“電機學”課程研究型教學探討

張 嶺，邵天章，栗彥輝，楊潤生

(軍械工程學院電氣工程系，河北石家莊 050003)

本文從電氣工程專業能力素質結構和要求出發，說明了課程內容設置要求改革的必要性;我們以“電機學”課程中自激異步發電的教學實施作為切入點，對課程教學環節如何體現專業特色，實施研究型教學，提高學生的科研學術能力和裝備技術能力作了有益探討。

野戰電力支持系統是一個典型的有限容量獨立供電系統，有別于地方高等院校電力系統及其自動化專業的無限大容量電源系統。根據解決問題對象的不同，筆者在教學實施過程中，部分基礎課教學內容采用了不同的側重點。以“電機學”課程中自激異步發電部分的教學為例，地方高等院校教學要求較低，只需了解所涉及問題的物理概念，了解與問題直接有關的物理意義，能利用公式計算較簡單問題即可。而我們則應本著面向裝備教學的思想，從提高學生的科研學術能力和裝備技術能力出發，對于可作為獨立電力系統中發電模塊的異步發電機的教學提出更高要求。

1 自激異步發電教學環節設計

1.1 工作原理與等值電路

我們簡單介紹異步電機作為獨立發電模塊的優勢，從電機可逆運行原理的角度向學生說明異步發電機運行方式的理論依據。在機端并聯電容后，由于容性電流產生的定子磁動勢的增磁作用而建壓，等值電路的推導過程詳見文獻［1］，其等值電路如圖1所示。

圖1 異步發電機等值電路

上圖中f1為實際運行時定子電流頻率的標么值;RL+jXL為負載每相的電阻和電抗;和iL為定子邊頻率 f1時的相電勢和相電流;異步發電機機端電壓;R1為定子每相電阻;X1為基值頻率下的定子每相電抗;XC為基值頻率下的端電容容抗;n為轉子轉速標么值;為轉子邊頻率對應的相電流折算值;R2為轉子每相電阻折算值;X'2為基值頻率下轉子每相電抗折算值;Xm為激磁電抗。

1.2 自勵電容值的選擇

自激異步發電機的頻率和電壓與電機轉速、機端電容和負荷關系密切。異步發電機端電壓的建立是其穩定運行的基礎，建壓電容值的確定則為電壓建立之關鍵。內燃機驅動的自激異步發電系統穩態運行時轉速變化較小，因此定子頻率的變化范圍很小，不考慮定子頻率而只根據設定的端電壓有效值來確定電容值有著實際的意義。計算建壓電容值通常是從發電機的等值電路出發，令等值電路回路阻抗或節點導納的實部和虛部分別為零，聯立方程求解。

(1)以特定運行情況(空載和純電感負載)的電容求解為例進行說明，同時給出截止轉速的概念。

(2)優化法求解建立給定電壓時的自勵電容:以等值電路為基礎，選擇合適的目標函數，在滿足約束條件下通過優化方法計算電容值，這有別于通過求解高次方程求電容值的常規方法。向學生介紹優化法求解自勵電容的程序框圖。

2 自激異步發電研究型教學

自激異步發電研究型教學的實施對教師提出了較高要求，要求他們拓展教學和科研思路，善于把科研成果融入到教學實踐中去。筆者將基金項目“柔性配電技術在軍用供電系統中的應用仿真研究”中的部分研究成果，引入到自激異步發電的教學環節中，實現了教學科研的良性互動。

2.1 內燃機驅動的自激異步發電系統

(1)異步發電機建模仿真理論與實現

我們基于Matlab軟件建立了異步發電機仿真模型。Matlab中SimPowerSystems庫中的異步電機模型的核心是d-q坐標系下的異步電機的狀態方程，電機參數為常數時不變，不適合于異步發電機系統的仿真。自激異步發電機通過建立狀態空間方程可以得到較好的描述。兩相靜止坐標系下的異步發電機帶感性負載時的通用狀態方程參見文獻［2］。

