PAGE1PAGE他勵直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型研究摘 要實驗教學(xué)對與理論教學(xué)起到的是無可替代的輔助作用，可以更直觀形象地幫助學(xué)生對理論知識的進(jìn)一步深入認(rèn)識和理解。采用軟件仿真學(xué)生可以隨時隨地在自己的個人電腦上進(jìn)行想做的仿真實驗，實現(xiàn)自主、綜合和創(chuàng)新的實驗。將仿真實驗與傳統(tǒng)實驗手段相互結(jié)合，實驗過程更生動清晰，不僅提高了實驗效率，還激發(fā)了學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動性。本文介紹著重于他勵直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)，包括它們各自的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。通過分析原理和數(shù)學(xué)模型及運(yùn)算公式，建立相應(yīng)的仿真模型，他勵直流直流電動機(jī)的部分包括起動、調(diào)速、制動；三相異步電動機(jī)的部分包括起動、調(diào)速、制動。并對其中的直流電機(jī)的串電阻起動、弱磁調(diào)速、能耗制動，交流電機(jī)的串電抗起動、變頻調(diào)速、能耗制動著重分析。利用MATlAB及其中的可視化仿真工具Simulink，完成仿真內(nèi)容，并對仿真波形、機(jī)械特性曲線進(jìn)行分析。設(shè)計人機(jī)交互界面，使用GUI（GraphicalUserInterface，簡稱GUI，又稱圖形用戶接口）完成。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；交流電機(jī)；建模；仿真；Simulink；GUI目錄TOC\o"1-2"\h\z\u148351緒論 1292841.1選題意義和背景 1202281.2研究現(xiàn)狀 1291801.3課題主要內(nèi)容 2159962直流電動機(jī)與三相異步電動機(jī) 3227662.1直流電動機(jī) 3269332.2三相異步電動機(jī) 7151633建模與仿真 1160263.1MATLAB與可視化仿真工具SIMULINK 11150143.2基于GUI的界面設(shè)計 11234613.3實驗建模 146083.4仿真運(yùn)行 19140695總結(jié)與展望 269353參考文獻(xiàn) 2828770附錄 291緒論選題意義和背景電機(jī)學(xué)課程是本專業(yè)一門及其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，電機(jī)學(xué)課程注重實驗環(huán)節(jié)，實踐性強(qiáng)。實驗教學(xué)對與理論教學(xué)起到的是無可替代的輔助作用，可以更直觀形象地幫助學(xué)生對理論知識的進(jìn)一步深入認(rèn)識和理解，同時也能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。然而由于該課程涉及到電、磁、力的相關(guān)知識，使教學(xué)內(nèi)容抽象、概念多、公式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，難于理解[1]。實驗內(nèi)容沒有從模塊化、系統(tǒng)化的角度整體考慮，學(xué)生以被動接受為主，忽視了學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的地位，不利于學(xué)生主動獲取知識能力的培養(yǎng)，使學(xué)生缺乏創(chuàng)新等能力[2]。電機(jī)學(xué)實驗的進(jìn)行往往依賴于專門做此類實驗的實驗室，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等限制問題，實驗教學(xué)無法有效開展，且資源非常有限。而采用軟件仿真實驗來替代實驗室中的硬件實驗，學(xué)生可以隨時隨地在自己的個人電腦上進(jìn)行想做的仿真實驗，實現(xiàn)自主、綜合和創(chuàng)新的實驗。使用仿真實驗與傳統(tǒng)實驗手段相結(jié)合，互相彌補(bǔ)，使實驗內(nèi)容形象直觀，易于理解；實驗過程更生動清晰，提高了實驗效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性[2]。2013年8月13日，國家教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》指出“虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”[3]。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，各類信息化手段，諸如實驗項目信息化、實驗預(yù)約系統(tǒng)、實驗教學(xué)輔助系統(tǒng)、開放式實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)、演示的實驗系統(tǒng)、虛擬實驗項目以及遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)等在高校實驗教學(xué)中得到廣泛和多樣的應(yīng)用[4]。也就是說，在教學(xué)中虛擬仿真的占比已經(jīng)越來越重要，得到了廣泛的關(guān)注，是個無可替代的重要學(xué)習(xí)工具。研究現(xiàn)狀隨著課程對學(xué)生知識掌握的要求不斷提高，加上計算機(jī)軟件仿真技術(shù)的快速提高，虛擬仿真實驗將成為未來實驗教學(xué)的新方向，解決了傳統(tǒng)實驗室存在的許多不足，逐漸成為實驗教學(xué)的一種重要方式，因此得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[5]。國外對虛擬仿真實驗的研究也能給我們一些啟發(fā)，美國科羅拉多大學(xué)開設(shè)的PhET交互式虛擬仿真實驗，通過構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)化的虛擬實驗室，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)提供實驗條件，學(xué)生通過運(yùn)行基于物理現(xiàn)象分析的交互式虛擬仿真軟件，在高度仿真的虛擬環(huán)境中，以個性化學(xué)習(xí)、自主式實驗的方式，啟迪創(chuàng)新思維，驗證所提出的實驗方案和技術(shù)構(gòu)想[6]。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院在《信號與系統(tǒng)》實驗教學(xué)改革中，設(shè)計開發(fā)了虛擬實驗系統(tǒng)，使學(xué)生可以方便地更改實驗參數(shù)、設(shè)計實驗步驟、創(chuàng)設(shè)實驗情境進(jìn)行“研究式”和“協(xié)作式”的學(xué)習(xí)[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)給學(xué)生提供了教師開發(fā)的硬件研究平臺和以PSpice、Matlab/Simulink為主的仿真實驗環(huán)境,通過構(gòu)建研究性實驗教學(xué)體系,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、自我獲取知識的能力[7]。由此可見，學(xué)校對于實驗的仿真化是很重視的。文獻(xiàn)[8]描述了電機(jī)虛擬仿真實驗室系統(tǒng)的構(gòu)成、應(yīng)該具有的電機(jī)原理教學(xué)、虛擬實驗、信息管理的功能，為仿真系統(tǒng)界面和功能設(shè)計提供了一個方向。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[4]分別介紹了基于Simulink的直流電機(jī)的建模與仿真，和基于LABVIEW的實驗平臺設(shè)計，為理論到仿真實驗和實際應(yīng)用提供了不同的方法，體現(xiàn)設(shè)計方法的多樣性和廣泛性。