MATLAB在電機學課程中的應用

摘 要：變壓器、直流電機和感應電機是電機學課程學習的主要內容。利用MATLAB編程對電機學課程中難重點問題進行分析和求解，加深對電機學課程中難重點的理解和掌握。既可以實現電機學課程教學目的，又可以提高學生對電機學課程學習的興趣。

關鍵詞：MATLAB 電機學 編程

中圖分類號：TM32 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（a）-0135-02

在MATLAB軟件平臺上，通過編制各種語句來實現所需要的計算機輔助分析工作，所有的復雜工作需要編程者自己完成。如進行動畫演示，需要編程者通過各種語句自己設計演示方案，畫出演示目標，完成演示過程。如果是進行數值積分，那需要編程者根據標準算法自己編制相應的子程序來完成。在電機學中，編程方式適用于進行所有的計算機輔助分析和仿真。以單相變壓器外特性分析、并勵直流發電機的自勵過程和感應電機的起動過程為例進行分析。

1 單相變壓器外特性分析

變壓器一次側接額定電壓，二次側空載時的電壓就是額定電壓。當二次側接入負載后，即使一次側電壓不變，二次側的電壓也不再是額定值，變化后的電壓大小與負載電流、負載性質和短路阻抗參數有關。表征該變化的物理量就是電壓變化率。根據電機學理論，電壓變化率為：

式中為 負載電流的標么值；

為 短路電阻、短路電抗的標么值；

為 負載的功率因數角。

根據上式，即使負載電流和變壓器短路參數不變，負載性質發生變化，那么電壓變化率也會發生變化，進而影響輸出電壓的大小。一般地，該變化規律為：對阻性負載，=0，必然有>0，<1；對感性負載，>0，也必然有>0，而且數值比阻性的要大，<1；對容性負載，<0，則可能出現<0，>1。

一臺單相變壓器，已知短路阻抗參數為。圖1所示為該變壓器不同負載性質時輸出特性的變化規律。

2 并勵直流發電機的自勵過程

并勵直流發電機完成啟動和電壓建立的過程叫自勵過程。完成這個自勵過程需要滿足三個條件，即：電機的主磁路有剩磁；勵磁繞組連接極性要正確；勵磁回路的總電阻小于臨界電阻。

自勵的過程就是發電機的端電壓從剩磁電壓逐漸增加到穩態電壓的過程，實際上就是空載特性和勵磁回路電阻線求交點問題。動態的過程就是在空載特性和勵磁回路電阻線之間反復迭代，最后得到穩態交點。

并勵直流發電機的空載特性數據如表1所示。

通過MATLAB編程可以顯示其自勵過程及勵磁電阻的影響，如圖2所示。

3 感應電機的起動過程

感應電機的定子是三相對稱交流繞組，形成同步轉速旋轉的多極對稱磁場。感應電機轉子上是無源結構，通過電磁感應產生電磁轉矩，帶動轉子旋轉。由于其原理的特殊性，感應電機的轉子轉速一定是小于同步轉速，其差值就是轉差率。

感應電機轉子上用得最多的是籠型結構，本質也是多相對稱交流繞組。通過屏幕圖形的直觀顯示，可以加深對感應電機原理的理解。

有一臺感應電機，定子繞組4極，轉子籠條24根。其起動過程原理演示如圖3所示。

4 結語

利用MATLAB強大的計算編程功能，通過對單相變壓器外特性分析、并勵直流發電機的自勵過程和感應電機的起動過程的分析，對電機學課程中的難重點問題進行分析和求解，既簡化了分析和求解的過程，又加深了學生對難重點的掌握和理解。同時，增強了學生學習電機學課程的主動性，提高了學生學習電機學的興趣，實現了電機學課程學習的目的。

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