夏益輝，趙鏡紅，陳璐珈

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

電力拖動基礎(chǔ)是電氣工程及其自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要包括直流電力拖動系統(tǒng)、交流電力拖動系統(tǒng)以及電力拖動系統(tǒng)過渡過程等多方面內(nèi)容，要求學(xué)生能夠熟練掌握和了解電力拖動系統(tǒng)的起動、調(diào)速和制動等方法的理論分析、計算和控制線路設(shè)計等知識，整體內(nèi)容抽象且具有較強(qiáng)的理論性，學(xué)生不易理解。因此，為了提高學(xué)生對電力拖動基礎(chǔ)課程的理論分析能力，幫助學(xué)生理解和掌握課程理論知識，克服實驗室硬件條件不足的問題，引入基于MATLAB的電力拖動基礎(chǔ)課程實踐教學(xué)。此外，該種形式的實踐教學(xué)，要求學(xué)生課下進(jìn)行自主性和探索性學(xué)習(xí)，能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和水平。為此，很多理論課程特別是工程學(xué)科將MATLAB引入到課程實踐教學(xué)中。

文獻(xiàn)[1]針對現(xiàn)代控制理論采用基于MATLAB的實驗教學(xué)進(jìn)行了研究，給出了現(xiàn)代控制系統(tǒng)中6個教學(xué)仿真實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理和實驗步驟，獲得了較好的實驗效果。文獻(xiàn)[2]針對基于MATLAB的數(shù)字信號處理課程取樣定理實驗教學(xué)進(jìn)行了研究，由于MATLAB具有高效的數(shù)值計算以及圖形處理等功能，通過對其進(jìn)行編程和仿真，取得了滿意的授課效果。文獻(xiàn)[3]針對電子類課程采用MATLAB實驗教學(xué)與實踐進(jìn)行了研究，指出通過該仿真軟件開展實驗教學(xué)，能夠節(jié)約教學(xué)成本，同時獲得較好的實驗效果。文獻(xiàn)[4]針對MATLAB軟件用于定積分實驗進(jìn)行了設(shè)計，有助于學(xué)生理解定積分概念和幾何意義。文獻(xiàn)[5]針對Matlab和Labview軟件用于電力拖動虛實結(jié)合實驗系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了探討，該方法有助于提升學(xué)生的工程設(shè)計與開發(fā)能力。此外，文獻(xiàn)[6-7]針對MATLAB用于其他課程進(jìn)行了分析與研究，均取得了較好的實驗效果。

1 制訂課堂教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)電力拖動基礎(chǔ)課程總體培養(yǎng)目標(biāo)，并結(jié)合本次課堂實踐教學(xué)任務(wù)，制訂合適的課堂教學(xué)目標(biāo)。合適的課堂教學(xué)目標(biāo)是課堂教學(xué)的總輸入，課前準(zhǔn)備、課堂組織實施以及課堂效果評估與講評均是圍繞其開展合作的，要求任課教師必須清晰認(rèn)識、了解和掌握本課程的培養(yǎng)目標(biāo)及每個章節(jié)所需要達(dá)到的教學(xué)效果。

以“他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速”實驗為實踐教學(xué)設(shè)計為例，該實踐教學(xué)課程要求學(xué)生能夠理解和掌握他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的理論分析、計算以及簡單控制線路設(shè)計等知識點。為此，教師可以結(jié)合實際工業(yè)生產(chǎn)中直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的實例，要求學(xué)生對其調(diào)速原理進(jìn)行理論分析、仿真研究以及設(shè)計簡單的控制線路。

2 制訂課堂實施方案

針對“他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速”實踐教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)具體的教學(xué)要求，制訂合理的課堂實施方案。剖析“他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速”實踐教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)：要求學(xué)生能夠理解和掌握他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的理論分析、計算以及簡單的控制線路設(shè)計等知識點。為此，課堂實施可以劃分為以下幾方面。

