譚燕玲，張 強(qiáng)，何 山

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

紡織電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室階梯多維教學(xué)模式研究

譚燕玲1，張 強(qiáng)2，何 山2

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

針對(duì)新疆高職院校的紡織機(jī)電一體化課程教學(xué)存在的問(wèn)題，通過(guò)建立虛擬紡織電機(jī)實(shí)驗(yàn)室，利用MATLAB軟件建立紡織電機(jī)的外部運(yùn)行模型及控制模型，并結(jié)合ANSOFT軟件建立紡織電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分析模型，形成了由外部特性到內(nèi)部磁場(chǎng)分析、由理論分析到控制運(yùn)行、由學(xué)習(xí)到開(kāi)發(fā)的階梯多維教學(xué)模式。

虛擬實(shí)驗(yàn)室；紡織機(jī)電一體化；階梯多維教學(xué)法；課程建設(shè)

隨著我國(guó)工業(yè)化的突飛猛進(jìn)，紡織機(jī)電一體化課程在紡織職業(yè)技術(shù)教育中的地位越來(lái)越重要[1-2]；但從教學(xué)效果看，傳統(tǒng)教學(xué)模式已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高職院校的教育教學(xué)要求。即紡織機(jī)電一體化的傳統(tǒng)教學(xué)模式改革勢(shì)在必行。為此，本文針對(duì)紡織機(jī)電一體化課程在教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題尤其是電機(jī)部分，提出了基于階梯式多維教學(xué)模式的電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生和企業(yè)提供一個(gè)良好的銜接平臺(tái)。該模式利用軟件的可更新性和電機(jī)種類(lèi)、內(nèi)容的豐富性，搭建各種二維、三維電機(jī)及電機(jī)運(yùn)行模型，可進(jìn)行多方位、多條件地對(duì)電機(jī)內(nèi)外運(yùn)行狀況進(jìn)行深入分析[3-10]。

1 基于MATLAB的電機(jī)外部運(yùn)行特性仿真

由于紡織設(shè)備電機(jī)種類(lèi)繁多，下面以典型的直流電機(jī)制動(dòng)特性和異步電機(jī)啟動(dòng)特性為例，通過(guò)仿真運(yùn)行曲線來(lái)幫助學(xué)生更加直觀地了解電機(jī)運(yùn)行特性，更好地在實(shí)際中運(yùn)用。

1.1 直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性仿真

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)的電機(jī)運(yùn)行模型，如圖1所示。運(yùn)行后轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過(guò)程曲線如圖2所示。

從仿真結(jié)果的波形中可看出，在能耗制動(dòng)的過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(lì)勵(lì)磁電流If始終不變，而電磁轉(zhuǎn)矩Tem方向也在第5 s突然反向，最后趨于零。仿真結(jié)果能有助于高職學(xué)生直觀地看出n與Tem在制動(dòng)過(guò)程中始終方向相反，起制動(dòng)作用，結(jié)果與教科書(shū)相符。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)星形-三角形降壓?jiǎn)?dòng)特性仿真

三相電源相電壓設(shè)為220v，頻率50Hz，電機(jī)模塊繞組類(lèi)型選擇鼠籠式；建立異步電機(jī)星形-三角形(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)特性仿真模型，如圖3所示。運(yùn)行后電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子角速度仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果的波形中可看出，在啟動(dòng)過(guò)程中采用Y啟動(dòng)，電機(jī)定轉(zhuǎn)子瞬時(shí)啟動(dòng)電流都不大，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n逐步上升，在第0.5s改變?yōu)椤餍徒臃ㄒ蕴岣唠姍C(jī)的輸出功率。學(xué)生可從仿真結(jié)果中看出，變換接法對(duì)電機(jī)的沖擊度很小，電機(jī)能很容易地平穩(wěn)過(guò)渡到正常運(yùn)行狀態(tài)中，這有助于學(xué)生理解星形-三角形(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)的相關(guān)理論知識(shí)。

2 基于ANSOFT的電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)運(yùn)行特性仿真

以永磁同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和異步電動(dòng)機(jī)暫態(tài)運(yùn)行仿真為例，利用ANSOFT強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析能力使學(xué)生通過(guò)仿真建模后，能深入掌握電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程暫、穩(wěn)態(tài)下的電磁場(chǎng)仿真分析，對(duì)紡織機(jī)電一體化課程電機(jī)部分的深入學(xué)習(xí)有重要意義。

2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)的仿真

電機(jī)定繞組材料屬性為銅，定子鐵心及轉(zhuǎn)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(jī)模型如圖5所示，對(duì)模型進(jìn)行有限元剖分如圖6所示。在加入邊界條件運(yùn)行后，學(xué)生可通過(guò)彩色圖案更直觀地看到電機(jī)磁力線的分布(見(jiàn)圖7)和磁通密度云的分布(見(jiàn)圖8)，以了解電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的具體分布情況。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)暫態(tài)運(yùn)行內(nèi)部電磁場(chǎng)的仿真

模型參數(shù)為定子繞組Y接，每槽導(dǎo)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(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程中電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)變化情況，如圖10所示。

圖1 他勵(lì)直流電機(jī)能耗制動(dòng)仿真模型圖

圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流及電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

圖3 星形-三角形(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)模型仿真

圖4 星形-三角形(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)模型仿真結(jié)果

圖5 電機(jī)模型圖

圖6 模型剖分圖

圖7 電機(jī)磁力線分布圖

圖8 磁通密度云分布

圖9 異步電機(jī)建模模型

(1)暫態(tài)時(shí)間為0.005 s

(2)暫態(tài)時(shí)間為0.5 s圖10 不同暫態(tài)時(shí)間的內(nèi)部磁力線分布

3 基于MATLAB的電機(jī)控制運(yùn)行特性仿真

下面以直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)為例，通過(guò)仿真讓學(xué)生了解PID的控制和調(diào)整方法，理解和掌握紡織電機(jī)的調(diào)速規(guī)律，能在實(shí)踐中熟練控制電機(jī)調(diào)速。

學(xué)生可對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行擾動(dòng)仿真，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)論

通過(guò)建立虛擬紡織電機(jī)實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行崗位模擬,實(shí)現(xiàn)學(xué)生與企業(yè)員工“零距離”對(duì)接。通過(guò)該教學(xué)模式的嘗試極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯，學(xué)生不僅能熟練掌握教學(xué)中的理論知識(shí)，而且能很好地運(yùn)用于實(shí)踐。

圖11 帶參數(shù)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型

圖12 雙閉環(huán)調(diào)速的單位階躍響應(yīng)曲線

圖13 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖14 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)曲線

圖15 雙閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型

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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(huì)科學(xué)研究“工程科技人才培養(yǎng)研究專(zhuān)項(xiàng)”(10JDGC009)；新疆大學(xué)電機(jī)學(xué)精品課程建設(shè)

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

G642.0

B

1673-0356(2017)03-0054-06