“交流調(diào)速系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探討

劉保連

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇 淮安 223003）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、微控制技術(shù)及控制理論等相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展， 近年來交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了快速進(jìn)步。尤其是隨著矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及同步電機(jī)自控變頻調(diào)速等高性能調(diào)速方法的應(yīng)用，交流電機(jī)獲得了同直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能，加上交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，交流調(diào)速系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1-2]。

交流調(diào)速系統(tǒng)是電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、 自動(dòng)控制理論等多種學(xué)科的有機(jī)結(jié)合和交叉應(yīng)用，課程理論性強(qiáng)、難度大，本科生不容易理解。 因此，如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中交流調(diào)速技術(shù)的基本原理、和基本分析方法；如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高對理論知識(shí)的理解能力，保證教學(xué)效果，成為交流調(diào)速系統(tǒng)課程建設(shè)的核心問題。

1 課程學(xué)時(shí)分配

我校交流調(diào)速系統(tǒng)課程總共48 學(xué)時(shí)， 其中理論教學(xué)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)8 學(xué)時(shí)。 緒論部分安排2 學(xué)時(shí)，主要講解交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、組成及分類等內(nèi)容。 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理簡單，容易理解，只安排2 學(xué)時(shí)。 繞線式異步電機(jī)串級調(diào)速和雙饋調(diào)速安排4 學(xué)時(shí)，主要講解雙饋調(diào)速基本原理，串級調(diào)速組成，過程分析等。 靜態(tài)模型異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)12 學(xué)時(shí)，異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)10 學(xué)時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)6 學(xué)時(shí)，同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4 學(xué)時(shí)，共計(jì)40 學(xué)時(shí)。 實(shí)驗(yàn)基本是按照異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分類來安排的，有異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時(shí)），繞線式異步電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時(shí)），變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（2 學(xué)時(shí)）。

2 課程教學(xué)方法探討

2.1 介紹應(yīng)用領(lǐng)域，提高認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

近年來，隨著交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活中得到廣泛的應(yīng)用。 我們身邊無處不存在交流調(diào)速技術(shù)和系的應(yīng)用，如在生活方面，變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、電動(dòng)自行車等，在工業(yè)方面應(yīng)用更為廣泛，如電力機(jī)車拖動(dòng)控制系統(tǒng)、高速電梯變頻控制、數(shù)控機(jī)床變頻控制、工業(yè)生產(chǎn)線等等。 作為電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)的本科生，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，拓寬自己的專業(yè)知識(shí)面，擴(kuò)展就業(yè)面，迫切需要學(xué)習(xí)交流調(diào)速技術(shù)理論與方法。

比如說學(xué)生們常用的交通工具電動(dòng)自行車，就是由電力電子換相控制器及無刷直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的，并簡單說明其工作原理。這樣，學(xué)生的興趣就會(huì)廣泛地被調(diào)動(dòng)起來。通過介紹交流調(diào)速技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域與場合，學(xué)生能夠感性的認(rèn)識(shí)到交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及重要性，知道設(shè)置該門課程的目的和意義，便于學(xué)生理解課程在專業(yè)課程體系中的位置和重要性，建立學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性和興趣。

2.2 初步建立調(diào)速系統(tǒng)概念

在教授交流調(diào)速系統(tǒng)具體控制技術(shù)前，應(yīng)當(dāng)給學(xué)生介紹交流調(diào)速系統(tǒng)的組成，建立系統(tǒng)的概念。 上課時(shí)，先給出現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成示意圖，如圖1 所示[2]，最好用板書。

圖1 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成示意圖

對照圖1，給學(xué)生講解交流調(diào)速系統(tǒng)組成，學(xué)生的認(rèn)識(shí)和理解更為直觀清晰。 交流調(diào)速系統(tǒng)主要由控制器、功率變換器、交流電機(jī)、反饋檢測、輔助電源等五個(gè)重要部分組成。 每個(gè)組成部分都與一些先修課程相關(guān)聯(lián)。 被控對象交流電機(jī)，其基本原理、機(jī)械特性、基本調(diào)速方法等在先修的電機(jī)與拖動(dòng)課程中進(jìn)行了學(xué)習(xí)，輔助電源與功率變換器相關(guān)的理論技術(shù)知識(shí)在電力電子技術(shù)課程中進(jìn)行了學(xué)習(xí)，反饋檢測模塊與先修的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)等課程有關(guān)，控制器模塊是以自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及交流調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。 經(jīng)過這樣的講解，學(xué)生會(huì)非常容易理解交流調(diào)速系統(tǒng)課程在課程體系中的位置， 課程的組成、課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容等，從而初步建立起系統(tǒng)的概念，為后續(xù)學(xué)習(xí)建立一個(gè)較好的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。

