，在很多复杂的电机学问题中，大的运算量庞

和复杂的计算过程往往是找到各参数的相互关系后解决问题的最大困难之所在。解决此矛盾，为文

用这些语言编写的计算程序复杂繁琐，用性不适强，无法体现出计算机技术和电机学知识结构体系

献 1]中涉及到繁杂的数学运算时，多由 - 4 MAT AB程序解答。样，以将更多的精力放 L这可到各参数的相互联系以及其中所体现的电机特性上，不必在纯粹的数学计算上花费太多精力。而国内现有的电机学书籍中，一点常常被忽视。这能够

相结合的优越性，以难以将计算机技术融人教研所与学习过程之中。

随着时代发展，出现了一些功能强大、操作方便的科学与工程计算软件， MAT AB作为此类软 L件之一，已在国外电机学基础教材中广泛应用【] 4。 然而，国内在全面普及此类软件并将其融人电机学知识结构体系方面仍存在不足。文中，本作者力求以电机学的基础教学为例， MATL就 AB在电机学

进行数学运算的软件有多种，是 MATL但 AB在计算中的专业性和适用性较其他软件技高一筹。 例如，要计算一台单相感应电动机稳态运行需时的功率因数志和效率。电动机的参数如下：输入电压(为 2 0V; u) 2电源频率 ( ) 5;极数 为 0Hz磁(为 4转速 (为 12 0rri;子线圈阻抗户);Ⅳ) 5/ n定 a

中的运用作出简要的归纳介绍。

2主要应用类型归纳与举例 MATL AB在电机学中主要的应用可归纳为：

( )为 0 5Q;子漏感抗 ( ) 3 2Q;子阻 R。 .定。为 . 转抗 ( R )为 2 7Q; .转子漏感抗 ( )为 1 2Q;磁 X .励感抗 ( ) 6 损耗折算阻抗 ( 为 6 4Q。 为 OQ;尺) 1 下面是在 MATL dtr中编写的计算单 AB E i o

数据计算、曲线描绘和仿真。收稿日期：0 50—7修回日期：0 50—8 2 0—30; 2 0—41

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第 1

8卷第 2期

田 浩： A A在电机教学中的应用 M TL B

1 9 O

相感应电动机的功率因数和效率的程序文件s m.: pi m

计算具有通用性，以避免解决同类问题时的重复可计算。广之， MATL推以 AB中种类丰富的函数为

f ci C— un ton

s i (,e, N, p m U f P, R1, 1, X R2,

基础所编写的程序，不但可以高效、速、活地解迅灵决电机学中各种类型的问题，为多角度多方位地也进行思考和引入创新思维并进行实践提供了良好

X2 Xm, ), Rc

’

S I用于计算单相感应电动机 PM( igeP aeId cin Moo )的功率 Sn l— h s n u t tr o

的环境。样， MATL这在 AB的科学计算功能与电

因数和效率。 %在s i后面的括号中输入的参数依次为： pm U(入电压 )f (源频率 )P磁极输，电 e,(数 ) N(速 )R1定子线圈阻抗 ),转， (,X1定子漏感抗 )R2转子阻抗 ) (, (,

机学充分结合后，但可以简化繁杂的计算，不而且可以充实电机学原有的知识结构体系，于人们更便加深入地学习和研究。 2 2曲线描绘 .

MAT AB程序的曲线描绘在电机学中的应 L用一般可分为两种：直接描绘和间接描绘。 直接描绘，以给出两组相对应的数据，可然后

X2转子漏感抗 ) X励磁感抗 ) (, m(, Rc损耗折算阻抗 ) (。S一 ( 2 1 0*f/ e p— N) ( 2/ 1 0*f/ ) ep; Z1一 ( R2 s+ j (/ *X2 )*Rc*j *Xm/ Rc+ ( j *Xm )/ R2 s+ j )(/ *X2+ ( Rc*j * Xm/ Rc+ j ( *Xm) ) ); Z f一 0 5*( . R1+ j *X1+ Z1; )

直接使用程序中的 po函数描绘它们的相关曲线。 lt 例如，已知实验测定的直流发电机励磁电流，和，电枢电压。的两组对应数据，即可使用 po (, ltUa I)接绘制出电流一电压曲线。类应用十分简 f直此单，里不再举例。这 ‘ 间接描绘曲线的应用与前者相比略为复杂，需

