基于MATLAB的電力拖動基礎課程實驗教學實踐

夏益輝，趙鏡紅，陳璐珈

(海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033)

電力拖動基礎是電氣工程及其自動化專業重要的專業基礎課，主要包括直流電力拖動系統、交流電力拖動系統以及電力拖動系統過渡過程等多方面內容，要求學生能夠熟練掌握和了解電力拖動系統的起動、調速和制動等方法的理論分析、計算和控制線路設計等知識，整體內容抽象且具有較強的理論性，學生不易理解。因此，為了提高學生對電力拖動基礎課程的理論分析能力，幫助學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的電力拖動基礎課程實踐教學。此外，該種形式的實踐教學，要求學生課下進行自主性和探索性學習，能夠進一步培養學生的科學研究能力和水平。為此，很多理論課程特別是工程學科將MATLAB引入到課程實踐教學中。

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

1 制訂課堂教學目標

根據電力拖動基礎課程總體培養目標，并結合本次課堂實踐教學任務，制訂合適的課堂教學目標。合適的課堂教學目標是課堂教學的總輸入，課前準備、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識、了解和掌握本課程的培養目標及每個章節所需要達到的教學效果。

以“他勵直流電動機調壓調速”實驗為實踐教學設計為例，該實踐教學課程要求學生能夠理解和掌握他勵直流電動機調壓調速的理論分析、計算以及簡單控制線路設計等知識點。為此，教師可以結合實際工業生產中直流電動機調壓調速的實例，要求學生對其調速原理進行理論分析、仿真研究以及設計簡單的控制線路。

2 制訂課堂實施方案

針對“他勵直流電動機調壓調速”實踐教學的教學目標，并根據具體的教學要求，制訂合理的課堂實施方案。剖析“他勵直流電動機調壓調速”實踐教學的教學目標：要求學生能夠理解和掌握他勵直流電動機調壓調速的理論分析、計算以及簡單的控制線路設計等知識點。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的機械特性方程分析電動機調速時電氣參數的變化。例如，當電動機負載為恒轉矩且進行降速調速時，根據直流電力拖動系統穩定運行的條件可知，此時最簡單的處理方式是新的機械特性曲線與負載轉矩曲線在新的速度穩定點有交點，如圖1所示。而改變直流電動機機械特性曲線的方式有電樞回路串聯電阻、降低電樞供電電壓以及改變磁通，根據直流電動機實際運行工況和應用對象，選擇一種合適的直流電動機降速調速方式。

圖1 定子回路串聯電阻調速方法Fig.1 Stator loop series resistance speedregulation method

第二，理論計算。在確定調速方式后，以降壓調速為例，根據電壓平衡方程和機械運行方程以及轉矩表達式，可以計算出穩定后直流電動機的供電電壓以及電樞電流。直流電動機轉矩表達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分別為電動機電磁轉矩常數、勵磁磁通、負載轉矩、機械慣性、旋轉角速度、電樞回路等效內阻、電樞電流、感應電動勢以及供電電壓。由式(1)～式(3)，可以計算出直流電動機的供電電壓以及電樞電流。

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

(4)

其中，n1、n2和Tm分別為電動機初始轉速、穩定轉速、時間常數。

第三，控制線路設計。目前，對直流電動機進行調壓調速已經廣泛采用基于電力電子器件的Buck或Boost等DC/DC變換裝置，結合前期學生已經學習過的電力電子技術課程，并假定輸入電壓為額定電壓，學生很容易設計出基于Buck電路的直流電動機調壓電路，如圖2所示。針對此圖開展直流電動機開環控制和閉環控制研究，獲得系統控制框圖以及閉環控制參數設計方法，為后續仿真研究提供理論支撐。

圖2 基于Buck電路的直流電動機調壓調速Fig.2 Direct-current motor variable voltage control based on Buck circuit

3 仿真研究與分析

根據所設計的直流電動機調壓控制線路，利用MATLAB軟件搭建仿真模型，如圖3所示。要求學生進行仿真模型搭建時，重點圍繞功率器件的導通和關斷時間進行分析，探討其與轉速以及直流電動機供電電壓之間的關系。

針對仿真結果，要求學生能夠對仿真結果特別是過渡過程以及穩態時電動機的轉速和電樞電流以及電磁轉矩是如何變化的，其相互間的關系又是怎樣的等問題進行探討。提醒學生與先前理論分析和理論計算結果進行對比分析，可以適當提問：如果過渡過程分析時忽略了電樞電流的緩慢變化，其對理論分析結果的正確性有沒有影響？啟發學生進行深入研究和分析，有助于其更好地學習和掌握直流電力拖動系統的基本理論和方法。

圖3 直流電動機調壓調速仿真模型Fig.3 Simulation model of voltage regulation and speed regulation of DC motor

4 結語

從三個方面針對基于MATLAB的電力拖動基礎課程實驗教學實踐進行了探討和研究：首先，制訂合適的課堂目標；其次，制訂詳細的課堂實施方案，重點培養學生獨立思考和解決問題的能力，激發學生的求知和探索欲望，進而提高學生的學習動力；最后，開展仿真研究與實驗驗證，注意教師的引導作用，培養學生分析問題和溝通表達等綜合素質與能力。