張　瑋，趙忠雙，鄧旭輝，王　魁

(火箭軍工程大學(xué)　裝備管理工程系，西安　710025)

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變壓器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑋，趙忠雙，鄧旭輝，王魁

(火箭軍工程大學(xué)裝備管理工程系，西安710025)

電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)均為強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，在課程實(shí)驗(yàn)前引入虛擬實(shí)驗(yàn)，克服了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有操作不當(dāng)易引起電機(jī)故障和受時(shí)間限制的缺點(diǎn)。以電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的三相變壓器實(shí)驗(yàn)為例，將Matlab/ Simulink作為后臺(tái)仿真工具，利用該軟件的GUI設(shè)計(jì)用戶界面，開(kāi)發(fā)了一套虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。從虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用效果看，不僅可作為課程實(shí)驗(yàn)前學(xué)員熟悉實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，還可作為學(xué)員熟悉Matlab工程軟件的重要手段。

變壓器；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；Matlab軟件；強(qiáng)電

“電機(jī)與拖動(dòng)”是電力工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，對(duì)培養(yǎng)學(xué)員提高分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)行電機(jī)選型、電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與研究具有重要作用。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)由理論講解和課程實(shí)驗(yàn)組成。課程實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，學(xué)員只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作才能真正理解和掌握理論知識(shí)，并提高綜合測(cè)試能力和動(dòng)手能力。電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)均為強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法暴露出2個(gè)缺點(diǎn):一是在強(qiáng)電條件下操作，一旦操作不當(dāng)，可能燒毀設(shè)備；二是易受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。為此在課程實(shí)驗(yàn)前引入虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以給學(xué)員帶來(lái)直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，還可以加深學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的理解[1]。本文以電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，利用Matlab搭建了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)員可在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，了解實(shí)驗(yàn)規(guī)范，熟悉實(shí)驗(yàn)流程，明確注意事項(xiàng)，為課程實(shí)驗(yàn)的順利完成奠定基礎(chǔ)。

1　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文利用Matlab作為開(kāi)發(fā)工具，針對(duì)電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)中的三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:1)突破時(shí)空的限制；2)經(jīng)濟(jì)實(shí)用；3)易于擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)思路為:1)利用Matlab/Simulink工具箱建立實(shí)驗(yàn)仿真模型；2)通過(guò)GUI技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)界面；3)編寫M程序并調(diào)試，建立GUI界面和仿真模型的聯(lián)系。通過(guò)調(diào)用Matlab庫(kù)函數(shù)，將計(jì)算結(jié)果反饋到界面上，利用Matlab繪制曲線函數(shù)，并在GUI曲線顯示模塊上顯示[3]。仿真模型是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)作核心，決定了實(shí)驗(yàn)對(duì)象能否正確地響應(yīng)實(shí)驗(yàn)者的相應(yīng)操作；實(shí)驗(yàn)界面是用戶與系統(tǒng)的對(duì)話環(huán)境；M程序的編寫則將前二者聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。如圖1所示。

圖1　虛擬實(shí)驗(yàn)框圖

1.1建立仿真模型

利用數(shù)學(xué)模型(等效電路)的形式統(tǒng)一表示變壓器復(fù)雜的電磁關(guān)系，便于分析和計(jì)算[4-5]，電路包括空載參數(shù)(rm和xm)和短路參數(shù)(rk和xk)，4個(gè)參數(shù)在變壓器銘牌和手冊(cè)中均無(wú)明顯標(biāo)示，可通過(guò)空載實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)分別測(cè)出，即三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)中占據(jù)重要地位，為學(xué)員熟悉電機(jī)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程及順利進(jìn)行后續(xù)其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)分為空載實(shí)驗(yàn)(用于測(cè)定勵(lì)磁參數(shù))和短路實(shí)驗(yàn)(用于測(cè)定短路參數(shù))2個(gè)子實(shí)驗(yàn)。在Matlab/Simulink中搭建三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真模型，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉完成2個(gè)子實(shí)驗(yàn)的切換，如圖2所示[6]。

圖2　三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真模型

1.2GUI界面的開(kāi)發(fā)

實(shí)驗(yàn)仿真模型搭建成功后，設(shè)計(jì)GUI人機(jī)交互界面，分總界面設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面設(shè)計(jì)兩步[7]。首先開(kāi)發(fā)總界面，用于選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖3所示。接下來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面，用于設(shè)置電源參數(shù)，顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，如圖4所示[8]。

圖3　實(shí)驗(yàn)總界面

1.3M程序的編寫與調(diào)試

GUI界面與實(shí)驗(yàn)仿真模型相互獨(dú)立，采用M文件程序聯(lián)系二者，以實(shí)現(xiàn)調(diào)用模型、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)功能及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線的輸出，構(gòu)成一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。M程序是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)[9]。

