“電機(jī)學(xué)”課程研究型教學(xué)探討

張 嶺，邵天章，栗彥輝，楊潤生

(軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003)

本文從電氣工程專業(yè)能力素質(zhì)結(jié)構(gòu)和要求出發(fā)，說明了課程內(nèi)容設(shè)置要求改革的必要性;我們以“電機(jī)學(xué)”課程中自激異步發(fā)電的教學(xué)實(shí)施作為切入點(diǎn)，對(duì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)如何體現(xiàn)專業(yè)特色，實(shí)施研究型教學(xué)，提高學(xué)生的科研學(xué)術(shù)能力和裝備技術(shù)能力作了有益探討。

野戰(zhàn)電力支持系統(tǒng)是一個(gè)典型的有限容量獨(dú)立供電系統(tǒng)，有別于地方高等院校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)的無限大容量電源系統(tǒng)。根據(jù)解決問題對(duì)象的不同，筆者在教學(xué)實(shí)施過程中，部分基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容采用了不同的側(cè)重點(diǎn)。以“電機(jī)學(xué)”課程中自激異步發(fā)電部分的教學(xué)為例，地方高等院校教學(xué)要求較低，只需了解所涉及問題的物理概念，了解與問題直接有關(guān)的物理意義，能利用公式計(jì)算較簡單問題即可。而我們則應(yīng)本著面向裝備教學(xué)的思想，從提高學(xué)生的科研學(xué)術(shù)能力和裝備技術(shù)能力出發(fā)，對(duì)于可作為獨(dú)立電力系統(tǒng)中發(fā)電模塊的異步發(fā)電機(jī)的教學(xué)提出更高要求。

1 自激異步發(fā)電教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理與等值電路

我們簡單介紹異步電機(jī)作為獨(dú)立發(fā)電模塊的優(yōu)勢，從電機(jī)可逆運(yùn)行原理的角度向?qū)W生說明異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式的理論依據(jù)。在機(jī)端并聯(lián)電容后，由于容性電流產(chǎn)生的定子磁動(dòng)勢的增磁作用而建壓，等值電路的推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)［1］，其等值電路如圖1所示。

圖1 異步發(fā)電機(jī)等值電路

上圖中f1為實(shí)際運(yùn)行時(shí)定子電流頻率的標(biāo)么值;RL+jXL為負(fù)載每相的電阻和電抗;和iL為定子邊頻率 f1時(shí)的相電勢和相電流;異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓;R1為定子每相電阻;X1為基值頻率下的定子每相電抗;XC為基值頻率下的端電容容抗;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)么值;為轉(zhuǎn)子邊頻率對(duì)應(yīng)的相電流折算值;R2為轉(zhuǎn)子每相電阻折算值;X'2為基值頻率下轉(zhuǎn)子每相電抗折算值;Xm為激磁電抗。

1.2 自勵(lì)電容值的選擇

自激異步發(fā)電機(jī)的頻率和電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)端電容和負(fù)荷關(guān)系密切。異步發(fā)電機(jī)端電壓的建立是其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，建壓電容值的確定則為電壓建立之關(guān)鍵。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化較小，因此定子頻率的變化范圍很小，不考慮定子頻率而只根據(jù)設(shè)定的端電壓有效值來確定電容值有著實(shí)際的意義。計(jì)算建壓電容值通常是從發(fā)電機(jī)的等值電路出發(fā)，令等值電路回路阻抗或節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納的實(shí)部和虛部分別為零，聯(lián)立方程求解。

(1)以特定運(yùn)行情況(空載和純電感負(fù)載)的電容求解為例進(jìn)行說明，同時(shí)給出截止轉(zhuǎn)速的概念。

(2)優(yōu)化法求解建立給定電壓時(shí)的自勵(lì)電容:以等值電路為基礎(chǔ)，選擇合適的目標(biāo)函數(shù)，在滿足約束條件下通過優(yōu)化方法計(jì)算電容值，這有別于通過求解高次方程求電容值的常規(guī)方法。向?qū)W生介紹優(yōu)化法求解自勵(lì)電容的程序框圖。

2 自激異步發(fā)電研究型教學(xué)

自激異步發(fā)電研究型教學(xué)的實(shí)施對(duì)教師提出了較高要求，要求他們拓展教學(xué)和科研思路，善于把科研成果融入到教學(xué)實(shí)踐中去。筆者將基金項(xiàng)目“柔性配電技術(shù)在軍用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真研究”中的部分研究成果，引入到自激異步發(fā)電的教學(xué)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)科研的良性互動(dòng)。

2.1 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)

(1)異步發(fā)電機(jī)建模仿真理論與實(shí)現(xiàn)

