紡織電機虛擬實驗室階梯多維教學模式研究

譚燕玲，張 強，何 山

(1.新疆輕工職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830021；2.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

紡織電機虛擬實驗室階梯多維教學模式研究

譚燕玲1，張 強2，何 山2

(1.新疆輕工職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830021；2.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

針對新疆高職院校的紡織機電一體化課程教學存在的問題，通過建立虛擬紡織電機實驗室，利用MATLAB軟件建立紡織電機的外部運行模型及控制模型，并結合ANSOFT軟件建立紡織電機內部電磁場分析模型，形成了由外部特性到內部磁場分析、由理論分析到控制運行、由學習到開發(fā)的階梯多維教學模式。

虛擬實驗室；紡織機電一體化；階梯多維教學法；課程建設

隨著我國工業(yè)化的突飛猛進，紡織機電一體化課程在紡織職業(yè)技術教育中的地位越來越重要[1-2]；但從教學效果看，傳統(tǒng)教學模式已不能滿足現(xiàn)代高職院校的教育教學要求。即紡織機電一體化的傳統(tǒng)教學模式改革勢在必行。為此，本文針對紡織機電一體化課程在教學中存在的諸多問題尤其是電機部分，提出了基于階梯式多維教學模式的電機虛擬實驗室，給學生和企業(yè)提供一個良好的銜接平臺。該模式利用軟件的可更新性和電機種類、內容的豐富性，搭建各種二維、三維電機及電機運行模型，可進行多方位、多條件地對電機內外運行狀況進行深入分析[3-10]。

1 基于MATLAB的電機外部運行特性仿真

由于紡織設備電機種類繁多，下面以典型的直流電機制動特性和異步電機啟動特性為例，通過仿真運行曲線來幫助學生更加直觀地了解電機運行特性，更好地在實際中運用。

1.1 直流電動機能耗制動特性仿真

他勵直流電動機主要參數(shù)VN=240 v，nN=1 200 r/min，IN=16.2 A，Ra=10 kΩ，Rb=5 kΩ。使用MATLAB/simulink建立能耗制動的電機運行模型，如圖1所示。運行后轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩的暫態(tài)過程曲線如圖2所示。

從仿真結果的波形中可看出，在能耗制動的過程中電機轉子轉速n逐步下降，電樞電流Ia突然反向沖擊而后逐漸趨于零，他勵勵磁電流If始終不變，而電磁轉矩Tem方向也在第5 s突然反向，最后趨于零。仿真結果能有助于高職學生直觀地看出n與Tem在制動過程中始終方向相反，起制動作用，結果與教科書相符。

1.2 異步電動機星形-三角形降壓啟動特性仿真

三相電源相電壓設為220v，頻率50Hz，電機模塊繞組類型選擇鼠籠式；建立異步電機星形-三角形(Y-△)降壓啟動特性仿真模型，如圖3所示。運行后電機的轉子電流、定子電流、轉速、電磁轉矩、轉子角速度仿真結果如圖4所示。

從仿真結果的波形中可看出，在啟動過程中采用Y啟動，電機定轉子瞬時啟動電流都不大，電機轉子轉速n逐步上升，在第0.5s改變?yōu)椤餍徒臃ㄒ蕴岣唠姍C的輸出功率。學生可從仿真結果中看出，變換接法對電機的沖擊度很小，電機能很容易地平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)中，這有助于學生理解星形-三角形(Y-△)降壓啟動的相關理論知識。

2 基于ANSOFT的電機內部電磁場運行特性仿真

以永磁同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行和異步電動機暫態(tài)運行仿真為例，利用ANSOFT強大的電磁場分析能力使學生通過仿真建模后，能深入掌握電機在運行過程暫、穩(wěn)態(tài)下的電磁場仿真分析，對紡織機電一體化課程電機部分的深入學習有重要意義。

2.1 永磁同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時內部磁場的仿真

電機定繞組材料屬性為銅，定子鐵心及轉子軛材料屬性為DW465-50，定義永磁材料為P_Mag。建立永磁同步發(fā)電機模型如圖5所示，對模型進行有限元剖分如圖6所示。在加入邊界條件運行后，學生可通過彩色圖案更直觀地看到電機磁力線的分布(見圖7)和磁通密度云的分布(見圖8)，以了解電機在穩(wěn)態(tài)運行時電機內部磁場的具體分布情況。

