浅谈电工仿真软件及Simulink仿真软件在培训中的应用

传云 宁立军 陶然 苗强

摘 要：针对学员在维修电工实际项目中操作时存在人身触电及电气元件损坏的风险，本文特提出采用电工仿真软件模拟电路原理图中电路接通与断开情况，用MATLAB＼Simulink软件模拟电机过载，分析电机参数（定子电流、转子电流、电机转速、机械转矩）的变化趋势，通过电工仿真软件与MATLAB＼Simulink软件两者结合，从静态过程与动态过程帮助学员更好理解电路的动作过程及动作后的效果，有效提升员工分析生产实际问题和解决实际问题的能力，避免员工实际操作时发生的触电风险，保障人身及设备安全。

关键词：电工仿真;Simulink仿真;人身安全;培训

0 引言

目前在维修电工学员在培训上存在以下3种问题：（1）理论知识枯燥。以往在维修电工培训过程中采用理论讲解为主，导致初学维修电工的学员在学习过程中感到既枯燥又吃力，出现课堂讲、课下忘，快考试时临时抱佛脚，死记硬背动作流程和所有电器元器件的动作过程，为了考试而考试，培训效果收效甚微。（2）实际项目动手少。考虑到员工的个人安全和电气设备的安全，一般在实际操作项目上采取学员接完线路不送电，由老师检查接线正确与否。或者在老师的指导并检查无短路等情况下才可送电试验观察各电器元件的动作情况，这就导致学员光凭理解和记忆学习知识，不能很好的从视觉感官上明白具体各元件的动作过程，对电路知识的理解记忆并不深刻。（3）不明白电路运行的动态过程。在维修电工岗位工作中，除了明白电路的工作原理，还应知道动态量的变化，比如抽油机载荷的变化对电流及转速的影响，短路故障时幅值具体比正常运行电流高多少，在什么时间达到最大幅值等等涉及各种动态过程的效果。

为了解决上述问题，提升员工培训效果，本论文特提出采用电工仿真软件模拟电路原理图中电工原理理论分析及电路元器件接通及断开情况，通过点击接线图中的开关、起动与停止等各种按钮，可在图中清晰看到电气元器件接通或者断开后的电路状态，对元器件的动作过程一目了然，极大有助于学员理解并掌握电气原理，降低实际项目中的操作风险，保障人身及设备安全。与此同时，提出用MATLAB＼Simulink软件仿真电路的动态过程，以电机过负荷为例，分析定、转子电流、转速及载荷的变化情况。通过电工仿真软件与MATLAB＼Simulink软件两者结合，从静态过程及动态过程帮助学员更好理解电路的动作过程及动作后的效果。

1电工软件模拟异步电动机联锁正反转控制

电工仿真软件有多个项目的电气控制原理图及接线图，可按照自身学习需要选择相关的学习项目进行学习[1-2]。该软件中，包含本项目中所用电器元件的基本理论介绍，可选取手动布线与自动布线两个选项进行选择：自动布线为系统自动连接电路，可快速模拟动作过程。手动布线为模拟实际平布线过程，按等电位点进行布线，可有效防止学员在真实接线时的误操作。通过运行演示界面，点击相应的动作开关和按钮，可清晰看到线路接通与元件动作情况。学员通过该软件的仿真功能，可以观察到控制线路的动作过程，这对于员工理解控制线路的原理是一个很好的计算机辅助工具。

本文以异步电动机联锁正反转控制为例进行分析和说明，软件界面如下图1所示，左侧表示原理图，右侧表示实际接线图。图中L1L2L3表示三相交流电源;QS表示隔离开关;FU表示熔断器;KM表示接触器;FR表示热继电器;M（3～）表示三相电机;SB表示按钮。

为了快速得到仿真结果，本文选取自动布线，具体动作过程如下：按下电源开关QS后，原理图中QS接通;再按下起动按钮SB2后，接触器KM线圈通电，KM常开辅助触头闭合，KM主触头闭合，电机M连续运转;松开起动按钮SB2后，其常开触头恢复分断后，因为接触器KM的常开辅助触头闭合时已将SB2短接，控制电路仍保持接通，所以接触器KM继续得电，电动机M实现自锁连续运转，模拟运行图如下图2所示。

假设电机过载，即在电机上按下鼠标模拟电机过载，此时电机转速变慢，3秒钟后热继电器辅助触头分断，接触器KM的自锁触头在切断控制电路时已经分断，解除自锁，SB2已经分断，所以接触器KM不能得电，电动机M也不会转动。

综上所述，电工仿真软件可以清晰看出电路接通与断开情况，使学员充分了解电路的工作原理。在实际操作前模拟接线过程，防止错误操作引发触电事故和电气设备损坏事故。

2 利用MATLAB＼Simulink软件模拟电机过载

Simulink是MATLAB提供的實现动态系统建模和仿真的一个软件包[3-5]，是基于框图的仿真平台。Simulink最初是为仿真控制系统而建立的工具箱，在使用中易编程、易扩展，并且可以解决在使用MATLAB过程中遇到的非线性、变系数等问题。它能够进行连续系统和离散系统的仿真，也能够进行线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率系统的仿真，使不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就能仿真较大、较复杂的系统。

本文以异步电动机过载为例进行分析定子电流、转子电流、转速及机械转矩的动态变化过程，设置电机的参数如下：额定电压UN=380 V;电机额定功率PN=2.2 Kw;额定转速nN=1500 rpm; 额定频率f=50 HZ;额定转矩按照TN=9550*PN/n计算，则TN=14 N.m;负载从1s开始由10 N.m上升到80 N.m，仿真时间设置为2s，仿真波形由下图3所示。

由图3可知：当负载载荷增加后，转子电流迅速上升，达到22A左右，说明负载增加转子电流也会增加，符合实际工况。定子电流和转子电流类似，只是变换频率比转子快，数值上比转子电流略小。随着负载的变大，电机转速有所下降，保证电机的机械转矩能跟踪到负载载荷以维持电机正常运转。

综上所述，利用MATLAB＼Simulink软件可以清晰看出转子电流、定子电流、电机转速、机械转矩的变化趋势和具体数值大小，更加有利于我们掌握电机过载时的动态过程。

3 结语

本文采用电工仿真软件模拟电路原理图中电路接通与断开情况，用MATLAB＼Simulink软件模拟电机过载，分析电机参数（定子电流、转子电流、电机转速、机械转矩）的变化趋势，通过电工仿真软件与MATLAB＼Simulink软件两者结合，从静态过程及动态过程帮助学员更好理解电路的动作过程及动作后的效果，有效提升员工分析生产实际问题和解决实际问题的能力，避免员工实际操作时发生的触电风险，保障人身及设备安全。

参考文献：

[1]赵芳.仿真教学软件在《电机与电气控制技术》一体化课程中的应用[J].计算机产品与流通，2020（01）：178-179.

[2]李琪菡.电工实验教学改革思考[J].教育教学论坛，2020（36）：183-184.

[3]任亚明.Simulink仿真软件在电工技术教学中的应用[J].企业科技与发展，2019（06）：105-106.

[4]张金霞，樊明，陈晓弢，韩进辉，张海峰，李文秀.基于SIMULINK异步电动机的动态仿真[J].青海大学学报（自然科学版），2012，30（02）：5-9.

[5]于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011：172-218.