虛擬仿真技術(shù)在智能低壓電器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用研究

王環(huán) 葉愛(ài)芬 吳烈

摘要：智能低壓電器實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革對(duì)促進(jìn)電氣專(zhuān)業(yè)建設(shè)發(fā)展、提升高校服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)能力等方面都具有積極的意義。為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，課程組將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到智能低壓電器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并對(duì)智能低壓電器實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。文章最后詳細(xì)闡明了如何將MATLAB軟件應(yīng)用到電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中。實(shí)踐教學(xué)證明，將虛擬仿真技術(shù)引入到智能低壓電器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不但可以解決實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和硬件條件上的限制，還能提升實(shí)驗(yàn)設(shè)置和操作的靈活性，教學(xué)效果得到很大提高。

關(guān)鍵詞：智能低壓電器;虛擬仿真技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);MATLAB;電機(jī)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.48文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）35-0258-02

1 概述

當(dāng)前背景下普通地方高校都致力于提升人才培養(yǎng)與區(qū)域發(fā)展的契合度和支撐度，將自身的專(zhuān)業(yè)建設(shè)發(fā)展與地方經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展緊密融合，實(shí)現(xiàn)雙方的相互適應(yīng)和共謀發(fā)展。溫州大學(xué)作為一所地方綜合性大學(xué)，堅(jiān)持“佑啟鄉(xiāng)邦”，深入實(shí)施“面向地方、面向一流”工程，努力走“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合的發(fā)展之路，積極提升服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的能力。目前，低壓電器仍是溫州的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是溫州的第一產(chǎn)業(yè)集群，僅在樂(lè)清就集中了3000余家中小企業(yè)和30余家大型企業(yè)集團(tuán)[1]。但當(dāng)前的溫州低壓電器行業(yè)在快速發(fā)展的背后隱藏著一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，那就是產(chǎn)品檔次低、技術(shù)含量低等問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)升級(jí)一直難以突破困局。為此，溫州大學(xué)通過(guò)開(kāi)設(shè)《智能低壓電器》課程，為低壓電器行業(yè)培養(yǎng)急需的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，實(shí)現(xiàn)學(xué)校產(chǎn)教融合，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。《智能低壓電器》作為一門(mén)對(duì)實(shí)操要求很高的課程，需要通過(guò)合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程來(lái)提升學(xué)生對(duì)低壓電器的感性認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力。智能低壓電器實(shí)驗(yàn)課程對(duì)硬件條件要求高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)耗材消耗大，如在斷路器延時(shí)保護(hù)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中需要配置能產(chǎn)生高達(dá)上千安培的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)斷路器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)閉動(dòng)作，極易造成斷路器的損壞。此外，智能低壓電器實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地、硬件設(shè)施要求高也導(dǎo)致學(xué)生在課余時(shí)間無(wú)法進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。隨著軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷提高，高精度虛擬仿真技術(shù)在低壓電器領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。因此將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到智能低壓電器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以有效解決上述問(wèn)題，使得學(xué)生得到智能低壓電器開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)訓(xùn)練，為智能電壓電器實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供強(qiáng)有力的支撐。

2 基于虛擬仿真的智能低壓電器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置是否合理直接決定了實(shí)驗(yàn)最終效果。引入虛擬仿真技術(shù)使得智能低壓電器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠擺脫硬件平臺(tái)等方面的限制。智能低壓電器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能使學(xué)生能夠掌握更加貼近行業(yè)需求的技術(shù)。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1）常用低壓電器的認(rèn)識(shí)與使用：通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解常用低壓電器，包括斷路器、互感器、接觸器、繼電器、按鈕開(kāi)關(guān)等;認(rèn)識(shí)各種低壓電器的標(biāo)牌及標(biāo)牌上參數(shù)的意義;掌握常用低壓電器的使用方法。

2）低壓電器控制電路實(shí)驗(yàn)：通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解電機(jī)電路的原理和連接方法，包括電機(jī)控制電路、電機(jī)保護(hù)電路、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路等;掌握三相電機(jī)智能軟啟動(dòng)器的工作原理，利用Simulink設(shè)計(jì)并優(yōu)化兩種常用電機(jī)控制方式[3]：定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢量控制。

3）斷路器延時(shí)保護(hù)特性的測(cè)試：通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握斷路器的工作原理;理解延時(shí)保護(hù)特性的概念;掌握斷路器延時(shí)保護(hù)的原理和延時(shí)保護(hù)特性的測(cè)試方法;掌握使用等效法測(cè)試斷路器延時(shí)保護(hù)特性。引入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件（ADAMS： Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）對(duì)斷路器的延時(shí)保護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

