“交流調速系統”課程教學方法探討

劉保連

（淮陰工學院電子與電氣工程學院 江蘇 淮安 223003）

0 引言

隨著電力電子技術、微控制技術及控制理論等相關理論與技術的發展， 近年來交流電機調速技術取得了快速進步。尤其是隨著矢量控制技術、直接轉矩控制技術以及同步電機自控變頻調速等高性能調速方法的應用，交流電機獲得了同直流電機一樣的調速性能，加上交流電機結構簡單、適應能力強、價格低廉等優點，交流調速系統獲得了廣泛的應用和發展[1-2]。

交流調速系統是電機學、電力電子學、微電子學、計算機科學、 自動控制理論等多種學科的有機結合和交叉應用，課程理論性強、難度大，本科生不容易理解。 因此，如何幫助學生理解與掌握課程中交流調速技術的基本原理、和基本分析方法；如何提高學生學習興趣、提高對理論知識的理解能力，保證教學效果，成為交流調速系統課程建設的核心問題。

1 課程學時分配

我校交流調速系統課程總共48 學時， 其中理論教學40學時，實驗教學8 學時。 緒論部分安排2 學時，主要講解交流調速系統發展現狀、發展趨勢、組成及分類等內容。 異步電機調壓調速系統原理簡單，容易理解，只安排2 學時。 繞線式異步電機串級調速和雙饋調速安排4 學時，主要講解雙饋調速基本原理，串級調速組成，過程分析等。 靜態模型異步電機變頻調速系統12 學時，異步電機矢量控制系統10 學時，直接轉矩控制系統6 學時，同步電機調速系統4 學時，共計40 學時。 實驗基本是按照異步電機調速系統分類來安排的，有異步電機調壓調速系統實驗（3 學時），繞線式異步電機串級調速系統實驗（3 學時），變頻調速系統實驗（2 學時）。

2 課程教學方法探討

2.1 介紹應用領域，提高認識，激發學習興趣

近年來，隨著交流調速相關技術的發展，交流調速系統在生產、生活中得到廣泛的應用。 我們身邊無處不存在交流調速技術和系的應用，如在生活方面，變頻空調、變頻洗衣機、電動自行車等，在工業方面應用更為廣泛，如電力機車拖動控制系統、高速電梯變頻控制、數控機床變頻控制、工業生產線等等。 作為電氣工程及其自動化、自動化專業的本科生，為了適應經濟社會發展需要，拓寬自己的專業知識面，擴展就業面，迫切需要學習交流調速技術理論與方法。

比如說學生們常用的交通工具電動自行車，就是由電力電子換相控制器及無刷直流電動機構成的，并簡單說明其工作原理。這樣，學生的興趣就會廣泛地被調動起來。通過介紹交流調速技術的實際應用領域與場合，學生能夠感性的認識到交流調速技術的應用現狀以及重要性，知道設置該門課程的目的和意義，便于學生理解課程在專業課程體系中的位置和重要性，建立學生學習的目的性和興趣。

2.2 初步建立調速系統概念

在教授交流調速系統具體控制技術前，應當給學生介紹交流調速系統的組成，建立系統的概念。 上課時，先給出現代交流調速系統組成示意圖，如圖1 所示[2]，最好用板書。

圖1 現代交流調速系統組成示意圖

對照圖1，給學生講解交流調速系統組成，學生的認識和理解更為直觀清晰。 交流調速系統主要由控制器、功率變換器、交流電機、反饋檢測、輔助電源等五個重要部分組成。 每個組成部分都與一些先修課程相關聯。 被控對象交流電機，其基本原理、機械特性、基本調速方法等在先修的電機與拖動課程中進行了學習，輔助電源與功率變換器相關的理論技術知識在電力電子技術課程中進行了學習，反饋檢測模塊與先修的模擬電子技術、數字電子技術、自動檢測技術等課程有關，控制器模塊是以自動控制理論、計算機控制技術及交流調速技術為基礎實現的。 經過這樣的講解，學生會非常容易理解交流調速系統課程在課程體系中的位置， 課程的組成、課程的學習內容等，從而初步建立起系統的概念，為后續學習建立一個較好的認識基礎。