電機采用如下參數:2.2kW，三相四極，50Hz，415V，4.5A，Y 接法，1440rpm，Rs=3.84Ω ，Rr=2.88Ω，Xls=4.46Ω，Xlr=4.46Ω ，阻抗基值 53.24Ω 。當發電機的磁路飽和程度不同時，定轉子繞組之間的Lm互感 數值將會發生變化，即互感是勵磁電流的函數［3］。該函數關系為

其中勵磁電流可以用定轉子電流來表示，im=，通過編寫M文件實現上述函數關系，建立模型。

(2)內燃機建模仿真實現

內燃機模型采用節氣門控制的調速系統，按照四沖程火花點火汽油機工作原理可知，模型由進氣沖程、壓縮沖程和轉矩產生與加速(燃燒沖程)三部分構成，如圖2 所示［4］。

圖2 小型內燃機模型

(3)異步發電機與內燃機接口實現

我們先將內燃機的輸出角速度直接作為異步電機的輸入;然后計算異步電機輸出功率，根據T=(P×9.55)/n得到負載轉矩，在內燃機的加速度計算模塊中，根據N=(Teng－Tload)/J，積分后得到內燃機的轉速。以內燃機為原動機的自激異步發電系統的整體仿真圖如圖3所示。

圖3 內燃機驅動自激異步發電系統模型

(4)仿真演示實驗

我們以已建立的內燃機驅動的自激異步發電系統為例，向學生演示對投入阻性變化負荷時的原動機轉速、轉矩和異步發電機的電壓、電流和功率的變化情況并對比有無原動機時電壓的變化情況，詳見文獻［5］。

2.2 研究型教學方法探討

(1)基于驗證的研究型教學

本文以院基金項目的科研成果“內燃機驅動的自激異步發電系統”為學員生的仿真實驗平臺，指導他們完成參考文獻中已有結論的驗證工作。

(2)基于前沿跟蹤交流的研究型教學

隨著電力電子技術的迅猛發展，出現了在電站中采用無功補償器與異步發電機相結合代替同步發電機的方案，相比于機端電容的建壓方式，在改善自激異步發電系統中的電壓調節能力方面具有巨大優勢。我們在負荷變化時為了維持機端電壓采用優化法計算所需無功容量的大小和對應的電容值的方法，詳見文獻［7］。我們指導學生進行了深層次的應用研究。

3 結語

本文針對我校面向野戰電力支持系統所具有的有限容量獨立電源供電的特點，指出專業基礎課程部分教學環節要求有別于地方高等院校的必要性。創新教學模式和教學手段多樣化對從事專業技術教學的教員提出了更高要求。我們以內燃機驅動的自激異步發電系統為仿真實驗平臺，將已有科研成果融入到教學環節，實現了教學、科研良性互動。本文還探討了基于驗證的和基于前沿跟蹤交流的研究型教學方法，指導學生查找國內外相關文獻深入學習研究，激發了學生學習的主動性和積極性，增強了學生的科研學術能力和裝備技術能力。

［1］ 劉天璋.自勵三相異步發電機穩態運行性能的研究［D］.青島:青島大學.2005

［2］ P.C.Krause，Analysis of Electrical Machinery.New York:McGraw-Hill，1986

［3］ S.N.Mah6ato，M.P.Sharma，S.P.Singh.Analysis of Transient Behavior of a Single-Phase Self-Regulated Self-Excited Induction Generator using a Three-Phase Machine［J］.Proceedings of IEEE，2006

［4］ 郭軍華，張敏，羅挺等.小型汽油機調速系統建模與仿真研究［J］.北京:計算機仿真.Vol 22(3)，pp.74-77 2004.05

［5］ 張嶺，邵天章，栗彥輝等.內燃機驅動的自激異步發電系統建模仿真研究.［J］.常州:工礦自動化.2011.05

［6］ Alolah A L，AlkanhalM A.Optimization-Based Steady State Analysis of Three Phase Self-Excited Induction Generator［J］.IEEE Trans on EC，2000，15(1):61-65

［7］ Bhim Singh，S.S.Murthy，Sushma Gupta.Analysis and Design of STATCOM-Based Voltage Regulator for Self-Excited Induction Generators［J］.IEEE Trans on EC，2004，19(4):783-790