第一，理論分析。理論分析主要利用直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程分析電動機(jī)調(diào)速時電氣參數(shù)的變化。例如，當(dāng)電動機(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩且進(jìn)行降速調(diào)速時，根據(jù)直流電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件可知，此時最簡單的處理方式是新的機(jī)械特性曲線與負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線在新的速度穩(wěn)定點有交點，如圖1所示。而改變直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線的方式有電樞回路串聯(lián)電阻、降低電樞供電電壓以及改變磁通，根據(jù)直流電動機(jī)實際運(yùn)行工況和應(yīng)用對象，選擇一種合適的直流電動機(jī)降速調(diào)速方式。

圖1 定子回路串聯(lián)電阻調(diào)速方法Fig.1 Stator loop series resistance speedregulation method

第二，理論計算。在確定調(diào)速方式后，以降壓調(diào)速為例，根據(jù)電壓平衡方程和機(jī)械運(yùn)行方程以及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，可以計算出穩(wěn)定后直流電動機(jī)的供電電壓以及電樞電流。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和電壓平衡方程分別如式(1)～式(3)所示。

Te=CTΦmIa

(1)

(2)

U1=Ea+RaIa

(3)

其中，CT、Φm、TL、J、Ω、Ra、Ia、Ea和U1分別為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)、勵磁磁通、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、機(jī)械慣性、旋轉(zhuǎn)角速度、電樞回路等效內(nèi)阻、電樞電流、感應(yīng)電動勢以及供電電壓。由式(1)～式(3)，可以計算出直流電動機(jī)的供電電壓以及電樞電流。

直流電力拖動系統(tǒng)過渡過程存在3種慣性：熱慣性、機(jī)械慣性和電磁慣性。相比于機(jī)械慣性，電磁慣性時間常數(shù)非常短，而熱慣性時間常數(shù)又很長，在分析直流電力拖動系統(tǒng)過渡過程時通常忽略電磁慣性和熱慣性，為此，直流電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速nx變化過程可用式(4)表示。

(4)

其中，n1、n2和Tm分別為電動機(jī)初始轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、時間常數(shù)。

第三，控制線路設(shè)計。目前，對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速已經(jīng)廣泛采用基于電力電子器件的Buck或Boost等DC/DC變換裝置，結(jié)合前期學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的電力電子技術(shù)課程，并假定輸入電壓為額定電壓，學(xué)生很容易設(shè)計出基于Buck電路的直流電動機(jī)調(diào)壓電路，如圖2所示。針對此圖開展直流電動機(jī)開環(huán)控制和閉環(huán)控制研究，獲得系統(tǒng)控制框圖以及閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)計方法，為后續(xù)仿真研究提供理論支撐。

圖2 基于Buck電路的直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速Fig.2 Direct-current motor variable voltage control based on Buck circuit

3 仿真研究與分析

根據(jù)所設(shè)計的直流電動機(jī)調(diào)壓控制線路，利用MATLAB軟件搭建仿真模型，如圖3所示。要求學(xué)生進(jìn)行仿真模型搭建時，重點圍繞功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間進(jìn)行分析，探討其與轉(zhuǎn)速以及直流電動機(jī)供電電壓之間的關(guān)系。

針對仿真結(jié)果，要求學(xué)生能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果特別是過渡過程以及穩(wěn)態(tài)時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞電流以及電磁轉(zhuǎn)矩是如何變化的，其相互間的關(guān)系又是怎樣的等問題進(jìn)行探討。提醒學(xué)生與先前理論分析和理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以適當(dāng)提問：如果過渡過程分析時忽略了電樞電流的緩慢變化，其對理論分析結(jié)果的正確性有沒有影響？啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入研究和分析，有助于其更好地學(xué)習(xí)和掌握直流電力拖動系統(tǒng)的基本理論和方法。

圖3 直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速仿真模型Fig.3 Simulation model of voltage regulation and speed regulation of DC motor

4 結(jié)語

從三個方面針對基于MATLAB的電力拖動基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)實踐進(jìn)行了探討和研究：首先，制訂合適的課堂目標(biāo)；其次，制訂詳細(xì)的課堂實施方案，重點培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的求知和探索欲望，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力；最后，開展仿真研究與實驗驗證，注意教師的引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和溝通表達(dá)等綜合素質(zhì)與能力。