2.3 應用MATLAB 輔助教學

交流調速系統是一個理論性很強的課程， 矢量控制技術、直接轉矩控制技術、功率變換技術等都是比較難理解消化吸收的。 而課堂教學中沒有很好的實際系統展示給學生看，以方便學生對相關知識的理解。 即使有相關實驗模型，學生也只能看到外在實物，仍然不能夠“看到”具體的控制理論和方法。

MATLAB 的SIMULINK 工具箱中有很多針對電力電子技術、電機控制技術和交流電機的模型和函數，如SimPower-Systems 工具箱里的UniversalBridge 可以設置橋臂個數，選擇電力電子器件類型,Machine 工具箱里有各種電機模型，Measurements 工具箱里有各種測量模塊， 應用這些模塊和函數，可以比較容易地組建矢量控制系統、 直接轉矩控制系統、PMSM、BLDC 電機控制系統以及若干子系統的模型。 通過觀察仿真曲線及數據，使學生能直觀的看到系統在初始給定及參數變化情況下的運行結果，可以對不同系統的性能指標進行比較，可以觀測系統在擾動情況下的動態性能等等，加深學生對所學理論知識的理解。 但是在仿真教學時，若直接給出搭建好的系統并進行仿真，學生對仿真結果的理解還不是很透徹，調查發現原因是學生沒有參與建模過程，對系統的組成、交流調速系統算法還是不很理解。 這時就需要老師給予適當的引導，與學生一起建模，這樣學生就能很容易掌握系統主要構成模塊，各個模塊的原理、實現方法以及控制算法。 當然，一些簡單且容易理解的模塊可以先建立起來以節約課堂時間。 同時，為加深學生對系統組成、控制方法的理解，還要求學生課后自己建立MATLAB 仿真系統模型，哪怕是老師提供一些基本功能模塊給學生。 通過理論講解、建模分析、學生自建模仿真等環節，學生對交流調速系統組成、控制方法和策略理解都比較深刻，教學效果良好。

2.4 加強實驗實踐教學

對于交流調速系統這門專業課來說，實踐環節是非常重要的。 對此我們從以下幾個方面來強化學生的實踐動手能力。

1）查閱專業文獻，了解交流調速技術最新發展、最新控制方法和策略、最新成果及應用領域等。 該環節要求學生對所查閱的資料進行講解、總結，發表自己的理解和認識，可以提高學生查閱專業文獻資料的能力，并激發學生探索專業知識的途徑和興趣。

2）在實踐教學中，我們開設了課外仿真實驗環節，學生根據自己學習情況，選擇一個或多個交流調速系統根據給定性能指標要求完成MATLAB 建模仿真，觀察系統輸出，并與理論波形進行對比分析，加深對理論知識的理解。

3）實驗室實驗教學。 我校實驗室擁有20 套浙江天煌公司電機與拖動實驗裝置， 可以完成異步電機調壓調速系統、串級調速系統、矢量控制系統、DTC 控制系統等實驗。

3 總結

給出了“交流調速系統”課程學時安排，并在此基礎上討論了課程的一些教學方法， 激發了學生學習課程的興趣, 結合MATLAB 仿真工具， 取得了較好的教學質量和教學效果，通過強化實踐環節， 使學生能夠將理論知識和實踐相結合，加深理論知識的理解，動手能力得到加強和提高。

［1］ 周亞麗.“交流調速系統” 課程教學的幾點探討[J]. 科技信息，2007,13:274-275.

［2］李華德.交流調速控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003,3.

［3］于丹.“ 交流調速” 環節教學構架的探討[J].成都航空職業技術學院學報,2002,18（2）:19-21

［4］陳榮.計算機仿真技術在“交流調速系統”教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2004,26（6）:113-115.