我們基于Matlab軟件建立了異步發(fā)電機(jī)仿真模型。Matlab中SimPowerSystems庫中的異步電機(jī)模型的核心是d-q坐標(biāo)系下的異步電機(jī)的狀態(tài)方程，電機(jī)參數(shù)為常數(shù)時(shí)不變，不適合于異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的仿真。自激異步發(fā)電機(jī)通過建立狀態(tài)空間方程可以得到較好的描述。兩相靜止坐標(biāo)系下的異步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)的通用狀態(tài)方程參見文獻(xiàn)［2］。

電機(jī)采用如下參數(shù):2.2kW，三相四極，50Hz，415V，4.5A，Y 接法，1440rpm，Rs=3.84Ω ，Rr=2.88Ω，Xls=4.46Ω，Xlr=4.46Ω ，阻抗基值 53.24Ω 。當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁路飽和程度不同時(shí)，定轉(zhuǎn)子繞組之間的Lm互感 數(shù)值將會(huì)發(fā)生變化，即互感是勵(lì)磁電流的函數(shù)［3］。該函數(shù)關(guān)系為

其中勵(lì)磁電流可以用定轉(zhuǎn)子電流來表示，im=，通過編寫M文件實(shí)現(xiàn)上述函數(shù)關(guān)系，建立模型。

(2)內(nèi)燃機(jī)建模仿真實(shí)現(xiàn)

內(nèi)燃機(jī)模型采用節(jié)氣門控制的調(diào)速系統(tǒng)，按照四沖程火花點(diǎn)火汽油機(jī)工作原理可知，模型由進(jìn)氣沖程、壓縮沖程和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生與加速(燃燒沖程)三部分構(gòu)成，如圖2 所示［4］。

圖2 小型內(nèi)燃機(jī)模型

(3)異步發(fā)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)接口實(shí)現(xiàn)

我們先將內(nèi)燃機(jī)的輸出角速度直接作為異步電機(jī)的輸入;然后計(jì)算異步電機(jī)輸出功率，根據(jù)T=(P×9.55)/n得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在內(nèi)燃機(jī)的加速度計(jì)算模塊中，根據(jù)N=(Teng－Tload)/J，積分后得到內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)的整體仿真圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)自激異步發(fā)電系統(tǒng)模型

(4)仿真演示實(shí)驗(yàn)

我們以已建立的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)為例，向?qū)W生演示對(duì)投入阻性變化負(fù)荷時(shí)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和異步發(fā)電機(jī)的電壓、電流和功率的變化情況并對(duì)比有無原動(dòng)機(jī)時(shí)電壓的變化情況，詳見文獻(xiàn)［5］。

2.2 研究型教學(xué)方法探討

(1)基于驗(yàn)證的研究型教學(xué)

本文以院基金項(xiàng)目的科研成果“內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)”為學(xué)員生的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，指導(dǎo)他們完成參考文獻(xiàn)中已有結(jié)論的驗(yàn)證工作。

(2)基于前沿跟蹤交流的研究型教學(xué)

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了在電站中采用無功補(bǔ)償器與異步發(fā)電機(jī)相結(jié)合代替同步發(fā)電機(jī)的方案，相比于機(jī)端電容的建壓方式，在改善自激異步發(fā)電系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)能力方面具有巨大優(yōu)勢。我們?cè)谪?fù)荷變化時(shí)為了維持機(jī)端電壓采用優(yōu)化法計(jì)算所需無功容量的大小和對(duì)應(yīng)的電容值的方法，詳見文獻(xiàn)［7］。我們指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了深層次的應(yīng)用研究。

3 結(jié)語

本文針對(duì)我校面向野戰(zhàn)電力支持系統(tǒng)所具有的有限容量獨(dú)立電源供電的特點(diǎn)，指出專業(yè)基礎(chǔ)課程部分教學(xué)環(huán)節(jié)要求有別于地方高等院校的必要性。創(chuàng)新教學(xué)模式和教學(xué)手段多樣化對(duì)從事專業(yè)技術(shù)教學(xué)的教員提出了更高要求。我們以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將已有科研成果融入到教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)、科研良性互動(dòng)。本文還探討了基于驗(yàn)證的和基于前沿跟蹤交流的研究型教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生查找國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)深入學(xué)習(xí)研究，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的科研學(xué)術(shù)能力和裝備技術(shù)能力。

［1］ 劉天璋.自勵(lì)三相異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能的研究［D］.青島:青島大學(xué).2005

［2］ P.C.Krause，Analysis of Electrical Machinery.New York:McGraw-Hill，1986

［3］ S.N.Mah6ato，M.P.Sharma，S.P.Singh.Analysis of Transient Behavior of a Single-Phase Self-Regulated Self-Excited Induction Generator using a Three-Phase Machine［J］.Proceedings of IEEE，2006

［4］ 郭軍華，張敏，羅挺等.小型汽油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.北京:計(jì)算機(jī)仿真.Vol 22(3)，pp.74-77 2004.05

［5］ 張嶺，邵天章，栗彥輝等.內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)建模仿真研究.［J］.常州:工礦自動(dòng)化.2011.05

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