許 勝，夏華鳳，曹 健

(泰州學院，江蘇泰州 225300)

“電機與電力拖動”是電氣與自動化類專業(yè)一門基礎課程，具有知識面寬、理論抽象而對象具體的特點。為了改善教學效果，我校對該課程開展了基于Matlab的交互式課堂教學模式的研究。

1 交互式課堂教學模式結構

基于Matlab的“電機與電力拖動”課程交互式課堂教學模式的構建如下:

首先，根據(jù)“電機與電力拖動”課程大綱要求，構建一個虛擬仿真環(huán)境:①利用Matlab/Simulink仿真軟件建立典型對象(變壓器、交直流電機及其拖動系統(tǒng)等)的仿真模型庫;②采用鏈接技術將后臺典型模型合理插入到理論教學PPT中，構建交互式課堂教學PPT系統(tǒng);③構建習題仿真平臺，以便將例題或習題數(shù)據(jù)輸入到該平臺中。

其次，將上述的虛擬仿真環(huán)境和課堂理論教學合理融合，形成交互式課堂教學模式。最大程度地提高課堂教學效率，增強課堂教學效果。因此，本文采用如圖1所示的課堂教學模式結構。

圖1 交互式課堂教學模式結構

交互式課堂教學模式包括以下環(huán)節(jié)和實現(xiàn)步驟:

1)理論分析

該環(huán)節(jié)進行教學內(nèi)容的理論分析，如交直流電機、電力拖動的工作原理和數(shù)學建模等。

2)虛擬實驗

調(diào)用仿真模型庫內(nèi)相關實驗模型，并結合實驗數(shù)據(jù)采集終端等構建虛擬實驗平臺，輸入實驗參數(shù)，進行虛擬仿真實驗。

3)實驗數(shù)據(jù)分析

通過仿真示波器等終端顯示設備，監(jiān)測虛擬仿真實驗各個環(huán)節(jié)的實驗數(shù)據(jù)，分析實驗模型的動態(tài)和靜態(tài)特性。

4)實驗和理論結果的比較

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，總結實驗模型運行規(guī)律，并與理論分析結論相比較。如果兩種結果相差較大，說明虛擬仿真實驗參數(shù)選擇或實驗平臺構建不正確，理論分析環(huán)節(jié)沒有很好地理解和掌握。因此，需要重新調(diào)試。

5)實際工程案例分析

通過實際工程案例(或者習題)的分析和解決，強化對所學知識的理解，并提高學生獨立分析問題和解決問題的能力。課堂教學中根據(jù)情況可將該環(huán)節(jié)安排到虛擬實驗之前或虛擬實驗之后。

2 交互式課堂教學實例分析

這里以他勵直流電動機的電樞串電阻分級啟動為例，介紹課程“電機與電力拖動”的交互式課堂教學過程。

1)理論分析［5］

他勵直流電動機的基本電壓方程:

式中，U為電源電壓，Ce為電動勢常數(shù)，Φ為主磁通，n為電機轉速，Ia和Ra分別為電樞電流和電阻。

由于剛啟動時，n=0，此時直接啟動電流為

式中，UN為額定電壓。由于Ra一般較小，此時Ist可能達到20倍的額定電流IN。過大的起動電流會造成電網(wǎng)電壓下降、電機自身換向惡化以及繞組發(fā)熱等嚴重問題。

為了將Ist限制在(1.5～2)IN的范圍內(nèi)，這里采用電樞回路串電阻的起動方式，設串接啟動電阻為Rst，則:

在電樞回路串電阻起動的過程中，應將起動電阻逐級切除，以避免電阻不切除啟動轉矩過小和一次性切除出現(xiàn)電流過沖等問題，這種起動方法稱為電樞串電阻分級起動。

下面以三級起動為例，圖2為他勵直流電動機三級啟動時的主電路圖。

圖2 電樞串電阻分級起動主電路

圖中，電動機勵磁回路通電后，接觸器觸點KM1、KM2、KM3 斷開，此時起動電流為

起動電流Ist1產(chǎn)生起動轉矩Tst1，圖3為他勵直流電動機分三級起動時的機械特性。

圖3 電樞串電阻分級起動的人為機械特性

分析圖3，由于Tst1＞TL，電機開始起動，轉速上升，轉矩下降，電機的工作點從A點沿特性ABn0上移，電磁轉矩減小，加速度逐漸降低;到B點KM3閉合，切除Rst3，啟動電流變?yōu)镮st2，稱為切換電流，機械特性變成直線CDn0，電機的工作點從B點過渡到C點，此時電機轉矩仍為Tst1，又獲得了較大的加速度。此后，逐步切除KM1和KM2，電力拖動系統(tǒng)按照上述原理分級加速到H點后穩(wěn)定運行，起動過程結束。