圖4　三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)界面

以下程序片是判斷是否已選中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是否已將電源兩個(gè)參數(shù)正確輸入到編輯框中，然后開(kāi)始仿真[10]。

function fangzhen_Callback(hObject，eventdata，handles)

clear;

dianya=get(findobj(′tag′，′edit1′)，′string′);

dianyuanpv=get(findobj(′tag′，′edit2′)，′string′);

canshu1=isempty(dianya);

canshu2=isempty(dianyuanpv);

if ((canshu1==1)&&(canshu2==1))

msgbox(′參數(shù)不完整，請(qǐng)重新填寫！′，′錯(cuò)誤′，′error′);

elseif～((get(findobj(′tag′，′kongzai′)，′value′)==1)||(get(findobj(′tag′，′duanlu′)，′value′)==1))

msgbox(′選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目′，′錯(cuò)誤′，′error′);

else

s=questdlg(′開(kāi)始仿真!′，′開(kāi)始′，′是′，′否′，′是′);

if strcmp(s，′否′);

當(dāng)參數(shù)填寫不完整時(shí)，系統(tǒng)將提示錯(cuò)誤；如果沒(méi)有選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也將提示錯(cuò)誤。只有參數(shù)填寫正確，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇完畢后方可開(kāi)始仿真。例如，選擇空載實(shí)驗(yàn)，程序控制打開(kāi)電路模型，將電源參數(shù)輸入到模型中去，完成參數(shù)傳遞與參數(shù)設(shè)定，然后保存和關(guān)閉模型[11]。

2　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

界面設(shè)計(jì)完畢，且M文件程序調(diào)試正確后，系統(tǒng)運(yùn)行并在界面上顯示仿真結(jié)果，根據(jù)波形可進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

2.1變壓器空載實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

空載實(shí)驗(yàn)時(shí)A相電壓波形如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出后，可從空載實(shí)驗(yàn)界面上讀取電壓UN、原邊同相電流I0以及功率p0，通過(guò)公式計(jì)算勵(lì)磁參數(shù)。

圖5　變壓器空載仿真實(shí)驗(yàn)A相電壓輸出曲線

2.2變壓器短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

短路實(shí)驗(yàn)A相電壓波形，如圖6所示。從短路實(shí)驗(yàn)界面上讀取原邊電流IN、電壓Uk和輸入功率pk，通過(guò)公式計(jì)算短路參數(shù)。

學(xué)員只有真正理解了實(shí)驗(yàn)原理，才可能計(jì)算出變壓器的4個(gè)參數(shù)，然后與給出的參考數(shù)據(jù)對(duì)比。若有誤差，重新設(shè)置參數(shù)和計(jì)算，直至與給出的參考數(shù)據(jù)吻合，這一過(guò)程加深學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的理解。另外，學(xué)員可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，了解實(shí)驗(yàn)規(guī)范，熟悉實(shí)驗(yàn)流程，明確注意事項(xiàng)，從而為后續(xù)課程實(shí)驗(yàn)的順利完成奠定基礎(chǔ)。

圖6　變壓器短路仿真實(shí)驗(yàn)A相電流輸出曲線

3　結(jié)束語(yǔ)

本文利用Matlab/Simulink搭建了三相變壓器參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真模型；通過(guò)GUI技術(shù)開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)界面；編寫M文件程序，建立GUI界面和仿真模型的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)調(diào)用模型和設(shè)置相應(yīng)參數(shù)的功能及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線的輸出。從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用效果來(lái)看，不僅有利于提高學(xué)員對(duì)課程理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)理解，還可作為課程實(shí)驗(yàn)前學(xué)員熟悉實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，亦可作為課程教學(xué)中使學(xué)員熟悉工程軟件的重要手段。

[1]李正，楊文煥.《電機(jī)與拖動(dòng)》虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育，2008(124):147-148.

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Design of Transformer Virtual Experiment System

ZHANG Wei，ZHAO Zhongshuang，DENG Xuhui，WANG Kui

(School of Equipment Engineering Administration，Xi’an Research Institute of Hi-Tech，Xi’an 710025，China)

Voltage of the course experiments of Electrical machine and driving is higher.Not only may the improper operation can lead to an accident，but also the experiment time is limited.In order to overcome shortcomings of the course experiments，virtual experiments are introduced.Based on the transformer experiment project of the course experiments of Electrical machine and driving，virtual experiment system is designed with Matlab/Simulink to establish experimental models，and the virtual experiment interface is designed using GUI.Virtual experiment is a useful complement to course experiments.From the effect of the virtual experiment system，the system can be used as not only an important link of the course experiment，but an important means that students can be familiar with the Matlab engineering software.

transformer; virtual experimental system; Matlab software; strong electricity

2015-01-19

張瑋(1977-)，女，工學(xué)碩士，講師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。

G642.423；TP31

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.028