異步電機實驗教學的Simulink 輔助設計方法

劉偉峰

（杭州電子科技大學自動化學院 浙江·杭州 310018）

0 引言

異步電機調速實驗教學的主要目的是為了讓學生了解和熟悉交流調壓調速系統的工作模式、異步電動機調壓調速系統的原理與組成。Matlab 的Simulink 設計系統提供了一種更為強大的工具，但是由于異步電機方程屬于多變量微分方程組，各個變量之間互相耦合，讓許多同學望而卻步，如何讓枯燥的公式組成直觀地異步電機模塊，成為問題的關鍵。為此，本文提出在專業課程實驗教學中，引入模塊化的設計方法，可以有效降低實驗設計的難度；同時，可以增加學生的興趣。通過近年來在實驗教學中的推廣，基本上本科生都可以獨立完成。對于其他學科例如力學模型，電力系統分析模型[3]等方面的實驗教學與研究也具有積極地借鑒意義。

1 異步電機的設計原理

異步電機的模型具有多變量、高階性、非線性的特點，需要用一組高度耦合的微分方程來描述，這里采用常用的 - 坐標系（即2項靜止交流坐標系）描述模型，選擇 的5 個狀態變量描述異步電機方程。其中狀態變量為輸出變量為為電機轉速， 為磁鏈向是電流向量。

2 異步電機的模塊化設計方法

考慮動態模型作為研究對象，分析其模塊化的設計方法，模塊化的主要設計思路如下：

（1）模塊劃分：模塊的定義既可以功能作為對象進行劃分，例如輸入模塊，輸出模塊；也可以變量屬性為對象進行劃分：例如電流模塊，電壓模塊。具體采用何種模塊，與所研究的具體對象具有密切的關系。（2）模塊關系建立。著眼于大的模塊之間的關系，而不是關注于各個模塊的細節，這樣容易從整個系統大的方面理解系統各模塊之間的關系。（3）模塊細化：針對各個模塊自身，進一步細化為更小的模塊。（4）模塊校核：對于復雜的模型，可以采用抽查的方式檢查模型設計是否正確，例如抽查某一個模塊的輸出關系是否正確，同時建立數據文件。

3 異步電機模塊化設計方法

按照從易到難的思路，分別以異步電機的穩態模型(公式(1))和動態模型作為對象，分析其模塊化設計過程。異步電機動態模型的模塊化設計，動態模型建模過程遠遠復雜于穩態模型，從大的方面，按照模塊功能的不同，異步電機包括：C3s/2s 轉換模塊、C2s/3s 轉換模塊、異步電機三個模塊，見圖1 中虛線框出的部分。仿真電動機參數見表1。此外：輸入信號是由三相交流信號分別為：

表1 參數變量取值

圖1 具有3 相輸入的異步電機動態模型圖

圖2 轉矩變化圖

圖3 轉速變化圖

4 結語

Simulink提供了許多各類函數與功能的工具箱，為各類系統的仿真提供了非常便利而生動的仿真平臺，但是，如何針對一個待研究的系統建立Simulink 仿真模型是令許多學生棘手的事情。本文從如何針對異步電機的穩態系統與動態系統，分析提出采用模塊化的思想建立異步電機的Simulink 模型。