Z 2一 (R2 ( (/ 2一 s )+ j *X2 Rc j m/ )* *

*X( Rc+ j *Xm)/ R2 ( ) (/ 2一 S+ j ) *X2+ ( Rc*j *Xm/ Rc+ j ( *Xm ) ) );Zb一 0 5*( . R1+ j *X1+ Z ) 2; I— U/ Z ( I+ Z ) b;

要在已知有关参数的前提下，据参数间的函数关依系式和 MATL AB内部的函数与控制语句描绘曲线。现举一台绕线式转子三相感应电机在转子回路

阻抗取不同数值情况下的转矩一速度曲线描绘为例进行介绍。电机的主要参数为：设输入电压 ( U)为 3 0V; 8 电源频率 ( ) 5 ;极数 ( ) 4 f为 0Hz磁 p为；定子线圈阻抗 ( R )为 0 0定子漏感抗 ( 为 . 8Q; X) 0 5 励磁感抗 ( 为 1 . 转子漏感抗 ( .0 Q; X ) 60 0; X)

I— I Rc *X ( c+ j Xm) ( 2 s+ f * *j m/ R */R/ j X2+ R *j m/ Rc j m); * c *X (+ *X ) I b— I *Rc j m/ R * *X ( c+ j m) ( 2 *X/ R/( 2一 S )+ j X2+ Rc*j *Xm/ Rc+ ( j *Xm ); )k— C S a s a ge I ); O ( b ( n l ( ) )

为 0 6 转子回路阻抗 (次取值 )R ) 0 0 . 0Q;依 ( 为 .5Q,. 0Q,. 0Q,. 0Q,. 0Q,. 0Q;差 0 2 0 5 10 1 5 3 0转率 ()为一1 S≤ 2 s≤。 MAT AB源程序如下：￣ L

E f in y一 0 5*( b (f 2*RZ s— fi e c c . a s I)/a s I ) 2*R2 ( b (b/ 2一 S )*( ) 1一 S/ )( b ( *I a sU *k ) );

U一 3 O 8; f e一 5; 0P一 4; Np h一 3;

%输入电压电源频率磁极数%定子相数

fr t( n p i f’ k一 g, ) n\’kfr t( f c n y一%g pi f’nE f i c n ie%%’,Efiin y* 1 o f ec c o )

编写完毕后将其保存在 MAT AB的默认文 L件夹中。算本例中电动机的功率因数和效率时，计 只需在主命令窗口中输入：s i ( 2, 0, 1 5, . 3 2, ., ., O, p m 2 0 5 4, 2 0 0 5, . 2 7 1 2 66 4) 1

R 1: 0 0; .

8X1: 0 5; . 0 X2: 0 6; . 0 X一 1 . 0 m 60;

定子线圈阻抗定子漏感抗转子漏感抗%励磁感抗

S一~1: . 0 2 0 0 3:; Ns: 1 0 e p 2 *f/;N— Ns 1一 s; *( )

%转差率取值范围%同步速度转子速度

则程序立即会给出计算结果：k一 0 80 4 . 22Efiinc一 6 .3 4 fc e y 2 81

o g s= 4* i f/;同步角频率 me a p * e pR2 1 ( )一 0 0; ( )一 0 2; ( ) 0 5; . 5 R2 2 . 0 R2 3一 . 0

显然，计算程序 s i m对于同类型的参数此 pm.

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1 O 1

电力系统及其自动化学报

2 0年 4月 06

R2( 4)= 1 o R2( . o; 5)一 1 5 R2( . 0; 6)一 3. o; o

的环境。

转子回路阻抗 (依次取值 ) frn: 1: o 6 n取从 1至 6的整数值Z— R1+ j *X1+ j *Xm *( *X2+ R2 n) j ( . / )/ j Xm+ X2 s . ( *( )+ R2 n . s; ( )/ ) I— U. z:/ I一 I 2 .*j *Xm. ( ( )// R2 n . s+ j Xm+ *(X2) ); T一 ( Nph*a s( 2) b 1 . 2 .*R2( . n)

2 3仿真 .