2.3 應(yīng)用MATLAB 輔助教學(xué)

交流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)理論性很強(qiáng)的課程， 矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、功率變換技術(shù)等都是比較難理解消化吸收的。 而課堂教學(xué)中沒有很好的實(shí)際系統(tǒng)展示給學(xué)生看，以方便學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的理解。 即使有相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，學(xué)生也只能看到外在實(shí)物，仍然不能夠“看到”具體的控制理論和方法。

MATLAB 的SIMULINK 工具箱中有很多針對電力電子技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)和交流電機(jī)的模型和函數(shù)，如SimPower-Systems 工具箱里的UniversalBridge 可以設(shè)置橋臂個(gè)數(shù)，選擇電力電子器件類型,Machine 工具箱里有各種電機(jī)模型，Measurements 工具箱里有各種測量模塊， 應(yīng)用這些模塊和函數(shù)，可以比較容易地組建矢量控制系統(tǒng)、 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)、PMSM、BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)以及若干子系統(tǒng)的模型。 通過觀察仿真曲線及數(shù)據(jù)，使學(xué)生能直觀的看到系統(tǒng)在初始給定及參數(shù)變化情況下的運(yùn)行結(jié)果，可以對不同系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，可以觀測系統(tǒng)在擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)性能等等，加深學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解。 但是在仿真教學(xué)時(shí)，若直接給出搭建好的系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，學(xué)生對仿真結(jié)果的理解還不是很透徹，調(diào)查發(fā)現(xiàn)原因是學(xué)生沒有參與建模過程，對系統(tǒng)的組成、交流調(diào)速系統(tǒng)算法還是不很理解。 這時(shí)就需要老師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，與學(xué)生一起建模，這樣學(xué)生就能很容易掌握系統(tǒng)主要構(gòu)成模塊，各個(gè)模塊的原理、實(shí)現(xiàn)方法以及控制算法。 當(dāng)然，一些簡單且容易理解的模塊可以先建立起來以節(jié)約課堂時(shí)間。 同時(shí)，為加深學(xué)生對系統(tǒng)組成、控制方法的理解，還要求學(xué)生課后自己建立MATLAB 仿真系統(tǒng)模型，哪怕是老師提供一些基本功能模塊給學(xué)生。 通過理論講解、建模分析、學(xué)生自建模仿真等環(huán)節(jié)，學(xué)生對交流調(diào)速系統(tǒng)組成、控制方法和策略理解都比較深刻，教學(xué)效果良好。

2.4 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)

對于交流調(diào)速系統(tǒng)這門專業(yè)課來說，實(shí)踐環(huán)節(jié)是非常重要的。 對此我們從以下幾個(gè)方面來強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

1）查閱專業(yè)文獻(xiàn)，了解交流調(diào)速技術(shù)最新發(fā)展、最新控制方法和策略、最新成果及應(yīng)用領(lǐng)域等。 該環(huán)節(jié)要求學(xué)生對所查閱的資料進(jìn)行講解、總結(jié)，發(fā)表自己的理解和認(rèn)識(shí)，可以提高學(xué)生查閱專業(yè)文獻(xiàn)資料的能力，并激發(fā)學(xué)生探索專業(yè)知識(shí)的途徑和興趣。

2）在實(shí)踐教學(xué)中，我們開設(shè)了課外仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況，選擇一個(gè)或多個(gè)交流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)給定性能指標(biāo)要求完成MATLAB 建模仿真，觀察系統(tǒng)輸出，并與理論波形進(jìn)行對比分析，加深對理論知識(shí)的理解。

3）實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 我校實(shí)驗(yàn)室擁有20 套浙江天煌公司電機(jī)與拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置， 可以完成異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、串級調(diào)速系統(tǒng)、矢量控制系統(tǒng)、DTC 控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)。

3 總結(jié)

給出了“交流調(diào)速系統(tǒng)”課程學(xué)時(shí)安排，并在此基礎(chǔ)上討論了課程的一些教學(xué)方法， 激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣, 結(jié)合MATLAB 仿真工具， 取得了較好的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，通過強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)， 使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，加深理論知識(shí)的理解，動(dòng)手能力得到加強(qiáng)和提高。

［1］ 周亞麗.“交流調(diào)速系統(tǒng)” 課程教學(xué)的幾點(diǎn)探討[J]. 科技信息，2007,13:274-275.

［2］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003,3.

［3］于丹.“ 交流調(diào)速” 環(huán)節(jié)教學(xué)構(gòu)架的探討[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,18（2）:19-21

［4］陳榮.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在“交流調(diào)速系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2004,26（6）:113-115.