2)實際案例分析

一臺他勵直流電動機，額定電壓UN=240 V，額定電流IN=16.2 A，額定轉速nN=1220 r/min，額定轉矩TN=29.2 N.m，電樞繞組電阻Ra=0.6 Ω，分析三級啟動時的啟動電阻。

分析圖3中的B、C兩點，由于在切換啟動電阻瞬間兩點電機轉速不變，根據(jù)式(1)，可得關系:

令λ=Ist1/Ist2，稱為啟動電流比，于是有Rq3=λRq2。同理，在 D、E兩點和 F、G兩點有Rq2=λRq1和Rq1=λRa，結合上述各級啟動電阻關系，可得

3)虛擬仿真實驗

他勵直流電動機3級電阻啟動的虛擬仿真實驗模型如圖4所示。

圖4 他勵直流電動機電阻分級啟動虛擬模型

圖中，虛線框中的電路為3級啟動電路，切換時刻由3個定時器觸發(fā)開關模擬完成，切換時間依次設定為 2.8 s、4.8 s和 6.8 s，仿真實驗時間為 10 s;電源電壓通過理想開關延時0.5 s投入。實驗勵磁電壓取240 V，電磁電阻取240 Ω，則勵磁電流If=1 A，其他模型參數(shù)根據(jù)案例分析結果配置。

通過示波器觀測電機電樞兩端電壓Ua、電樞電流Ia、轉速n以及電磁轉矩Te，實驗波形如圖5所示。

分析圖5波形數(shù)據(jù)，Ua、Ia、Te以及n的變化規(guī)律和理論分析結論相符合，其中:經(jīng)過分級啟動，當啟動電阻全部切除后，Ua逐漸趨向電源電壓240 V;電樞電流Ia基本被限定在允許范圍內(nèi)，并最終穩(wěn)定在額定電流值16.2 A;電磁轉矩Te的變化規(guī)律同Ia，符合相關電磁理論;轉速n最后穩(wěn)定運行在額定值1220 r/min。

圖5 虛擬仿真實驗波形圖

3 結語

本文提到的基于Matlab的交互式課程教學模式，經(jīng)過實踐證明，可以有效改善課程教學效果:①克服了傳統(tǒng)教學模式中理論講授環(huán)節(jié)的枯燥和抽象，增強學生對理論知識的理解能力和學習興趣;②改變了傳統(tǒng)教學模式中學生被動接受的狀態(tài)，變被動為主動，充分調(diào)動學生學習的積極性;③彌補了實驗室實驗數(shù)據(jù)可觀察性差、時空性及可擴展性差等不足。

此外，該教學模式研究成果可以為“電機與電力拖動”課程的虛擬實驗室的建立提供基礎;另一方面，該課堂教學模式的實踐經(jīng)驗可以推廣到其他工科類課程的課堂與實驗實踐教學中。

［1］鄧清濤.計算機硬件虛擬實驗平臺設計［D］.重慶:重慶大學，2007.11

［2］徐清超，劉啟勝.基于Matlab和CAD的電機教學軟件［J］.天津:電力系統(tǒng)及其自動化學報，2005，17(4):94-97.

［3］Frederick C.Berry，Philip S.DiPiazza，Susan L.Sauer.The future of electrical and computer engineering education［J］.US，IEEE Transactions on Education，2003，46(4):467-476.

［4］李正，楊文煥.《電機與拖動基礎》虛擬實驗的教學研究［J］.北京:中國電力教育，2008，11:147-149.

［5］王秋艷.電機及電力拖動(第二版)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005，pp.41-44.