Matlab仿真軟件在電機與拖動中的應用

廣東理工學院電氣工程系 胡林林廣東理工學院工業自動化系 付 龍

Matlab仿真軟件在電機與拖動中的應用

廣東理工學院電氣工程系 胡林林廣東理工學院工業自動化系 付 龍

電機與拖動課程涉及電、磁、熱等知識，內容抽象、概念多、公式推導繁瑣復雜，難于理解，從而使得老師難教，學生難學，本文提出將Matlab仿真軟件應用在電機與拖動的教學中，通過實例表明應用Matlab軟件可以使許多抽象的問題簡單化、形象化，便于學生理解，從而提高學生學習的積極性。

電機與拖動；Matlab；simulink；教學改革

0 引言

《電機與拖動》課程是電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業課程，本課程由于涉及到磁場的概念，使教學內容抽象、概念多、公式推導繁瑣復雜，難于理解，導致學習這門課程存在著學生難學的情況，學生學習的積極性不高，本文提出將Matlab仿真軟件應用于實際教學中，使教學過程更加形象、生動，使學生更好的掌握本課程的內容，提高學生學習的興趣。

1 Matlab仿真軟件

Matlab是MathWorks公司開發的軟件，該軟件可以進行矩陣運算、繪制圖形和曲線、實現控制算法、創建用戶界面等。Matlab實現數值計算與仿真主要有兩種方式：(1)創建M文件，編寫仿真程序；(2)使用Simulink進行仿真，Simulink是Matlab最重要組件之一，是一個動態系統建模、仿真和綜合分析的軟件包，在Simulink提供的圖形用戶界面(GUI)上，只需要進行簡單的拖拉操作即可構造出復雜的仿真模型，具有簡單、明了的優點，廣泛應用于線性、非線性系統以及離散、連續及混合系統。電機與拖動的Simulink仿真模型構建主要使用Simulink中的SimPower Systems模塊庫。

2 仿真實例

2.1 直流電機機械特性的Matlab仿真

直流電機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩的關系，機械特性分為：(1)固有機械特性；(2)人為機械特性。

(1)固有機械特性的仿真

某他勵直流電動機，已知額定值為UN=220N，PN=22kW，IN=115A，nN=1500r/min；電樞電阻Ra=0.18Ω；勵磁電阻Rf=628Ω，其對應的固有機械特性曲線的仿真圖如圖1所示：

圖1 固有機械特性曲線

圖2 降低電樞電壓的人為機械特性曲線

(2)人為機械特性曲線的仿真

直流電機的人為機械特性分為三大類：①改變電樞電壓的人為機械特性；②電樞回路串電阻的人為機械特性；③減弱磁通的人為機械特性。

圖2為降低電樞電壓的人為機械特性曲線仿真圖，電樞電壓分別為220V、180V、120V、80V。

圖3為電樞回路串電阻的人為機械特性曲線仿真圖，電樞回路所串的電阻分別為0.18Ω、0.68Ω、1.18Ω、1.68Ω。

圖3 電樞回路串電阻的人為機械特性曲線

圖4 減弱磁通的人為機械特性曲線

2.2 三相異步電動機的建模與仿真

三相異步電動機具有結構簡單、制造方便、價格低廉、運行可靠等一系列優點；還具有較高的運行效率和較好的工作特性、從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足各行各業大多數生產機械的傳動要求。

三相異步電動機的建模與仿真步驟如下：

(1)仿真系統模型的建立

首先建立一個新的Simulink窗口，在模塊庫瀏覽器窗口新建一個Model，通過鼠標的拖動將需要的模塊拖動到工作區中，拖動完畢后，搭建模塊，搭建好的仿真模型如圖5所示，最后進行模塊參數的設置。

圖5 三相異步電動機的仿真模型

圖6 三相交流電源AB相電壓的顯示

內嵌專用系統的監控單元，對大功率發射機的監測與控制的準確性、及時性為對發射機的管理和維護提供了良好的條件，使得臺站能更好的完成播出任務，做好安全播出。

四、以上三種大功率發射機監控單元實際應用效果

現我所工作的發射臺所用機型中使用以上三種監控單元的大功率發射機都有，那么在實際應用中它們的效果如何呢？

第一種以51單片機為基礎的監控單元的發射機，這類發射機因成本控制較低，其使用的監控單元結構簡單，所實現的功能相應的也少。該系統具有手動開關機和遙控開關機功能，能顯示入射反射功率，可查詢各功放模塊的工作電壓電流和輸出功率。但受51單片機的局限，它連接各功放盒的線路過于繁瑣，導致與各功放盒的的數據傳輸經常丟包，造成個別數據讀取延時甚至讀取不到，造成監測狀態的誤報。因該系統的開關是由單片機的指令直接控制，當單片機主控故障時將無法通過控制板上的開關鍵進行開關，也不可能進行遙控控制，這種情況下必須進行維修才能讓發射機進行工作。

第二種以PC機為基礎的監控單元的發射機，這類發射機的監控單元由于采用了PC機，使得其具備良好的人機界面，其監測的信息量也很大，除了常規的發射機功率數據及各功放盒的各種實時數據外，它還有各種告警信息，并且能將各種采集來的數據存儲，方便維護人員調取日志查看發射機的歷史數據以確定維護方向。該類監控系統不僅通過PC主機進行控制開關機、待機、遙控，它還有一套由邏輯電路組成的控制模塊，當PC主機故障時可通過控制模塊上的按鍵直接控制發射機的工作狀態，在保證播出時可暫時不對其進行維修。

第三種使用內嵌專用系統監控單元的發射機，這類發射機可說是現在處于技術領先的發射機。該機型不僅主控是內嵌專用系統，它的功放盒、激勵器、冷卻單元，甚至是射頻網絡都有自己的內嵌監控系統，各系統各司其責保障整個發射機系統的運行。其主控單元具有PC機一樣好的人機界面，可通過各級菜單對發射機的工作狀態進行控制，同時也可設置發射機的工作模式。該主控去除了PC機上的一些附屬的不必要的功能直接針對發射機系統讀取顯示各單元的任何數據，包括各功率參數、電壓電流、工作溫度、冷卻系統的狀態等，同時具備告警功能并保存日志。當主控故障時，可直接通過激勵器上的內嵌系統對發射機進行控制，甚至可通過各單元的內嵌系統單獨進行控制和查看其的工作狀態。這類系統的各單元的內嵌監控模塊都具備控制本身工作狀態和監測功能，它可設置控制本地和將控制移交至上一級，所以當主控故障時可通過主控的下級控制進行控制，也可將發射機的各級控制歸還各級本地，然后逐一控制，并可通過遠程端口進行實時的數據監測，在保證播出時可長時間進行工作。

五、結論

現在大功率發射機都使用了以MOS管為功放模塊的多功放盒合成功率的方式，MOS管的穩定性和高壽命大大保證了發射機持續播出的時間。監控單元猶如發射機系統的大腦一般，一套可靠、穩定、實時的監控單元對發射機來說是相當重要的；反之，若是監控系統不可靠、讀取數據不及時甚至不真實，那么必定會造成維護上的誤判，甚至導致發射機損壞。所以了解發射機的監控單元，對發射機的維護很重要，對安全播出的保障至關重要。

[1]GME1014F型10KW大功率合放式全固態電視發射機技術手冊。

[2]BT03-103S_10kW電視發射機中文技術手冊。

[3]EUT液冷20kW（模擬/數字）電視發射機中文技術手冊。