在使用 MATL AB附带的 s l k仿真软件 i i mu n对电机的稳态、瞬态运行过程进行模拟仿真方面， 国内已有相关书籍和论文 (如文献[~ 81予以例 6 - ) 介绍。到目前为止，但这样的仿真分析仅应用于部

分类型电机 (感应电机和同步电机等 )在整个电如，机学的知识结构体系中的普遍应用仍有不足。以现一

台他励直流电动机的启动运行为例，简要地介绍

/ ) o g s s/ me a;i一一 1 p o (,,k’ fn lt N T’ )h d on ol

smuik及其中的 smp w rytms电力系统模 i l n i o es se (

块库 )的仿真应用。 图 2显示了使用 s o ry tms中的电机 i wes se mp

e s i n一一 2 pl t N,, b’ l ef o( T’ ) e s i n一一 3 pl t N,,e’ l ef o( T’ ) e s i一一 4 p

l t N,,g’ l efn o( T’ ) e s i n一一 5 pl t N,,m’ l ef o( T’ ) e s l t(,,r ) l e p o N T’’grd on i ed n ed n

模块和自建的电源模块、动器模块、量模块等启测建立的他励直流电动机仿真模型。电动机模块的主

要参数设定为：磁线圈阻抗 ( f为 2 0n;励尺) 4电枢阻抗 ( 为 0 6Q;磁线圈电感 ( f为 1 O电 R ) .励 L ) 2 H;枢和励磁线圈互感 ( )为 1 8 H;厶 .电枢电感 ( )厶为 0 0 2H; . 1负载转矩 (1为 3 从测量模块 7) ON m。的输出端得到的速度、电磁转矩、电枢电流和励磁

电流可以从两个示波器模块中观测。电源模块输出电压为 3 0V,括 3个交流电压源和 6只二极管 4包组成的全波整流桥，也设置了示波器以观测运行时各相的电流、电压。三相电源和整流器启动器

x a e (n r n f )) lb l’/ mi一1’ya e (T/ ’ lb l’ N m )lg n’ e e d(R2— 0. 5 n’’ 0 ,R2= . 0 n’’==0 2 ,R2—0 5 n’’ 2— 1 O ’’ 2— 1 5 n’’ 2— .0,R . O n,R .O,R 3 O ) . O n’

Th e— ha e o r e n r c i i r r e p s s u c a d e tfe St re a tr

图 1感应电机转矩一速度曲线 Fi g.1 To qu— p e c r e fal i uc i em ot r r e s e d u v s o l nd tv o

绘制出的转矩一速度曲线如图 1示。以看所可出， MATL AB程序在曲线绘制方面的主要优点在于：以简洁的步骤将抽象的理论公式转化为直观能形象的图形。多数情况下，大操作者只需对参数赋

值并给出相应的函数表达式，以控制语句协助便加可完成任务；用性强，电机学的整个知识结构适在

测量模块M e sr a u em e t n

励磁电流和电枢电流I n a fa d l

图 2他励直流电动机仿真框图 Fi 2 Si ul i l c i gr m f t g. m aton b o k d a a o he s pa a

e y e ie e r t l— xct d DC o or m t

体系内已知参数关系式并且需要绘制特性曲线的地方都可以应用。

可见， MAT AB在此方面的应用将会和参数 L计算一样，为学习和研究创新思维的实践提供良好

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第 1 8卷第 2期断路器lBr akcr e l

田

浩： qI B在电机教学中的应用 MA、 A

R l

IO le tl ncx【 pa l

{ nj”

董下级fs/

图 3阻抗启动器部分电路框图 Fi 3 Pa t b o k a a o h e i t nc g. r l c di gr m f t e r s s a e s a t r c r ui t r e ic t

图 6启动器未接入时的电枢电流曲线( O~ 2S )Fi g.6 Ar a ur ur e u v he m t e c r nt c r e of t

m o orw iho h t r e (~ 2 S) t t utt e s a t r 0

阻抗启动器共分五级，一级电路的框图在第图 3中示出。当仿真运行到某一断路器的导通时刻时，断路器将短路相应电阻 .而达到使启动器总从阻抗减小的效果。动器的各级电阻阻值：一启 R3 O Q, .O 尺，一 2 OO Q, . R: 1 5 Q, .3 尺一 0. 0 Q, 9