文獻(xiàn)[18]和文獻(xiàn)[19]中都利用了MATLAB的GUIDE工具設(shè)計前端接口輔助仿真模擬。從文獻(xiàn)[10]可以看出，如今也已經(jīng)有較為成熟的仿真軟件系統(tǒng)，可以很好的進(jìn)行完整的仿真實驗實訓(xùn)。文獻(xiàn)[11]中展示了圖1.1的實驗平臺的主界面的例圖，文獻(xiàn)[12]則展示了圖1.2中直流電機(jī)仿真實驗的子界面，展示了GUI界面的大致界面顯示。圖SEQ圖\*ARABIC1.1實驗平臺仿真主界面示例圖SEQ圖\*ARABIC2.2直流電機(jī)仿真界面許多相似的仿真實驗平臺已經(jīng)陸續(xù)投入課程中使用，但本課題同時注重的是對理論教學(xué)與實驗?zāi)芰Φ慕Y(jié)合的思考，在硬件實驗環(huán)境的缺點逐漸暴露的現(xiàn)狀下，研究仿真實驗并和硬件實驗相輔相成，才是想達(dá)到的目的，所以本選題研究電機(jī)實驗平臺的建模與仿真，仍具有十分重要的操作意義。1.3課題主要內(nèi)容本文研究電機(jī)虛擬仿真實驗平臺的建模與仿真部分，建立他勵直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，設(shè)計人機(jī)交互界面，并對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。本文介紹他勵直流電機(jī)和三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理；建立數(shù)學(xué)模型和仿真模型：直流電機(jī)：直接起動、電樞回路串電阻起動、降壓起動電樞回路串電阻調(diào)速、降低電源電壓調(diào)速、弱磁調(diào)速能耗制動、反接制動、回饋制動交流電機(jī)：直接起動、串電抗起動、定子或轉(zhuǎn)子串電阻起動串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速能耗制動、反接制動、回饋制動建模和仿真的工具選擇MATlAB及其中的可視化仿真工具Simulink，完成仿真結(jié)果，本文主要講述直流電機(jī)的串電阻起動、弱磁調(diào)速、能耗制動，交流電機(jī)的串電抗起動、變頻調(diào)速、能耗制動，并對這些仿真進(jìn)行分析。設(shè)計簡單人機(jī)界面，使用GUI完成。與總?cè)藱C(jī)界面的人機(jī)交互

2直流電動機(jī)與三相異步電動機(jī)2.1直流電動機(jī)2.1.1直流電動機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)是能實現(xiàn)將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一類電機(jī)裝置。直流電動機(jī)的基本原理即為載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用。圖2.1直流電動機(jī)的物理模型直流電機(jī)的工作原理：圖2.1中N和S是固定不動的主磁極,abcd是裝在電機(jī)中的一個線圈，當(dāng)電刷A和B間外施直流電壓U,電刷A與電源的“+”相連,電刷B與電源的“-”相連。載流導(dǎo)體會在磁場中受力，電磁力f受流過導(dǎo)體的電流影響，方向根據(jù)左手定則確定，ab部分的受力從右向左，cd部分受力從左向右，這一對相反的力形成的力矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，方向為逆時針方向。電樞以速度n按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)過90°的時候，電機(jī)在該點進(jìn)行換向，線圈導(dǎo)體cd部分與電刷A接觸，ab部分與電刷B接觸，于是流經(jīng)線圈的電流方向改變，重新用左手定則判斷方向，依然為逆時針方向，電樞旋轉(zhuǎn)方向不變。以此運(yùn)行下去，電樞會逆時針旋轉(zhuǎn)回到初始圖1.1中時刻，完成一個直流電動機(jī)的周期運(yùn)行。這就是直流電機(jī)的工作原理。圖2.2直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由建立主磁場的主磁極、控制電機(jī)的換向的換向極、連接靜止不動和轉(zhuǎn)動部分之間的電刷裝置以及固定主磁極的機(jī)座等組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，又稱電樞，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量交換的樞紐，由放置電樞繞組的電樞鐵心、產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的電樞繞組、負(fù)責(zé)整流或者逆變的換向器和轉(zhuǎn)軸等組成。2.1.2直流電動機(jī)的勵磁方式圖2.3直流電機(jī)的勵磁方式在直流電機(jī)中，根據(jù)主磁場構(gòu)成方式不同，直流電機(jī)可以分為兩大類:一類是永磁直流電機(jī)，它是由永久磁鐵形成主磁極;另一類是采用勵磁繞組產(chǎn)生主磁極。采用勵磁繞組產(chǎn)生主磁極的方式又可以分為四種基本方式:他勵式他勵直流電機(jī)：勵磁繞組接在獨(dú)立的直流電源上，與電樞繞組無連接關(guān)系。并勵式并勵直流電機(jī)：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接。串勵式串勵直流電機(jī)：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)連接。復(fù)勵式復(fù)勵直流電機(jī)：主磁極上包括兩個勵磁繞組，一個為并勵繞組，一個為串勵繞組。若兩套勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢方向一致，稱為積復(fù)勵，反之稱為差復(fù)勵。實際應(yīng)用中常使用積復(fù)勵直流電機(jī)，本文主要圍繞他勵直流電動機(jī)實驗進(jìn)行討論。2.1.3他勵直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型下圖為他勵直流電動機(jī)的原理圖,圖中U是直流電壓，Ⅰa是電樞電流，Uf是勵磁電壓，If是勵磁電流，Ea是電樞感應(yīng)電動勢，T代表外部拖動轉(zhuǎn)矩，TL為電磁轉(zhuǎn)矩，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，M代表是直流電動機(jī)。圖2.4直流電動機(jī)的原理圖他勵直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的基本方程式：(2-1)其中U為直流電壓，Ea為電樞感應(yīng)電動勢，Ⅰa是電樞電流，Ra為電樞回路總電阻。(2-2)其中為直流電機(jī)的電動勢常數(shù)，Φ為磁通，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。T=CtΦIa(2-3)其中Ct為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為磁通，Ⅰa是電樞電流。T=TL(2-4)其中T為外部拖動轉(zhuǎn)矩，TL為電磁轉(zhuǎn)矩。(2-5)其中If是勵磁電流，Uf是勵磁電壓，Rf為勵磁回路總電阻。(2-6)其中Φ為磁通，與勵磁電流If和電樞電流Ⅰa之間的關(guān)系為非線性關(guān)系。2.1.4他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性表示的是轉(zhuǎn)速于電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖2.5他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性由圖2.5可見，他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線是一條斜率較小的曲線，它經(jīng)過理想空載點，即n=nN，T=0，而線上的點是它的工作點。