多软件仿真技术在“电机及拖动基础”实验实训课程教学中的应用

马 莉，宋莉莉

（昌吉学院 能源与控制工程学院，新疆 昌吉 831100）

0 引言

“电机及拖动基础”课程是电气工程及自动化类专业的专业基础核心课程之一，该课程具有较强的实践性，目前学校使用DDSZ-1 电机及电气技术实验平台，该平台提供三相0～450 V 可调交流电源，同时可得到单相0～250 V 可调的交流电源，配有一台三相同轴联动自耦调压器。高压直流电源两路，提供220 V（0.5 A）励磁电源及40～250 V（3 A）连续可调稳压电枢电源。该设备属于强电类设备，高电压大电流，实验操作须严格遵守安全操作规程，由于学校大规模扩招，学生数量增多，每学期开设电机拖动实验的专业学生达到200～300 人，学生基础参差不齐，加之实验指导教师数量有限，实验设备维护人员紧缺，设备故障率较高。同时由于近些年高校的专业课课时都在不断减少，有限的实验课时导致学生在实验室的动手操作的时间非常有限，时间和硬件资源无法保证让所有学生在实物的电动机控制电路上进行设备选型和设备连接，传统硬件实验教学中还需考虑学生安全，故一定程度上限制了学生全面动手能力和实践能力的提升。

“电机及拖动基础”实验课程改革通过引入虚拟仿真实验、电工仿真软件应用、整合硬件实验平台、强化实验数据分析和报告撰写能力等方式，提升电机拖动实验的教学效果，培养学生的实践能力和综合素质[1]。

1 多软件仿真平台

1.1 维修电工仿真软件

集合了交直流电动机、变压器、低压电器，电工仪表等，内容涉及外形结构、工作原理，装配维修，此外还包括电动机控制和电力拖动系统的电路原理、布局连线、运行排故等。

1.2 电工技能与实训仿真软件

电工技能与实训软件，包含交直流电动机的各种控制线路原理图及接线图，学生可以学习电路原理并进行实物电器接线，在手动布线过程中进一步掌握电机运行与控制的电路设计。

1.3 MATLAB 仿真软件

MATLAB 软件具有强大的数据分析和可视化功能，提供了丰富的电机模型和控制算法库，学生可以通过MATLAB 进行电机系统的建模和仿真，根据实验目的，选择不同类型的电机模型，并应用不同的外围电路来进行仿真实验[2]。利用SIMULINK 工具箱和Powerlib 工具箱进行电机拖动系统的建模，通过MATLAB 对仿真数据进行处理和分析，示波器观察特性曲线，更深刻地理解电机的运行状态和性能。学生还可以利用MATLAB 的数据处理工具，进行数据拟合、滤波等操作，实现更加准确的数据处理和结果展示，提高对电机工作原理和机械特性的理解，帮助学生更加深入地理解电机的工作原理和控制策略。

1.4 电工仿真教学软件

电工仿真软件是一款异步电动机运行控制线路连接运行仿真工具，包含交流电动机点动自锁控制电路，接触器联锁正反转控制，顺序启动控制，多地控制电路，自动往返控制电路等[3-4]。传统实验室无法全面训练学生的交流电动机各种控制线路的设计和连接运行，而电工仿真软件恰恰解决了上述不足。学生可以在课下根据自己的时间灵活安排学习，在个人电脑上运行电工仿真软件，按照自己的想法设计各种各样的电动机控制电路，熟练应用电工测量仪表和低压电器的选型和安装及使用，观察电动机控制线路的运行，牢固掌握相关电气元件和电气线路的设计方法。

2 多软件仿真技术实验教学应用案例

2.1 异步电动机教学应用案例

2.1.1 维修电工仿真软件应用

在讲解三相异步电动机的工作原理与结构内容时，实验室电动机为固定封闭结构，学生无法观察到电机内部结构，在课程中采用维修电工仿真软件，通过异步电动机的虚拟拆装实践练习，帮助学生深入理解三相异步电动机结构组成与工作原理，以利于将抽象的电磁感应理论形象化、具体化，促使学生深入理解电机装置进行能量转换的物理本质，提高学生对电机拖动课程理论知识的领会程度。如图1 所示。

图1 三相异步电动机拆装结构图

2.1.2 电工技能与实训仿真软件应用

鼠笼式三相异步电动机的起动方法有直接起动、星形三角形（Y-Δ）换接起动、自耦变压器降压起动等。在三相异步电动机的起动实验讲解和实施过程中，首先采用电工技能与实训软件进行仿真接线，在仿真软件中点击认识低压电器的名称外形和电路符号及设备的每个触点，将断路器、熔断器、交流接触器、热继电器、按钮、电动机等设备，通过学生自己从元器件库中的设备选型然后放置在相应位置，根据电气原理图进行相应的布线，按照原理图布线完毕后合上电源开关，按下启动按钮，进行运行操作。