R一 0 5相应的断路器导通时刻为： . 5Q。 t= 5 0 . 7 S, t 2: 9 0 S, . t 3= 1 . t 2 0 S, 4= l 0 S, 5一 l .0 s … 0 5. t…Ⅲ% 。如fs,

仿真过程依照启动器是否接人电路分为两步。 两次仿真过程中的速度、矩和电枢电流曲线均加转以记录。里仅给出仿真过程中观测到的电枢电流这和转速曲线 ( 4至图 7。对比中可以明显地看图 )在到启动器接人电枢回路后对于电动机启动状况的影响，机运转达到稳态的时间延长，过电枢的电通最大电流显著减小。

图 7启动器接入时的电枢电流曲线 ( O~ 2 ) 0SFi g.7 Ar a ur ur e u v he m t e c r nt c r e of t

m o orwih t e s a t t t h t rer (~ 2 0 0 S)

直流电

动机启动过程仿真实例中明显地体现出 s l k含其中的 s o ry tms i i ( mu n i wes se )在电机 mp

学中应用的优点：建立仿真模型的操作过程简单易行；真参数 (运行时间，真解法，分立模块仿如仿各的特性参数等 )易于调节。际应用中，实在模块库里可供选择的不仅包括同步电机、步电机、流异直

电机等电机模块和它们的励磁、量等配套模块，测

而且有电阻、电感、导体功率元件等电路元器件半的仿真模块，覆盖了电机学知识结构体系的大部分内容，以进行常见类型的电机及其配套系统的建可模仿真。ts l

图 4启动器未接入时的转速曲线( O~ 2S )Fi 4 S e ur e o h ot g. pe d c v f t e m or

3结语 从上文中，以归纳出将 MAT AB引入电机可 L

wih utt e s a t r (~ 2 S) t o h tre 0

学中并与之紧密地结合，有如下的益处：1将复杂的数学计算从电机学中分离出去， ) 提高学习与研究的效率；

2充实电机学的知识结构体系，供了全面 )提深入地进行学习与研究的软件平台； 3有利于在电机学的教研方面与国际接轨 )

充分吸收国外的经验成果，进我国电机学教研的促ts/

图 5启动器接入时的转速曲线 ( 0~ 2 ) 0SFi 5 Spe d c v f t o or g. e ur e o he m t

发展与进步；

4增强电机学与其他电气信息类学科之间的 )有机联系，益于同类学科知识的相互渗透和综合有

wih t e sare (~ 2 t h t tr 0 0 S)

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电力系统及其自动化学报

20 0 6年 4月

发展。

a ma S .E e ti M c ie y n a n as[] Ch p n J lcrc ahn r Fu d me tl 5

综上所述，类似 MATL AB这样的科学与工程计算软件在电机学中的全面应用，于本学科在新对时代的发展与进步有着重大意义。至少在电机学的基础教学中，师所致力于的重点不是只限于传授教基础知识，还将计算机技术和这些知识联系起来，

( o rh E io ) M] Ne o k Mc a l, F u t dt n r . w Y r: Grw Hi i l2 5. 00

章舒电 M .电 6戴文进，穗，志兵 .力拖动[]北京：子工]业出版社， 0 4 20 . 7顾德英，正东，平 ( u D yn, i h n d n,]季张 G e ig j Z e g o g

Z a gPn )基于 Smuik的异步电机的建模与仿 h n ig . i l n真 ( d ln n i lt no s n h o o smoo s Mo eiga dsmuai f y c r n u t r o a

将计算机技术的应用全面融人知识结构体系的每个细节中，而不是简单地将计算机作为一种教学的辅助工具。

b sd o i l k[]电力系统及其自动化学报 ae ns mui ) J. n( o e dn h Pr c e i gs oft e CSU EPSA ), 03, 2): 1— 20 1 5( 773 .