2.1.5他勵直流電動機(jī)的起動、調(diào)速、制動他勵直流電動機(jī)的啟動方法有三種：直接起動、降壓起動、電樞回路串電阻起動。直接起動直接起動是指電動機(jī)電樞兩端之間增設(shè)額定電壓,電樞兩端回路不串聯(lián)電阻的起動方法。這種方式接線簡單，操作較方便，不需加啟動設(shè)備。啟動瞬間，額定電壓全都加在了電樞的內(nèi)阻上，由于內(nèi)阻很小，所以起動時的電流很大，是額定電流的10~20倍。起動電流過大，會導(dǎo)致起動轉(zhuǎn)矩也會過大，容易造成設(shè)備損壞，還可能會影響到其他用電設(shè)備。所以普通直流電動機(jī)是不允許直接進(jìn)行起動的。降壓起動降壓起動是指起動時降低電動機(jī)電樞兩端的電壓，減小起動電流，限制在一定的范圍內(nèi)，電樞兩端電壓隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速的逐漸增大而增大，直到達(dá)到額定電壓的起動。這種起動方式起動過程中損耗的能量少，起動平穩(wěn)，但需要專用的調(diào)壓設(shè)備。電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動是指起動時電樞兩端加額定電壓，電樞回路串入電阻，一般串入的電阻為多級電阻，并在起動過程中逐漸將電阻切除的起動方式。這種方式設(shè)備需求也較簡單，操作方便，但起動過程中損耗的能量多，所以并不適合頻繁起動的場合。他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：降壓調(diào)速、弱磁調(diào)速、電樞回路串電阻調(diào)速。降壓調(diào)速降壓調(diào)速是指降低電樞電壓的調(diào)速，保持勵磁磁通不變，電樞回路不串入電阻，通過調(diào)節(jié)電樞兩端電壓實現(xiàn)調(diào)速的方式。這種方式穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍較大，調(diào)速較為平滑，損耗的能量少，但需要專用的調(diào)壓設(shè)備。弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速是指減弱磁通的調(diào)速，保持電樞兩端電壓不變，電樞回路不串入電阻，減弱勵磁電流使磁通減小實現(xiàn)調(diào)速的方式。這種方式控制和調(diào)節(jié)勵磁電流方便，損耗的能量少，但靜態(tài)穩(wěn)定性差，調(diào)速范圍有限。電樞回路串電阻調(diào)速電樞回路串電阻調(diào)速是指保持保持電樞兩端電壓不變，保持勵磁磁通不變，在電樞回路串入電阻實現(xiàn)調(diào)速的方式。這種方式設(shè)備需求簡單，操作方便，但損耗的能量較大，調(diào)速范圍不大，因為分段調(diào)節(jié)電阻阻值，所以屬于有級調(diào)速。他勵直流電動機(jī)的制動方法有三種：能耗制動、反接制動、回饋制動。能耗制動能耗制動是指保持勵磁電流不變，切除電源的同時串入電阻和電樞形成閉合回路，電樞兩端的感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)的方向是相反的，實現(xiàn)制動的方式。這種方式接線簡單，但低速制動效果差。反接制動反接制動是指保持勵磁電流不變，電樞兩端的電壓反向接通，此時轉(zhuǎn)速來不及變化，電樞的電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩也與旋轉(zhuǎn)的方向相反，實現(xiàn)制動的方式。這種方式適合用于迅速停車的場合，制動效果較好。回饋制動回饋制動包括正向回饋制動和反向回饋制動，是指直流電動機(jī)的感應(yīng)電動勢大于外部的電源電壓，電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài)的方式。這種方式使電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋回電網(wǎng)，節(jié)約能源。2.2三相異步電動機(jī)2.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理三相異步電動機(jī)屬于異步電動機(jī)的一種，具有異步電動機(jī)的一般特性，異步電動機(jī)是一類交流電動機(jī)，因為異步電動機(jī)的電流是感應(yīng)生成的，所以也被稱為感應(yīng)電動機(jī)。異步電動機(jī)是指電動機(jī)轉(zhuǎn)子和定子磁場速度不一樣的電動機(jī)，轉(zhuǎn)子的速度比定子磁場的轉(zhuǎn)速快或慢。圖2.5三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理圖三相異步電動機(jī)的工作原理：當(dāng)三相異步電動機(jī)的定子三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，會產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)切割磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和磁場產(chǎn)生相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體為閉合回路，因此在感應(yīng)電動勢的作用下，產(chǎn)生了電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場中受到了電磁力的作用，兩部分的相反受力的作用下進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使得轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速w旋轉(zhuǎn)起來。在通常情況下，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)不到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，所以稱為異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙部分組成。電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，由可以減小損耗的定子鐵心，用于固定定子鐵心的機(jī)座，相差一定電角度的三個繞組組成的定子繞組組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子。而三相異步電動機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組形式的不同可以分為三相繞線式異步電動機(jī)和三相鼠籠式異步電動機(jī)。圖2.6為三相繞線式異步電動機(jī)，圖2.7為三相鼠籠式異步電動機(jī)。圖2.6三相繞線式異步電動機(jī)圖2.7三相鼠籠式異步電動機(jī)2.2.2三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖2.8三相異步電動機(jī)的等效電路圖三相異步電動機(jī)的基本公式為： (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) (2-11)2.2.3三相異步電動機(jī)的起動、調(diào)速、制動三相異步電動機(jī)的啟動方法有：直接起動、串電抗起動、定子或轉(zhuǎn)子串電阻起動。直接起動直接起動是指小容量籠型異步電動機(jī)接入三相交流電源可以直接起動的方式。這種方式接線簡單，操作較方便，不需加啟動設(shè)備。星-三角起動星-三角是指異步電動機(jī)起動時繞組從Y型連接改接成?連接的一種降壓起動的方式。這種方式起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均為直接起動的1/3，適合用于輕載起動，設(shè)備需求簡單。