“現代交流調速”課程教學改革與實踐

姜艷秋 祁紅巖 閆大新 郭靜華

摘要：文章首先敘述了為什么要對“現代交流調速”課程進行教學改革，教學改革為什么要引入MATLAB/SIMULINK仿真技術，結合“現代交流調速”課程中實際的調速方法引入了MATLAB/SIMULINK仿真技術，并應用該技術建立了仿真模型，得到了仿真結果，使抽象的知識點更加形象和具體，解決了以往“現代交流調速”課程講授中大部分學生學習積極性不高的難題，達到了預期的教學效果。

關鍵詞：MATLAB/SIMULINK；現代交流調速；課堂教學；教學效果；學習積極性

一、引言

“現代交流調速”課程是自動化專業和電氣工程及其自動化專業的重要專業課程之一，是必修課程，在課程體系中起著承前啟后的作用。在學習本門課程之前已學習并掌握了電路、電子技術、電機學、自動控制原理、電力電子技術、直流調速等課程的主要內容，從這一點就可看出“現代交流調速”課程的系統性和綜合性很強。通過多年來講授“現代交流調速”課程，可知該課程涉及知識面廣、知識點抽象，所以，以往學生上該課程時，經常是如云山霧罩，知識點掌握不透徹、系統性不好、積極性不高。 為了解決這一問題，對“現代交流調速”課程進行教學改革迫在眉睫。以往“現代交流調速”課程教學改革，大都采用考勤和課堂上提問的方法來提高學生的學習興趣，但并沒有從主觀上調動學生的積極性，效果不好。所以，提出把MATLAB/SIMULINK仿真技術應用到“現代交流調速”課程教學中。

二、MATLAB/SIMULINK應用實例

以恒U/f控制的異步電動機變頻調速系統為例，詳細敘述MATLAB/SIMULINK在現代交流調速課程中的應用。恒U/f控制的異步電動機變頻調速系統仿真模型主要由GI（給定積分器）、V-F模塊、SPWM和驅動模塊、電壓源型逆變器構成。GI模塊用來限制電動機的升頻速度，避免轉速上升過快而造成電流和轉矩的沖擊，相當于軟啟動控制的作用；V-F模塊根據頻率確定相應的電壓以保持壓頻比不變，由于電動機端電壓不能高于額定值，所以當頻率大于額定頻率時，應保持電機端電壓、額定電壓不變，在低頻時為了補償定子電阻的壓降，需要適當提高頻率為0時的電壓值；SPWM和驅動模塊根據給定頻率和電壓的要求產生按正弦脈寬調制的驅動信號，控制逆變器和異步電動機；電壓源型逆變器是三相橋式結構，由IGBT構成，主要實現直流到交流的變換。若這些模塊我們能自己搭建出來，并且能隨意的修改參數后得到相應的結果，那抽象的問題就形象化了。

三、實例模型單元

GI模塊結構如圖1所示，它是一個帶反饋的積分器，設定放大器放大倍數可以調節輸出頻率信號的上升速度。在這個環節可以現場演示參數改變后和改變前輸出結果的不同。

式中，UN為電機額定電壓，UO為起動時補償定子電阻壓降的電壓，fN為電機額定頻率。模型中放大模塊Gain2調制Fcn1模塊的輸出信號幅值，并經過Saturation模塊限幅以保證V-F模塊輸出不大于1。這個時候完全可以借助這個小模型，使學生更清晰地理解并掌握恒壓頻比控制變頻調速系統中函數發生器的作用。

V-F模塊的輸出電壓、GI模塊的輸出頻率和時間三個變量經Mux匯總為一維向量，輸入三個函數模塊產生三相調制信號ua、ub、uc，再經Mux1輸入PWM Generator模塊產生電壓源型逆變器的控制脈沖。函數模塊ua、ub、uc的表達式為：

這個環節在講授時，可以先給學生提出問題，從理論上分析V-F模塊的輸出電壓、GI模塊的輸出頻率對控制脈沖的產生有何影響，然后讓同學回答，最后通過模型的參數改變、看仿真結果得到答案，從而使學生更進一步地知道理論和實踐結合的重要性。

四、實例系統仿真

在給定頻率為50Hz，起動時間為6s，4s時加載的情況下，系統仿真結果如圖3所示。看到了仿真結果，學生會眼前一亮，這時可詳細地分析結果中的重要知識點，然后改變參數，看不同效果。

五、應用實例教學效果分析

通過以上環節對系統模型的建立和仿真，可使學生：（1）更透徹地掌握基本概念。例如恒U/f控制的具體含義。（2）更清晰地理解系統的構成及各部分的作用。例如GI模塊的作用。（3）更確切地知道系統各個部分是如何實現的。例如V-F模塊是由生成電壓的函數、運放和限幅環節構成的。（4）更明了地知道系統運行結果是怎樣的。例如圖3，系統空載啟動時，轉速由0開始慢慢加速，然后稍有超調，3s左右系統穩定在1500轉/分，4s加載后轉速稍有降落，之后穩定運行。（5）更方便地知道系統各個參數的變換對系統運行的影響。可修改各部分的參數，然后讓學生觀察仿真結果波形。

六、結論

在MATLAB/SIMULINK環境下對交流調速系統進行建模仿真，使系統形象化，有助提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，同時還可把仿真部分作為期末成績考核中的一部分，這樣更能提高學生的積極性和能動性，經實踐教學，效果良好。提出的教學改革方法同時可為自動化、電氣類專業的專業課程提供重要參考。

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