2.1.3 电机实验台实物实验

采用DDSZ-1 电机与电气技术实验台，进行实物操作实验。选用三相鼠笼式异步电动机一台，型号为DJ16，选用一台校正直流测功机与异步电动机同轴连接，型号为DJ23，将以上两个电机设备安装在导轨上面连接测速发电机和转速盘，采用数模交流电压电流表进行电压电流的测量，型号为D33，选用型号为D51 的开关板，选用三相可调电抗器型号为D43。将三相交流电源、电动机定子绕组、电压电流表、开关板连接起来组成星形三角形电动机降压起动电路，用开关板将星形接线和三角形接线进行切换，启动时候开关打到右边形成定子三相绕组的星形接法，运行时开关打到左边形成定子绕组三角形连接。采用三相电抗器组成自耦变压器，接入鼠笼式异步电动机启动电路，合上电源开关，开关板开关打到右边，电机由自耦变压器降压启动，再把开关打到左边，电机按额定电压正常运行。

2.1.4 电工仿真软件应用

在讲解三相异步电动机的正反转控制原理和实验课程当中，采用电工仿真软件对三相异步电动机正反转控制线路进行仿真布局接线，通过元器件介绍和认识，手动布线和自动布线的实操练习，然后接通电源进行工作演示。在仿真软件练习手动控制正反转电路、接触器联锁正反转、按钮和接触器双重联锁正反转控制线路的不同接法，熟悉在操作过程中有哪些异同之处。掌握由电路原理图连接实际线路的操作电路方法，从而深刻掌握三相异步电动机正反转控制的原理方法和线路设计思路。

将三相异步电动机的结构原理，起动方法，正反转控制线路的实验内容通过不同软件平台配合完成，内容丰富，操作平台多样化，学生既有实物的动手操作体验，又有仿真平台的实践操作能力训练，达到了深入透彻的教与学的目的。

2.2 直流电动机起动实验案例

2.2.1 电工技能及实训仿真软件应用

直流电动机具有起动稳定和调速快优点，广泛用于电力牵引、轧钢机、起重设备及要求调速范围广的机械中。在自控系统中，小功率直流电机应用广泛。电机拖动课程授课过程中给学生介绍直流电机的结构和工作原理，电路、磁路系统及电力拖动运行特性。采用电工技能及实训仿真软件对直流电机的结构组成进行装配训练，通过动画形式的直观零布件拆装与组合，深刻形象的认识直流电机的结构，理解直流电机的工作原理。

2.2.2 电机实验台实物实验

在测试直流电动机电力拖动特性实验有关直流电动机的起动和调速实验过程中，先进行直流电机启动调速的实物实验，通过将电动机、校正直流测功机、转速表同轴连接，学生亲自动手将电动机和校正直流测功机的励磁回路和电枢回路接线连接正确，将高压直流电源、开关、电阻、电机的励磁绕组和电枢绕组分别连接成串联回路。设置调整好电压电阻值，打开电源开关接通电路起动直流电机，观察电动机的电压电流和转速之间的相互关系。通过实验操作调节发现，增大电枢回路电阻，转速会降低，增大励磁回路调节电阻，转速会减小。在直流并励电动机的启动调速过程中，通过实验数据测量与分析发现，随着电枢电流的增大，励磁电流也在增大，输出电磁转矩也随之逐渐增大。输出功率随之增大，输入功率也随之增大，但是转速不会突变，随着负载的增大，转速只有略微的下降。同时在这个过程中，效率也是逐渐提高的。

2.2.3 MATLAB 仿真软件应用

在直流电动机的直接起动实验实施过程中，采用MATLAB 软件仿真平台，通过Simulink 仿真工具箱，借助于Powerlib 电力工具箱。在计算机上建立直流电动机模型，然后匹配外围电路和测量仪表，组成直流电动机的仿真模型，对直流电动机模块、直流电源模块、理想开关模块，定时器模块、常量模块进行参数设置，进行直流电动机起动仿真实验，接通直流电源可以模拟直流电机的运行过程，用示波器观察直流电机运行时的转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩的变化。从仿真结果的波形中容易看出启动电流冲击很大，同时电磁转矩的冲击较大，转速能够在较短时间内达到稳定。如图2 所示，分析不同参数对电机性能的影响，还可以进行电机控制的仿真实验，验证不同控制策略的效果，加深学生对电机控制原理的理解。

图2 他励直流电动机直接启动仿真结果

学生通过学校实验室的实物平台进行实际直流电机的直观认知、原理解读、线路连接、设备调试和起动运行及各个参数的测量[5-6]。同时，通过软件仿真平台学会模型搭建和参数设置。这些都能从不同维度锻炼提升学生的实践操作能力和思维创新能力[7]。

3 结语

多软件仿真技术实验资源比较丰富，学生可以获得大量的实验资源，进行不同参数设置和控制策略的实验，丰富实验内容和实验形式。多软件平台仿真技术灵活性高，可以随时随地进行实验，不受时间和地点的限制。学生可以根据自己的学习进度进行实验，自由调控仿真实验的参数。多软件平台相比传统实验设备安全性好，通过虚拟仿真实验，可以避免实际实验中可能出现的安全隐患，减少实验事故的发生，降低了实验教学的成本和风险。

通过以上改革措施，“电机及拖动基础”实验课程可以更加贴近实际应用，提升学生的实践能力、解决问题的能力和创新思维。这种改革方式将为电机拖动实验课程的教学效果和学生能力的培养带来积极的影响。因此，多软件平台仿真技术在“电机及拖动基础”实践教学中具有重要的应用价值。通过该技术，可以提高学生的实践能力和动手能力，培养学生的分析和解决问题的能力。