串電抗起動串電抗起動是指三相異步電動機(jī)起動時在定子回路串入電抗的起動方式。這種方式使用電抗限制了起動電流，產(chǎn)生一定的壓降，但起動轉(zhuǎn)矩也會減小，只適合用于空載或輕載起動，電抗設(shè)備的費(fèi)用較高。串電阻起動串電阻起動包括定子回路串電阻和轉(zhuǎn)子回路串電阻起動，定子回路串入電阻和串入電抗相似，產(chǎn)生壓降限制了起動電流，區(qū)別在于起動時電阻會消耗電能，起動設(shè)備需求簡單，操作方便。轉(zhuǎn)子回路串電阻起動一般用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動，串入轉(zhuǎn)子回路的三相起動電阻經(jīng)過延時分別切除，又稱三級起動。這種方式容易造成起動不平滑，線路較為復(fù)雜，沖擊電流會較大。三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法通常有三種：降壓調(diào)速、弱磁調(diào)速、電樞回路串電阻調(diào)速。串電阻調(diào)速串電阻調(diào)速是指繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的繞線轉(zhuǎn)子傳入電阻的調(diào)速方式。如果調(diào)速前后的電流不發(fā)生變化，屬于有級調(diào)速。這種方式低速時效率較低，穩(wěn)定性差，但設(shè)備較簡單，適合用于簡單的生產(chǎn)調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速是指降低三相異步電動機(jī)的定子電壓的調(diào)速方式。這種方式調(diào)速的范圍較小，轉(zhuǎn)速變化范圍有限，適合用于高轉(zhuǎn)差率的籠型異步電動機(jī)和可以在轉(zhuǎn)子串入電阻的繞線轉(zhuǎn)自異步電動機(jī)。變頻調(diào)速變頻調(diào)速是指改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的電源頻率，使轉(zhuǎn)速也同步改變的調(diào)速方式。若將電動機(jī)的額定頻率稱為基頻，則有基頻以上和以下的調(diào)節(jié)。這種方式調(diào)速的范圍大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，因為頻率是連續(xù)可調(diào)的，所以能實現(xiàn)無級調(diào)速，是應(yīng)用最廣泛的調(diào)速方式。三相異步電動機(jī)的制動方法有三種：能耗制動、反接制動、回饋制動。反接制動能耗制動回饋制動

3建模與仿真3.1MATLAB與可視化仿真工具SIMULINK3.1.1MATLAB簡介MATLAB也可叫做矩陣實驗室，是由MathWorks公司開發(fā)出的高性能仿真軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計算、圖形顯示、交互性等優(yōu)點[12]。MATLAB的功能豐富，可以普遍滿足使用者的使用需求，其編程語言與其他類別的編程語言相比，語句簡潔，便于理解和編寫，編程效率極高，對于程序編寫者和使用者都非常友好。MTALAB與其他編程工具最突出的優(yōu)點就是它有強(qiáng)大的繪圖和圖形處理功能，其動態(tài)性相比任何其他高級編程語言的生產(chǎn)力都是有優(yōu)勢的[13]。使復(fù)雜的一套模型系統(tǒng)可以被準(zhǔn)確地分析與仿真。MATLAB在教學(xué)科研領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，同時依然有著強(qiáng)大的擴(kuò)充能力，MATLAB的應(yīng)用范圍會越來越廣泛[14]。3.1.2SIMULINK簡介Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真的工具，它是一種可以將復(fù)雜的系統(tǒng)建模與仿真結(jié)合起來的集成工具。在這個環(huán)境下，不需要編寫程序，利用模塊庫的模塊選用和連接可以構(gòu)建出相應(yīng)的系統(tǒng)，同時仿真結(jié)果可視化，可以隨時分析和測試。本文選用Simulink出發(fā)于它可以直觀地搭建電機(jī)的模型，提供了建模仿真集成環(huán)境與其中可定制模塊庫來對電機(jī)仿真實驗進(jìn)行設(shè)計、仿真和測試，模塊庫中有封裝好的功能完善的電機(jī)組成所需的模塊，直接調(diào)用即可。3.2基于GUI的界面設(shè)計3.2.1實驗平臺總界面圖3.1仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)圖通過MATLAB/GUI建立友好圖形用戶界面實現(xiàn)一鍵操作，實現(xiàn)理論課堂和實驗仿真相結(jié)合[15]。.MATLAB允許程序以交互式形式為程序構(gòu)建圖形用戶界面（GUI）[16]，以此來完成這次的實驗系統(tǒng)的框架設(shè)計。首先確定所需做的實驗界面總數(shù)，采用從單獨(dú)的子界面完成到總界面的從下到上的遞進(jìn)方式，最后確定統(tǒng)一的接口。在代碼的實現(xiàn)上,通過編寫所需功能模塊的回調(diào)函數(shù)以達(dá)到預(yù)期的功能,之后對程序進(jìn)行修改與調(diào)試[17]。電機(jī)仿真虛擬實驗平臺的設(shè)計，結(jié)合了電機(jī)學(xué)教學(xué)內(nèi)容中的重要實驗部分設(shè)計了仿真項目，實驗平臺的總界面主要包括他勵直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)兩個大類讓使用者選擇，實驗平臺子界面主要包括起動、調(diào)速、制動三個方面的共十二個仿真項目。圖3.2實驗平臺總界面運(yùn)行仿真實驗平臺的界面，使用者可以選擇“他勵直流電動機(jī)”或者“三相異步電動機(jī)”，點擊相應(yīng)的按鈕，就能切換到相應(yīng)的子界面。以“他勵直流電動機(jī)”為例，本文實現(xiàn)調(diào)用子界面的方式是對代表著“他勵直流電動機(jī)”pushbutton1控件按鈕的回調(diào)函數(shù)Callback中添加語句“set(zhiliu,'Visible','on');”這樣使用者點擊按鈕，就會打開子界面，進(jìn)行下一步的操作。3.2.2實驗子界面圖3.3直流電機(jī)實驗部分子界面在總界面點擊“他勵直流電動機(jī)”后，切換到直流電機(jī)部分的仿真項目界面，該界面同樣有調(diào)用12個子界面的控件按鈕，分別是三個起動實驗、三個調(diào)速實驗、三個制動實驗。以“串電阻起動”為例，實現(xiàn)調(diào)用子界面的方式是對代表著“串電阻起動”pushbutton2控件按鈕的回調(diào)函數(shù)Callback中添加語句“set(zhijieqidong,'Visible','on');”。打開了“串電阻起動”的子界面，可以根據(jù)界面里的可填入項修改模型的參數(shù)來控制仿真的結(jié)果，點擊仿真即可開始仿真。圖3.4串電阻起動實驗項子界面本文選用sim()函數(shù)的方法實現(xiàn)GUI與Simulink模型的調(diào)用聯(lián)系，在GUI界面利用“axes”控件顯示波形，對應(yīng)Simulink中的仿真模型是在需要輸出的波形的變量輸出端加上“ToWorkspace”元件，修改元件編號，利用程序編寫，在該GUI框架的對應(yīng)程序中的“仿真”按鈕的回調(diào)函數(shù)里，添加下面的代碼（以第一個控件圖為例）：[t]=sim('DCdianzuqidongz') %運(yùn)行Simulink模型axes(handles.axes1) %設(shè)置波形到當(dāng)前坐標(biāo)系plot(t,x,'k','LineWidth',2) %x為“ToWorkspace”元件編號， 設(shè)置線條為黑色，線寬為2ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm') %設(shè)置波形圖名稱gridon %設(shè)置網(wǎng)格該段代碼的作用是將Simulink啟動仿真，并將輸出的波形顯示到GUI界面中。