2.2 異步電動機暫態(tài)運行內部電磁場的仿真

模型參數(shù)為定子繞組Y接，每槽導線數(shù)40根，并聯(lián)支路數(shù)a為2，第一節(jié)距Y1為8，每極每相q為3，雙層疊繞。建立仿真模型如圖9所示，分析從啟動到穩(wěn)定運行的暫態(tài)過程中電機內部電磁場變化情況，如圖10所示。

圖1 他勵直流電機能耗制動仿真模型圖

圖2 他勵直流電動機能耗制動轉速、電樞電流、勵磁電流及電磁轉矩仿真結果

圖3 星形-三角形(Y-△)降壓啟動模型仿真

圖4 星形-三角形(Y-△)降壓啟動模型仿真結果

圖5 電機模型圖

圖6 模型剖分圖

圖7 電機磁力線分布圖

圖8 磁通密度云分布

圖9 異步電機建模模型

(1)暫態(tài)時間為0.005 s

(2)暫態(tài)時間為0.5 s圖10 不同暫態(tài)時間的內部磁力線分布

3 基于MATLAB的電機控制運行特性仿真

下面以直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)為例，通過仿真讓學生了解PID的控制和調整方法，理解和掌握紡織電機的調速規(guī)律，能在實踐中熟練控制電機調速。

學生可對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)負載進行擾動仿真，動態(tài)結構如圖13所示，其單位階躍如圖14所示，建立系統(tǒng)控制模型如圖15所示。

4 結論

通過建立虛擬紡織電機實驗室，使學生結合企業(yè)生產(chǎn)實際進行崗位模擬,實現(xiàn)學生與企業(yè)員工“零距離”對接。通過該教學模式的嘗試極大地提高了學生的學習興趣，教學效果明顯，學生不僅能熟練掌握教學中的理論知識，而且能很好地運用于實踐。

圖11 帶參數(shù)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖模型

圖12 雙閉環(huán)調速的單位階躍響應曲線

圖13 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)負載擾動仿真動態(tài)結構圖

圖14 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應曲線

圖15 雙閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)模型

[1] 辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學[M].武漢:華中科技大學出版社，2010.

[2] 顧繩谷.電機及拖動基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社，2012.

[3] 辛元珍.利用ANSOFT軟件對同步發(fā)電機空載特性進行仿真[J].建材技術與應用. 2006，(2):22-23.

[4] 朱少林，王群京. 基于Ansoft的永磁同步發(fā)電機建模與仿真[J].電機技術, 2008，(4):1-4.

[5] 裴春興，李洪珠，楊玉崗，等. 基于AnsoftMaxwell2D的PMSR電機的起動特性的瞬態(tài)仿真[J].電氣技術，2007，(8):48-51.

[6] 張 岳.ANSOFT在直驅式永磁風力發(fā)電機設計中的應用[J]. 微特電機，2008，36(11):23-25.

[7] 黃 越，唐任遠，韓雪巖. 基于Ansoft的永磁交流伺服電動機轉矩波動分析[J].電氣技術，2008 ，(4):15-20.

[8] 魯軍勇，梁得亮，豐向陽. 基于ANSOFT的永磁直線無刷直流電動機的仿真研究[J]. 中小型電機， 2004，31(1):18-20.

[9] 裘昌利，張紅梅，劉少克. 基于Ansoft的直線感應電機性能分析[J].微特電機，2006，34(11):22-26.

[10]王 棟，劉慧娟，張奕黃.Ansoft在異步電機矢量控制仿真中的應用[J].防爆電機， 2006，41(6):27-30.

Research on Step-by-step Multidimensional Teaching Mode of Textile Virtual Motor Laboratory

TAN Yan-lin1, ZHANG Qiang2, HE Shan2

(1.Xinjiang Light Industry Professional Technology Institute, Urumqi 830021, China;2.College of Electrical Engineering，Xinjiang university, Urumqi 830047, China)

Based on the teaching problems in Xinjiang professional technology institute, through establishment of virtual motor laboratory and using MATLAB to establish external operating model, controlling model of the motor and using ANSOFT to establish internal electromagnetic field analysis model, the step-by-step multidimensional teaching mode was formed from the external chara cteristic to the internal magnetic field analysis, from theory analysis to controlling operation and from learning to development.

virtual laboratory; textile mechanical and electrical integration; step-by-step multidimensional teaching method; course construction

2016-12-22；

2017-01-26

教育部人文社會科學研究“工程科技人才培養(yǎng)研究專項”(10JDGC009)；新疆大學電機學精品課程建設

譚燕玲(1979-)，女，四川達州人，副教授，主要從事紡織技術和新產(chǎn)品研究，E-mail:75461761@qq.com。

G642.0

B

1673-0356(2017)03-0054-06