電工學綜合性設計性實驗的設計

摘 要：本文用MATLAB/SIMULINK對電工學實驗（電機部分）中的典型實驗進行仿真，提取仿真示波器顯示的曲線，可以感性地觀察和分析實驗結果，并且培養同學們設計的實驗能力和編程能力。另外同學們先在電腦上設計和驗證自己的想法，再到實驗室進行實際物理操作。這將降低實驗設備的損壞率，從而降低了實驗成本，節省了實驗經費。

關鍵詞：綜合性；設計性；電工學實驗

1 MATLAB 簡介

1.1 MATLAB 概述

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。

MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。

1.2 SIMULINK 概述

SIMULINK是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統，也支持具有多種采樣頻率的系統。在SIMULINK環境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優點。SIMULINK包含有SINKS（輸入方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環節）、NONLINEAR（非線性環節）、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環節）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也可以定制和創建用戶自己的模塊。[4]

2 電機實驗仿真

2.1 引言

用MATLAB＼SIMULINK對電工學實驗中電機部分的典型實驗進行仿真，將培養同學們的編程能力和動手自己設計實驗的能力[5]。

2.2 單相變壓器空載運行

2.2.1 實驗原理

單相變壓器空載運行時，原邊電流主要用于產生主磁場，而電路損耗和鐵芯損耗很小，因此即使外加電壓很大，空載電流依然很小。同時由于受到磁路飽和的影響，在外加電壓為正弦規律變化時，原邊電流將畸變為尖頂波。運用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，可以很容易地觀察到這些現象[6]。

2.2.2 SIMULINK仿真模型

由圖1可見，電壓測量模塊與電源并聯，電流測量模塊與電源及變壓器原邊繞組串聯，然后將測量模塊的輸出分別送至示波器，以觀察波形。

單相變壓器副邊接一個電壓測量模塊（相當于開路），但并不需要接示波器。

雙擊交流電源、單相變壓器、示波器等模塊，可以進行相應參數設置。

在SIMULINK仿真模型庫中，既有飽和變壓器模型，也有線性（即不飽和）變壓器模型，因為要研究飽和引起的電流畸變問題因此必須采用飽和模型。（圖4）

2.2.3 實驗結果

雙擊示波器模型仿真結果如圖5所示。

3 結束語

本設計的基本思想是MATLAB / SIMULINK對電工學實驗（電機部分）進行設計和仿真，形成綜合性設計性實驗。

通過用MATLAB編程和用SIMULINK搭接實驗電路圖，能提高同學們的對實驗的設計能力，起到綜合性設計性實驗的作用。

參考文獻

[1]鐘清華.改革實驗模式，培養學生創新能力[J].實驗教學改革與探索，2002，5（3）.

[2]段斌.電工學“三環節五步教學法”的研究與實踐[J].高教論壇，2008，11（11）.

[3]潘曉晨.電機仿真精華50例[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4]張志勇.精通MATLAB6.5版本[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]Z.Chen，F.Blaabjerg，F.Iov.A Study of Synchronous Machine Model Implementations in Matlab/Simulink Simulations for New and Renewable Energy Systems.Electrical Machines and Systems， 2005. ICEMS 2005. Proceedings of the Eighth International Conference on， Vol. 3 （2005）， pp. 1960-1965Vol.3.

[6]辜承林.電機學[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

作者簡介：朱延平（1965-），男，工學碩士，高級技師，研究方向為配網規劃。

李文彪（1987-），男，工學學士，助理工程師，研究方向為配網規劃。