而修改模型內(nèi)的參數(shù)，同樣在“仿真”按鈕的回調(diào)函數(shù)里操作，添加下面的代碼（以串入電阻R1為例）：d=char(get(handles.edit3,'string')); %獲取界面中對應(yīng)動態(tài)文本的值set_param('DCdianzuqidongz/K/R1','Resistance',d); %修改模型的參數(shù)，括號里分別為路徑/名稱，要修改的值的名，要修改的值該段代碼的作用是將使用者輸入的動態(tài)文本的值修改到模型中的模塊參數(shù)，達(dá)到使用者完成仿真不同情況的目的。3.3實驗建模3.3.1起動建模本文選用他勵直流電動機(jī)的串電阻啟動建模，三相異步電動機(jī)的定子串電抗起動建模進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的串電阻啟動建模他勵直流電動機(jī)直接起動會產(chǎn)生較大的起動電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電流，因此可采用在電動機(jī)電樞回路串入電阻的方法起動。建模的設(shè)計選擇在直流電源和電樞兩端串入一個變阻器，通過延時短接電阻實現(xiàn)起動仿真。圖3.5他勵直流電動機(jī)串電阻起動仿真模型圖3.6三級起動控制開關(guān)子模塊模型圖圖3.5是基于Simulink建模的他勵直流電動機(jī)串電阻起動模型，其中包含了的模塊從左到右有：powergui，計時器（Timer），直流電源E（DCvoltageSource），接地連接（Ground），理想開關(guān)（IdealSwitch），常量模塊（Constant），開關(guān)（Switch），電阻（RLCbranch），三級起動控制開關(guān)（K），直流電動機(jī)（DCMachine），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），XY圖（XYscope），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。封裝的三級起動控制開關(guān)包含的模塊有：斷路器（Breaker），電阻（RLCbranch）。本建模設(shè)計使用了三級電阻來控制他勵直流電動機(jī)的起動，將三個電阻串聯(lián)連接起來，每個電阻并上一個斷路器，起動的時候，三個電阻全部串入電路，即K1、K2、K3全部斷開，根據(jù)設(shè)置開關(guān)閉合的時間可以控制電阻的切除，從而達(dá)到串電阻起動的效果。三相異步電動機(jī)的定子串電抗起動建模三相異步電動機(jī)可以在定子回路串入電抗起動，限制起動電流，起動過程中經(jīng)過延時可以定時將起動電抗切除，再使電動機(jī)全壓運(yùn)行。圖3.7三相異步電動機(jī)定子串電抗起動仿真模型圖3.7是基于Simulink建模的三相異步電動機(jī)定子回路串電抗起動模型，其中包含了的模塊從左到右有：powergui，三相交流電源（Three-PhaseProgrammableVoltageSource），接地連接（Ground），三相并聯(lián)阻抗（Three-PhaseParallelRLCBranch），三相斷路器（Three-PhaseBreaker），常量模塊（Constant），異步電動機(jī)（AsynchronousMachineSIUnits），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。本建模設(shè)計在起動時在定子回路串入電抗，使用了三相斷路器來控制定子中串入的阻抗切除時間，從而達(dá)到異步電動機(jī)定子回路串電阻起動的效果。3.3.2調(diào)速建模本文選用他勵直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速建模，三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速建模進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速建模他勵直流電動機(jī)的降壓調(diào)速保持勵磁磁通不變，電樞回路不串入電阻，降低電樞電壓。建模的設(shè)計選擇將直流電源封裝成可調(diào)電壓的直流電源模塊，實現(xiàn)調(diào)壓的控制。圖3.8他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速仿真模型圖3.9改變電壓子模塊模型圖圖3.8是基于Simulink建模的他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速模型，其中包含了的模塊從左到右有：powergui，控制調(diào)壓模塊（VVVS），電阻（RLCbranch），接地連接（Ground），常量模塊（Constant），電壓測量（VoltageMeasurement），直流電動機(jī)（DCMachine），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。封裝的改變電壓的模型模塊包含有：計時器（Timer），常量模塊V1、V2（Constant），開關(guān)（Switch），輸入、輸出（Port），受控電壓源CVS（ControlledVoltageSource）。本建模設(shè)計使用了一個受控電壓源來改變他勵直流電動機(jī)的電樞兩端電壓實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，改變V1、V2的值，就能控制調(diào)壓前后的電樞兩端電壓，從而達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的效果。三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速建模三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速指改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的電源的頻率，以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。建模的設(shè)計選擇用兩套三相交流電源來改變接入電路的電源的頻率。圖3.10三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速模型圖圖3.10是基于Simulink建模的三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速模型，其中包含了的模塊從左到右有：powergui，階躍模塊（Step），三相交流電源（Three-PhaseProgrammableVoltageSource），邏輯運(yùn)算符（Logicaloperators），三相斷路器（Three-PhaseBreaker），常量模塊（Constant），異步電動機(jī)（AsynchronousMachineSIUnits），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。本建模設(shè)計使用了兩套三相交流電源來改變接入電路的電源的頻率，可以改變頻率和接入的電壓值，從而達(dá)到變頻調(diào)速的效果。3.3.3制動建模本文選用他勵直流電動機(jī)的能耗制動建模，三相異步電動機(jī)的能耗制動建模進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的能耗制動建模他勵直流電動機(jī)的能耗制動是保持勵磁電流不變，切除電源的同時串入電阻和電樞形成閉合回路，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞旋轉(zhuǎn)方向相反，完成制動。建模的設(shè)計選擇封裝能耗制動控制模塊，實現(xiàn)延時斷電和串入電阻的控制。