4）斷路器瞬時(shí)保護(hù)特性的測(cè)試：通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解斷路器瞬時(shí)保護(hù)特性的概念;掌握斷路器瞬時(shí)保護(hù)的原理和瞬時(shí)保護(hù)特性的測(cè)試方法。利用有限元分析軟件（ANSYS）和AD-AMS對(duì)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

5）斷路器智能控制器的設(shè)計(jì)：該實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解斷路器智能控制器的工作原理;利用Protues軟件設(shè)計(jì)斷路器智能控制器系統(tǒng)[6]，包括系統(tǒng)的硬件和軟件;利用MATLAB設(shè)計(jì)智能斷路器系統(tǒng)的平滑濾波算法[7]。

3 教學(xué)案例研究：MATLAB軟件在電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐

MATLAB的含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室，為Matrix Laboratory的縮寫(xiě)。該軟件是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要用于智能算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值分析、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、電力電子、電機(jī)控制等領(lǐng)域，大體分為MATLAB和Simulink兩部分。其中Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，是用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，是面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的方便的仿真工具。Simulink的主要特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)工作，即畫(huà)出系統(tǒng)圖的同時(shí)就可得到相應(yīng)的語(yǔ)言代碼，對(duì)系統(tǒng)的控制、信號(hào)處理和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的算法都可以通過(guò)開(kāi)發(fā)模塊圖自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果可在MATLAB工作空間中輸出。Simulink支持連續(xù)與離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線(xiàn)性與非線(xiàn)性系統(tǒng)，及具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，MATLAB中的Simulink完全符合電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)虛擬仿真的需求。

實(shí)驗(yàn)首先需要利用Simulink搭建三相交流電機(jī)控制電路。三相交流電機(jī)控制電路的核心為變頻器，其主要完成電能的兩項(xiàng)變換功能：一是改變對(duì)負(fù)載的供電頻率;二是改變對(duì)負(fù)載的供電電壓。變頻器的工作原理為先將固定頻率和電壓的交流電整流為直流電，而后再將直流電逆變?yōu)轭l率和電壓符合電機(jī)工作需求的交流電，即變頻器工作在交流一直流一交流的模式中[8]。其中，變頻器將固定頻率、電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，需要根據(jù)變頻器控制輸出電壓的算法來(lái)確定。整流后的脈動(dòng)直流量需要通過(guò)電容濾波器變成平直的直流量。變頻器所接的濾波器讓脈動(dòng)的直流量變成平直的直流量，可以對(duì)直流電壓濾波，也可以對(duì)直流電流濾波，根據(jù)負(fù)載的使用要求和變頻器的控制方式而定。為了能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，還需要通過(guò)逆變的方式將平直的直流量轉(zhuǎn)換成特定頻率的交流量。逆變的調(diào)制方式一般采用SVPWM調(diào)制。為了提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，三相電機(jī)控制策略采用轉(zhuǎn)矩外環(huán)結(jié)合電流內(nèi)環(huán)的矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式[9]，其簡(jiǎn)易控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

而后需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖中的控制器拓?fù)洹D1中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AψR(shí)為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器，ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，F(xiàn)BS為轉(zhuǎn)速傳感器。為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，三相交流電機(jī)常采用矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式，該方式是在電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)增加轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先，系統(tǒng)需要采樣輸出電流后進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后再通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交變換獲得等效的直流電機(jī)模型，然后對(duì)直流電機(jī)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，最后對(duì)控制器輸出量進(jìn)行坐標(biāo)反變換獲得三相交流電機(jī)的控制量。磁鏈定向矢量控制可以實(shí)現(xiàn)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速ω跟蹤定值ω*。此時(shí)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來(lái)抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)所引起的電磁轉(zhuǎn)矩變化，但這種調(diào)節(jié)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差。為此需要在上述控制策略的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)控制系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)將MAT-LAB軟件引入到電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中，在無(wú)須硬件配套的基礎(chǔ)上使學(xué)生掌握三相電機(jī)運(yùn)行控制的原理和操作流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐教學(xué)證明，將虛擬仿真技術(shù)引入到智能低壓電器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不但可以解決實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和硬件條件上的限制，還能提升實(shí)驗(yàn)設(shè)置和操作的靈活性，教學(xué)效果得到很大提高。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2019-09-25

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（LZ16E050002）

作者簡(jiǎn)介：王環(huán)（1983-），男，浙江溫州人，實(shí)驗(yàn)師，博士，主要研究方向電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電;葉愛(ài)芬（1982-），女，浙江永嘉人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)，自動(dòng)控制;吳烈（1969-），男，浙江溫州人，講師，博士，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>