参考文献：[] Ryf . l ti Mahn r[ . o d n P et e 1 f P F Ee r c iey M] L n o: rni c c cH a l 19 8. l, 8

[]冯崇智，永丽 ( e gC o gh, i n l .步电 8李 F n h n z iL Yo gi异 ) 动机起动过程动态仿真及堵转判定方法 (y a c D n mism ul ton i a i a s ud o l c d nd t y n o ke r or of ot

[]王毓东，礼维，杰官. 2任张电机学[ .州：江大学 M]杭浙出版社， 9 . 1 0 9

ay cr n u trsat gpoes[]电力系统 sn ho o smoo tri rcs )J . n及其自动化学报 ( r ce ig f h S P A) P o edn so e C U E S, t20 03, 5(】 6): 2 3 . 22 4. 3

[]汤蕴硬，乃 .机学[]北京：械工业出版社， 3史电 M .机2 1 00 .

者田作简介

∞ m

[] Fiz r l E, n ly Cha l s, m a . e t 4 tge ad A Ki gse re U ns S D El c

浩

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(接第 1 7页 )上 0

本

特性参数测试仪进行电机实验有利于学生系统地理解和掌握电机知识，有利于培养学生对知识的也综合应用能力和创新能力。

[]林宪枢 ( i i s u .机学课程中的磁路及相关 3科 Xa h )电 In n内容 ( g ei crut a dt er eai s nee t c Ma n t i i n h i r lt e lcr c c s v i i生

mahn r o re[]电力系统及其自动化学报 c iey cus ) J .a

目前电机特性参数测试仪还只能记录并分析负荷的输入电压、电流和吸收的有功、功功率，无对于电机的特性展现还不够全面，下一步还要进行电机转速、出转矩的数字化测量，一步开发电机输进

( r c e i g ft e C U S ) 2 0, 2( ) 4— P o e d n s o h S EP A, 0 0 1 2: 548 .a

[]马宏忠，虔生，瑞明 ( aH n zo g HuQi s e 4方 M o g h n, a h n∞胡 n, ag R i n .同步电机瞬变参数的测量 g F n umig)∞( a@ p r m e e m e s e e o s n hr nou Tr n int a a t r se a ur m nt f y c o s

综合实验台功能，开展设计型综合型实验。

mahn )J .力系统及其自动化学报 (rce ig c ie[]电 P oedn so h ft e CSU— EPSA ), 0 2 00, 2( 1 2): 8— 12 .

参考文献：[]肖金凤，荣辉，义发 ( i ifn, h o g u, 1朱盛 Xa J e gZ uR n h i o nS e g Y f )电气工程及其自动化专业电机学教学 h n i . a改革研究 ( e e rh o rfr t n i e c ig R s ac n eo mai n ta hn oee t i m a h n s c or ng O l c rc l ng n e i lc rc c i e a c di t ee t ia e i e rng

[2苏盛， 5李欣然，元新， (uS eg L irn C e陈等 S

h n, i na, hn X Y a xn e a )电力负荷特性记录装置的开发与应 u n i,t 1 .用 ( v lp n a d p l ain f la ta se t De eo me t n a p i t o o d r n in c o

rcre )[] eodr J .长沙电力学院学报 (o r a o J un l fCha s U ni e s t of ng ha v r iy El c rc e t i Po e,2 02。1 w r) 0 7 ( 1): 7 3 2 0.

a da tmai pc ly[]电力系统及其自动化 n uo t nsei i, J. o at)学报 ( r ce ig ft eCS E A) 2 0 1 (: P o e dn so h U— PS, 0 3, 5 6)97— 9 9.

作者简介：

[]肖鸿杰，金煜，钢 ( i n j,o gJ y, e 2宋韦 Xa Ho gi S n i u W i o e nGa g)《机学》程教学改革探讨与实践 n .电课(Exp o a i a p a tc of t a i g r f r l r ton nd r c ie e ch n e o m

何纯芳 (9 3 )男，士，要从事电力系统运行分析的 16,学 主教学科研：作。E i He h@c u t c 【 mal c f s s. n:

刘建华 (94 )男，教授，要从事电力系统运行分析 1 6,副 主与控制的教学与科研工作。E i: Lu CU tc malj i@ SS.n h陈元新 ( 4 )男，教授，要从事电力系统运行分析 1 6,副 9主与控制的教学与科研工作。E i:x h n s s . n maly C e@c u t c

ap oc r l ti Mahn cus )J .力系 p rahf Ee r c ie o re[]电 o c c统及其自动化学报 ( r c e ig f h S P A) P o edn s e U E S, ot C20 O1. 3(: 5 7 .】 5) 7 7