圖3.11他勵直流電動機(jī)能耗制動仿真模型圖3.12能耗制動控制模塊模型圖圖3.10是基于Simulink建模的他勵直流電動機(jī)能耗制動模型，其中包含的模塊從左到右有：powergui，直流電源E（DCvoltageSource），接地連接（Ground），電阻R、R1（RLCbranch），能耗制動控制模塊（stop），常量模塊（Constant），電壓測量（VoltageMeasurement），直流電動機(jī)（DCMachine），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），關(guān)系操作符（RelationalOperator），停車（StopSimulation），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。封裝的改變電壓的模型模塊包含有：計時器（Timer），理想開關(guān)（IdealSwitch），輸入、輸出（Port）。本建模設(shè)計使用了一個能耗制動控制模塊，通過改變制動時間，使開關(guān)K1、K2閉合，使得在制動時刻將電樞兩端斷電并接入電阻，在電動機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出接線到停車模塊，轉(zhuǎn)速小于0時完成停車，完成能耗制動。三相異步電動機(jī)的能耗制動建模三相異步電動機(jī)的能耗制動是在設(shè)置時間內(nèi)將定子繞組從電路中斷開，同時將直流電源串入電阻接入定子的其中兩相繞組，完成制動。建模的設(shè)計選擇使用一個三相短路器斷開三相電源以及一個單相斷路器接入直流電。圖3.13三相異步電動機(jī)能耗制動仿真模型圖3.13是基于Simulink建模的他勵直流電動機(jī)能耗制動模型，其中包含的模塊從左到右有：powergui，交流電壓源（ACVoltageSource）三相斷路器（Three-PhaseBreaker），直流電源E（DCvoltageSource），電阻（RLCbranch），斷路器（Breaker），常量模塊（Constant），異步電動機(jī)（AsynchronousMachineSIUnits），總線選擇器（BusSelector），增益（Gain），示波器（Scope），到工作區(qū)（ToWorkspace）。本建模設(shè)計使用了一套交流電壓源和三相斷路器，直流電壓源和單相斷路器配合使用的能耗制動控制，斷開交流電源線路的三相斷路器，同時閉合直流電源線路的單相斷路器，完成能耗制動。3.4仿真運(yùn)行3.4.1起動仿真本文選用他勵直流電動機(jī)的串電阻啟動仿真，三相異步電動機(jī)的定子串電抗起動仿真進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的串電阻啟動仿真圖3.14直流電機(jī)參數(shù)設(shè)置利用3.3.1中的建模的模型，如圖3.14，選用的直流電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：電樞回路電阻Ra：0.6Ω，電樞電感La：0.012H，勵磁繞組電阻Rf：240Ω，勵磁電感Lf：120H，互感Laf：1.8H，轉(zhuǎn)動慣量J：1。直流電源設(shè)為240V，定時器設(shè)為0.5s開始運(yùn)行，在電樞回路并上一個10000Ω電阻進(jìn)行保護(hù)，勵磁電源設(shè)為240V。仿真時間定為8s，然后分別將封裝模塊中的R1、R2、R3設(shè)為3.5Ω，3.5Ω，1.5Ω，K1、K2、K3設(shè)為2s，4s，6s表示在2s前三個電阻全部串入回路，分別在2、4、6s切除，用總線選擇器接收電機(jī)輸出信號并分別輸出到示波器顯示上，包括轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.15他勵直流電動機(jī)串電阻起動仿真波形圖圖3.16他勵直流電動機(jī)串電阻起動機(jī)械特性曲線0.5s串電阻起動開始，電樞電路中將三個起動電阻都接入，起動電流達(dá)到最大值。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增大，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩都在逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，時間2s時，開關(guān)K1閉合，電阻R1短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不會突變，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩突變，體現(xiàn)在機(jī)械特性曲線中電動機(jī)會瞬間過渡到橫向最右點，再繼續(xù)加速，同理時間4s時，開關(guān)K2閉合，電阻R2短接，時間6s時，開關(guān)K3閉合，電阻R2短接，最后穩(wěn)定運(yùn)行在機(jī)械特性曲線上的最高點，起動過程結(jié)束。三相異步電動機(jī)的定子串電抗起動仿真圖3.17異步電動機(jī)參數(shù)設(shè)置利用3.3.1中的建模的模型，如圖3.17，選用的三相異步電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：籠型異步電動機(jī)，額定功率：1500VA，線電壓：380V，頻率：50Hz，定子回路電阻Rs：0.435Ω，電感Ls：0.002H，轉(zhuǎn)子回路電阻Rr：0.816Ω，電感Lr：0.002H，互感Lm：0.6931H。三相交流電壓源設(shè)為380V，頻率50Hz，相位120°。起動從0s開始，定子回路串入三相電感0.01H，用一個3Ω電阻保護(hù)，斷路器設(shè)為4s閉合，即4秒從定子回路中切除電抗，仿真時間8s，用總線選擇器接收電機(jī)輸出信號并分別輸出到示波器顯示上，包括定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.18三相異步電動機(jī)串電抗起動波形圖時間0s定子回路串電抗起動開始，定子電路中將電抗直接接入，起動電流在啟動電抗上產(chǎn)生了壓降，使異步電機(jī)的定子上電壓減小，限制了啟動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也會減小，時間4s時，三相斷路器閉合，起動電感短接，電動機(jī)全壓運(yùn)行，起動過程結(jié)束。3.4.2調(diào)速仿真本文選用他勵直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速仿真，三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速仿真進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速仿真利用3.3.2中的建模的模型，如圖3.14，選用的直流電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：電樞回路電阻Ra：0.6Ω，電樞電感La：0.012H，勵磁繞組電阻Rf：240Ω，勵磁電感Lf：120H，互感Laf：1.8H，轉(zhuǎn)動慣量J：1?？烧{(diào)電壓源模塊VVVS設(shè)為240V變到120V，變化時刻為3s，在電樞回路并上一個10000Ω電阻進(jìn)行保護(hù)，勵磁電源設(shè)為240V，仿真時間定為6s。用電壓測量模塊測量電源的電壓并輸出波形到示波器顯示上，總線選擇器接收電機(jī)輸出信號并分別輸出到示波器顯示上，包括轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.19他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速仿真波形圖圖3.20他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性曲線0s仿真開始，直流電動機(jī)起動到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，時間3s時，直流電壓源由240V變?yōu)?20V，可以看到示波器電壓波形的突變，轉(zhuǎn)速也逐漸下降，最后再減小后的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，調(diào)速過程結(jié)束。