電氣傳動課程群教學(xué)方法探討

郭丙君

（華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，中國 上海 200237）

0 引言

電氣工程及其自動化專業(yè)中一個重要的學(xué)科方向是電氣傳動，其核心課程為電路原理、電力電子技術(shù)、電力拖動基礎(chǔ)及電力拖動控制系統(tǒng)四門課程， 電氣傳動課程群間的理論知識具有很強的關(guān)系和連續(xù)性，電路原理是整個電氣傳動課程群的基礎(chǔ)課程， 電力電子技術(shù)和電力拖動基礎(chǔ)是電力拖動控制系統(tǒng)的先修基礎(chǔ)課程， 電力拖動控制系統(tǒng)課程是電力傳動課程群的核心課程， 電力拖動控制系統(tǒng)主要介紹交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)，并以交流調(diào)速系統(tǒng)為主要內(nèi)容。應(yīng)該指出電力拖動控制系統(tǒng)還綜合應(yīng)用了自動控制理論，并應(yīng)用了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行交直流調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計，幾門課程之間的銜接關(guān)系非常緊密， 并且形成了一個完整的理論體系。 在教學(xué)過程中如何把握知識之間的銜接，如何過渡是值得進(jìn)行研究的問題[3]。另外，電氣傳動課程群在教學(xué)過程中由于教學(xué)時數(shù)的限制往往介紹的是穩(wěn)態(tài)時內(nèi)容，其過渡過程的內(nèi)容很多學(xué)校是不介紹的，在教學(xué)過程將等效電路圖的教學(xué)方法同樣可以應(yīng)用到實驗教學(xué)過程中， 利用MATLAB /Simulink仿真技術(shù)或者積件庫技術(shù)求解等效電路圖方程，將過渡過程用仿真技術(shù)展現(xiàn)出來是很有意義的，開展線上虛擬仿真實驗教學(xué)，有利于學(xué)生理解知識點，提高教學(xué)效果。

1 電氣傳動課程群知識點的認(rèn)識

電氣傳動課程群主要由四門課程組成，其關(guān)系圖如圖1 所示，電氣傳動課程群知識點具有上下銜接關(guān)系，其基礎(chǔ)是電路原理，主要的理論如替代定理、支路法、節(jié)點電壓、回路電流、戴維南定理、特勒根定理、互易定理等。 而一個典型的電力傳動系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖中電源部分就是電力電子技術(shù)課程，電動機(jī)部分就是電力拖動基礎(chǔ)課程，控制設(shè)備就是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)方面課程，也包括自動控制類課程，而電源、控制設(shè)備及電動機(jī)綜合起來就是電力拖動控制系統(tǒng)的課程內(nèi)容，傳動和工作機(jī)構(gòu)就是電氣控制裝置的機(jī)械部分，主要由相關(guān)的機(jī)械工程課程內(nèi)容。 電氣傳動課程群的理論基礎(chǔ)是電路原理課程，例如電力電子技術(shù)中的晶閘管和IGBT 的工作原理如圖3 所示， 其工作原理就是電路理論的應(yīng)用，電力電子技術(shù)中元器件及相應(yīng)的四大變換電路也均是電路理論的應(yīng)用。電力拖動基礎(chǔ)和電力拖動控制系統(tǒng)課程中的變壓器、電動機(jī)的等效電路圖如圖4 所示。同樣其分析計算等完全可以應(yīng)用電路知識來完成，在教學(xué)過程中要充分注意知識點的連貫性，強調(diào)基礎(chǔ)課程在本專業(yè)中的重要性。

圖1 電氣傳動課程群的關(guān)系圖

圖2 電力傳動系統(tǒng)的組成

應(yīng)該指出， 在電氣傳動課程群的教學(xué)過程中，目前廣泛地應(yīng)用了自動控制理論及計算機(jī)技術(shù)的成果，全數(shù)字控制的電氣傳動產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地使用了，在電機(jī)控制方面出現(xiàn)過很多方案，如轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、交流電機(jī)的無源性控制、后退控制的交流電機(jī)控制、以微分幾何控制理論為基礎(chǔ)的線性化控制、基于逆系統(tǒng)理論的交流電機(jī)解耦控制、魯棒控制。 智能控制在電力傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用是其必然的發(fā)展趨勢，目前已經(jīng)出現(xiàn)了具有智能控制的交流變頻器實際產(chǎn)品，適當(dāng)?shù)匾冒咐虒W(xué)對于提高教學(xué)質(zhì)量很有幫助。