機(jī)械特性曲線中調(diào)壓前后的斜率是相同的。可以得到，調(diào)壓轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是較為平滑的，可調(diào)的范圍是較大的。三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速仿真利用3.3.2中的建模的模型，如圖3.17，選用的三相異步電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：籠型異步電動機(jī)，額定功率：1500VA，線電壓：380V，頻率：50Hz，定子回路電阻Rs：0.435Ω，電感Ls：0.002H，轉(zhuǎn)子回路電阻Rr：0.816Ω，電感Lr：0.002H，互感Lm：0.6931H。這里的仿真分析的是基頻以下的調(diào)速，需保持磁通不變，所以要保持調(diào)速前后U/f為常數(shù)。三相交流電壓源1設(shè)為380V，頻率60Hz，相位120°，三相交流電壓源1設(shè)為318V，頻率50Hz，相位120°。仿真運(yùn)行從0s開始，仿真時間8s，4s的時候階躍信號從0-1，控制斷開三相交流電壓源1，接入三相交流電源2，電機(jī)輸出信號用總線選擇器接收并分別輸出到示波器顯示上，包括定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.21三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速仿真波形圖圖3.22三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性曲線0s仿真開始，三相異步電動機(jī)起動到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，時間4s時，階躍信號從0到1，通過“NOT”模塊分別控制兩個三相交流電源，可以得到，在4s的時候轉(zhuǎn)速開始下降，并在一定時間后繼續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如果頻率是可調(diào)連續(xù)的，便可以得到平滑調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，可調(diào)的范圍是較大的。3.4.3制動仿真本文選用他勵直流電動機(jī)的能耗制動仿真，三相異步電動機(jī)的能耗制動仿真進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)的能耗制動仿真利用3.3.3中的建模的模型，如圖3.14，選用的直流電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：電樞回路電阻Ra：0.6Ω，電樞電感La：0.012H，勵磁繞組電阻Rf：240Ω，勵磁電感Lf：120H，互感Laf：1.8H，轉(zhuǎn)動慣量J：1。在電樞回路并上一個10000Ω電阻進(jìn)行保護(hù)，附加電阻R1設(shè)為0.3Ω，勵磁電源設(shè)為240V，仿真時間定為8s。將能耗制動控制模塊的定時器1設(shè)為1-0階躍，定時器2設(shè)為0-1階躍，延時時間則為4s，即能耗制動時刻為4s。用電壓測量模塊測量電樞電動勢并輸出波形到示波器顯示上，總線選擇器接收電機(jī)輸出信號并分別輸出到示波器顯示上，包括轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.23他勵直流電動機(jī)能耗制動仿真波形圖圖3.24他勵直流電動機(jī)能耗制動機(jī)械特性曲線0s仿真開始，直流電動機(jī)起動到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，時間4s時，能耗制動控制模塊運(yùn)行，由于機(jī)械慣性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速來不及突變，電機(jī)工作點從機(jī)械特性曲線中右上角過渡到最左的點，此時電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流都在第Ⅱ象限，則電機(jī)在制動轉(zhuǎn)矩作用下逐漸減小到零，完成停車。制動前后的斜率是基本相同。可以得到，機(jī)械特性過原點，制動轉(zhuǎn)矩是隨制動過程轉(zhuǎn)速的減小而減小的。0s仿真開始，直流電動機(jī)起動到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，時間3s時，直流電壓源由240V變?yōu)?20V，可以看到示波器電壓波形的突變，轉(zhuǎn)速也逐漸下降，最后再減小后的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，調(diào)速過程結(jié)束。機(jī)械特性曲線中調(diào)壓前后的斜率是相同的?？梢缘玫?，調(diào)壓轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是較為平滑的，可調(diào)的范圍是較大的。三相異步電動機(jī)的能耗制動仿真利用3.3.3中的建模的模型，如圖3.17，選用的三相異步電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：籠型異步電動機(jī)，額定功率：1500VA，線電壓：380V，頻率：50Hz，定子回路電阻Rs：0.435Ω，電感Ls：0.002H，轉(zhuǎn)子回路電阻Rr：0.816Ω，電感Lr：0.002H，互感Lm：0.6931H。三相交流電壓源設(shè)為380V，頻率50Hz，相位120°。起動從0s開始，仿真時間8s，回路串入三相斷路器，設(shè)為4s斷開，在A，B兩相定子電路之間增加了一條直流回路，直流電壓源設(shè)為220V，直流回路電阻R為1Ω，用單相斷路器控制，設(shè)為4s閉合。即4秒時刻從定子回路中切除三相電流源，接入直流勵磁電路，用總線選擇器接收電機(jī)輸出信號并分別輸出到示波器顯示上，包括定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖3.25三相異步電動機(jī)能耗制動仿真波形圖制動過程中，定子回路脫離三相交流電源，同時通上直流回路，異步電動機(jī)內(nèi)便產(chǎn)生了恒定磁場，轉(zhuǎn)速在逐漸下降，這時的異步電動機(jī)相當(dāng)于一臺交流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，直流回路的電阻消耗這個能耗，轉(zhuǎn)速為0，制動過程結(jié)束。

5總結(jié)與展望本文對電機(jī)虛擬仿真實驗平臺的建模與仿真的問題進(jìn)行研究，取得如下成果：了解掌握他勵直流電機(jī)和三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理；學(xué)習(xí)和使用了建模仿真工具M(jìn)ATLAB及其工具包GUI和Simulink，設(shè)計實驗平臺的部分人機(jī)使用界面。聯(lián)系原理和MATLAB的使用，建立他勵直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)的多個數(shù)學(xué)模型和仿真模型，并對仿真的結(jié)果完成分析。在完成課題的過程里，個人認(rèn)為自己還有些不足的地方，還可以進(jìn)行研究和改進(jìn)：人機(jī)使用界面較為簡單，可以進(jìn)一步豐富功能和美化界面。本文的建模和仿真的實驗并不是全部的電機(jī)實驗，不能全部覆蓋實驗內(nèi)容，可以再學(xué)習(xí)和研究之后加入變壓器等的實驗內(nèi)容。Simulink的仿真波形并不是特別美觀，設(shè)置的參數(shù)還有待研究。如何利用更少的連線和參數(shù)設(shè)置來完成仿真也是需要未來突破的部分。參考文獻(xiàn)[1]胡林林,付龍.MATLAB軟件在電機(jī)與拖動教學(xué)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2019(06):28-30.[2]朱云國,尹愛勇,江春紅.《電機(jī)與拖動基礎(chǔ)》試驗實施應(yīng)用型教學(xué)的探索[J].銅陵學(xué)院學(xué)報,2010,9(01):108-109.[3]巢明,秦曉梅,王開宇,張晶,鄔亞勝,趙海博.遠(yuǎn)程可視運(yùn)動控制實驗箱的設(shè)計及教學(xué)案例[J].工業(yè)和信息化教育,2018(01):74-78.[4]許麗川,宋翔宇,唐凱飛,梁永春,白連生,叢培強(qiáng),李逢春.基于LabVIEW的電機(jī)實驗自助平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2015,34(09):79-83+135.[5]喻盼.基于Java和Matlab的虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長江大學(xué),2018.[6]王衛(wèi)國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索,2015,34(05):214-219.[7]李巖,王晶,蘇學(xué)軍.電機(jī)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J].中國電力教育,2020(06):55-56.[8]王明彥.構(gòu)建研究性實驗教學(xué)體系的思考與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué),2009(03):75-77.[9]林蓮.基于MATLAB/Simulink/SimScape的無刷直流電機(jī)的建模與仿真[J].裝備制造技術(shù),2018(08):138-141.[10]許玉婷.淺析虛擬仿真軟件在電機(jī)拖動實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育,2021(07):180-181.[11]祁鯤,高瑩,王麗婕.基于MatLab/GUI的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗平臺設(shè)計[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2020(17):56-58.[12]王曉旭,閆朋濤,王承林,樊炳航.基于MatlabGUI的電機(jī)拖動輔助教學(xué)平臺設(shè)計[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2020,42(03):80-84.[13]VermaP,GuptaP,KumarB.Graphicaluserinterface(GUI)tostudyDCmotordynamiccharacteristics[C]//2017InternationalconferenceofElectronics,CommunicationandAerospaceTechnology(ICECA).IEEE,2017.[14]周亮.無刷直流電機(jī)數(shù)字化虛擬設(shè)計平臺的研究[D].江南大學(xué),2012.[15]張星,黃凱峰,戴文俊.基于MATLAB/GUI電機(jī)學(xué)虛擬實驗室的教學(xué)研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,35(11):163-165.[16]AltintasA.AGUI-basededucationtoolboxforpowerelectronicsconvertersusingMATLAB/SimulinkandSimPowerSystems[J].InternationalJournalofElectricalEngineeringEducation,2011,48(1):53-65.[17]宗哲英,張旭,郝永強(qiáng),王帥,張春慧.基于MATLABGUI的電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺的設(shè)計與構(gòu)建[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2018,16(03):146-149+182.[18]TaoJ,GanW,FangS,etal.AMATLABGUIteachingapplicationforferroresonancesimulation[J].ComputerApplicationsinEngineeringEducation.[19]DoollaS,BhatSS,BhattiTS,etal.AGUIbasedsimulationofpowerelectronicconvertersandreactivepowercompensatorsusingMATLAB/SIMULINK[C]//InternationalConferenceonPowerSystemTechnology.IEEE,2004:1710-1715.

附錄GUI實現(xiàn)代碼：總界面：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)set(zhiliu,'Visible','on'); %打開直流電機(jī)界面functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)set(jioaliujiemian,'Visible','on'); %打開交流電機(jī)界面直流電機(jī)界面：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)set(zhijieqidong,'Visible','on')； %打開直接起動界面functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)set(chuandianzuqidongz,'Visible','on')； %打開串電阻起動界面functionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,handles)set(jiangyaqidong,'Visible','on'); %打開降壓起動界面functionpushbutton4_Callback(hObject,eventdata,handles)set(ruoci,'Visible','on'); %打開弱磁調(diào)速界面functionpushbutton5_Callback(hObject,eventdata,handles)set(chuandianzutiaosuz,'Visible','on'); %打開串電阻調(diào)速界面functionpushbutton6_Callback(hObject,eventdata,handles)set(jiangya,'Visible','on'); %打開降壓調(diào)速界面functionpushbutton7_Callback(hObject,eventdata,handles)set(fanjiez,'Visible','on'); %打開反接制動界面functionpushbutton8_Callback(hObject,eventdata,handles)set(nenghaoz,'Visible','on'); %打開能耗制動界面交流電機(jī)界面：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)set(zhijie,'Visible','on');%打開直接起動界面functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)set(chuandianzud,'Visible','on');%打開定子串電阻起動界面functionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,handles)set(chuandiankang,