圖3 電力電子技術(shù)課程中的電力電子器件的等效電路圖

2 線上線下實驗教學(xué)在電氣傳動課程群教學(xué)中的應(yīng)用

實驗教學(xué)是電氣傳動課程群中一個非常重要的教學(xué)過程，實現(xiàn)線上實驗?zāi)壳爸饕袃煞N方法：（1）基于MATLAB 的仿真實驗平臺；（2）基于 Internet 的虛擬實驗平臺。

2.1 基于MATLAB 的仿真實驗平臺

要實現(xiàn)基于MATLAB 的仿真實驗， 同樣需要應(yīng)用到等效電路圖的方法，進(jìn)一步寫出微分方程，并進(jìn)行數(shù)值計算來實現(xiàn)。 通過上述的等效電路圖，可以進(jìn)行相應(yīng)的建模，就可以進(jìn)行一系列的仿真教學(xué)，來加強學(xué)生對于電氣傳動課程群知識體系的認(rèn)識。筆者在教學(xué)實踐過程中針對電力電子技術(shù)課程開發(fā)了一些線上實驗項目：晶閘管三相橋式整流器，基于PWM 技術(shù)逆變器、交流調(diào)壓器和直流斬波器的仿真實驗。 針對電力拖動控制系統(tǒng)課程開發(fā)的實驗項目：直流調(diào)速系統(tǒng)中的單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)及PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)、 交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差功率消耗性調(diào)速系統(tǒng)、交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)和交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)差功率不變形調(diào)速系統(tǒng)。

圖4 電力拖動基礎(chǔ)和電力拖動控制系統(tǒng)課程中的直流電動機(jī)、變壓器及三相異步電動機(jī)等效電路圖

2.2 基于Internet 的虛擬實驗平臺

目前基于Internet 的虛擬實驗平臺有很多實現(xiàn)方法，這里介紹一種基于積件庫技術(shù)求解等效電路圖方程的仿真方法。 同樣是應(yīng)用了等效電路圖的方法，進(jìn)一步寫出微分方程，并進(jìn)行數(shù)值計算來實現(xiàn)的。 將各個元件建立了積件庫，提供給學(xué)生使用，并且是基于Internet 的虛擬實驗平臺。

由于本次疫情的關(guān)系，筆者在主講電力拖動基礎(chǔ)課程的過程中， 基于Internet 的虛擬實驗平臺開發(fā)了如下的實驗項目：直流發(fā)電機(jī)的輸出特性、直流電動機(jī)的機(jī)械特性、直流電動機(jī)的調(diào)速和制動、單相變壓器的工作特性、三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性、三相異步電動機(jī)的調(diào)速和制動等。

基于Internet 的虛擬實驗平臺保持了線上教學(xué)對時空的突破，同時學(xué)生獲得更大的自由空間，并能及時觀察到實驗的結(jié)果是否符合預(yù)期，平臺為教學(xué)效果的檢測提供了便利， 也使整個網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)形成了“教學(xué)—實驗—評測”的閉環(huán)，彰顯了學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體地位。應(yīng)該指出學(xué)生不善于在課堂上進(jìn)行面對面的討論互動，而在網(wǎng)絡(luò)上討論是非常熱烈的，應(yīng)該充分發(fā)揮線上教學(xué)的有力工具，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

應(yīng)該指出， 實驗教學(xué)要遵循能實不虛的原則，只有在實物實驗有安全問題或者實物實驗成本過高時采用虛擬實驗， 要實現(xiàn)線上線下實驗的混合教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)校現(xiàn)有的實驗室資源和線上實驗的資源，更加有利于提高電氣傳動課程群的教學(xué)效果。

3 總結(jié)

電氣傳動課程群的知識體系是一脈相承的，應(yīng)用等效電路圖教學(xué)是貫徹始終的電氣傳動課程群教學(xué)的一種有效方法， 充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)課程的重要性，在理論及實驗教學(xué)過程中可以采用混合教學(xué)方法，對于提高電氣傳動學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量具有一定的參考價值。