變頻技術(shù)與應(yīng)用綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

吳佳楠 劉金華 周文輝 王 凡 余 翼

電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東中山 528402

變頻技術(shù)與應(yīng)用是本院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，該技術(shù)可將交流電直接轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電，也可將交流電經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟姾笤倌孀優(yōu)椴煌l率的交流電，即交-交變頻和交-直-交變頻的原理。近年來，變頻器的使用十分廣泛，無論是大型工業(yè)設(shè)備還是小型家電都會(huì)應(yīng)用到變頻器，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制離不開變頻器，所以這門課與工程實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系十分緊密，有較強(qiáng)的實(shí)踐性。

這門課相對(duì)其他課程內(nèi)容較多，涉及面較廣，但難度較低，且實(shí)際應(yīng)用中不斷有新控制對(duì)象增加。目前本院校沒有專門針對(duì)此課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，有幾臺(tái)新購入用于綜合創(chuàng)新實(shí)踐的設(shè)備用到了變頻器，結(jié)合以上特點(diǎn)，筆者認(rèn)為有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段以及考核方式等方面進(jìn)行改革，以培養(yǎng)學(xué)生切實(shí)的動(dòng)手能力，使其跟上變頻技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展[1]，能夠?qū)W以致用，畢業(yè)后更快地投入工作中。

1　教學(xué)改革的內(nèi)容

1.1　保留必要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)變頻技術(shù)原理的理解，應(yīng)先驗(yàn)證交-直-交變頻原理，主要包括整流電路、中間電路和逆變電路3個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在電力電子實(shí)驗(yàn)柜上搭建整個(gè)變頻系統(tǒng)難度較大，難以完成實(shí)驗(yàn)。主要原因是學(xué)生接線錯(cuò)誤率較高，時(shí)間較長課上的時(shí)間不足，而且試驗(yàn)裝置經(jīng)過多年使用，器件老化，存在故障率高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間誤差大的問題，所以采用某公司生產(chǎn)的DSP控制變頻調(diào)速組件觀察相應(yīng)波形，并配合Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更佳，這能夠使學(xué)生更直觀、快速的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.2　開展綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

變頻技術(shù)與應(yīng)用是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)際應(yīng)用中與PLC、觸摸屏等配合使用。為使學(xué)生了解完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將變頻器的應(yīng)用分為4個(gè)層次。

第一個(gè)層次：參觀學(xué)?，F(xiàn)有的4套實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。這4套系統(tǒng)都用到了變頻器、PLC和觸摸屏，分別為六層電梯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、自動(dòng)倉儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。六層電梯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用三菱D720(0.4 KW/單相)型變頻器控制交流曳引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置。該裝置對(duì)電機(jī)具有加減速控制、正反轉(zhuǎn)控制、點(diǎn)動(dòng)控制及根據(jù)模擬輸入控制等多種功能。電梯的啟動(dòng)、加速和滿速運(yùn)行由PLC、變頻器共同控制。首先PLC根據(jù)指令信號(hào)確定上升或下降指令，然后將上升或下降及速度控制指令傳遞給變頻器相應(yīng)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)及預(yù)置速度。

過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一套水位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。系統(tǒng)的被控對(duì)象包括上水箱、下水箱、復(fù)合加熱水箱以及管道。調(diào)節(jié)器主要有模擬調(diào)節(jié)器(含比例P調(diào)節(jié)、比例積分PI調(diào)節(jié)、比例微分PD調(diào)節(jié)、比例積分微分PID調(diào)節(jié))、位式調(diào)節(jié)器、智能儀表調(diào)節(jié)器、PLC控制器、單片機(jī)控制、計(jì)算機(jī)控制等。執(zhí)行器模塊主要有固態(tài)繼電器、磁力驅(qū)動(dòng)泵、電加熱絲。變送器模塊主要有流量變送器(FT)、液位變送器(LT1，LT2)、溫度變送器(TT)、壓力變送器(PT)等。變送器的零位、增益可調(diào)，并均以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)DC0-5V輸出。另外，根據(jù)用戶需要，配置微機(jī)通訊接口單元(RS232)，以滿足計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)的需要。兩路供水系統(tǒng)都可以供水給每個(gè)對(duì)象，包括上水箱、下水箱、復(fù)合加熱水箱。兩套動(dòng)力系統(tǒng)都采用了交流變頻調(diào)速，分別驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)帶動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵打水，每條支路都有相應(yīng)的閥控制其進(jìn)水量。

圖1　系統(tǒng)流程圖

教師講解實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作原理與操作過程，學(xué)生從中了解變頻器的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)解決工業(yè)控制、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具體問題的初步能力，熟悉工業(yè)控制應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、研制的過程，傳感器技術(shù)的使用、各種執(zhí)行器的使用、電動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的使用方法、工作內(nèi)容、工作步驟，學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力。

第二個(gè)層次：熟悉變頻器的基本功能，了解變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部端子結(jié)構(gòu)，了解變頻器最基本的接線方法，學(xué)會(huì)變頻器的基本操作方法。教師給出操作步驟，學(xué)生按照步驟操作，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握變頻器的基本操作。

第三個(gè)層次：變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在掌握變頻器基本功能的基礎(chǔ)上，教師給出設(shè)計(jì)要求，要求學(xué)生用觸摸屏、PLC、變頻器和電動(dòng)機(jī)自行設(shè)計(jì)出變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)深刻理解變頻器的多段速度控制功能，控制正反轉(zhuǎn)功能，點(diǎn)動(dòng)功能等，熟悉PLC及變頻器之間的接線、調(diào)試、操作，熟悉觸摸屏、PLC及變頻器的使用方法及綜合運(yùn)用。

第四個(gè)層次：參加學(xué)科競(jìng)賽。組織有能力的學(xué)生參加“三菱電機(jī)杯”學(xué)生競(jìng)賽。

2　具體的實(shí)施方案與方法

本實(shí)驗(yàn)共計(jì)16個(gè)學(xué)時(shí)，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)4個(gè)學(xué)時(shí)，綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)12個(gè)學(xué)時(shí)。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一為SPWM調(diào)制方式下V/F曲線測(cè)定，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诹私庹也}寬調(diào)制方式下頻率與輸出電壓的關(guān)系，掌握低頻補(bǔ)償?shù)脑?。?shí)驗(yàn)要求記錄1 Hz～60 Hz范圍內(nèi)頻率每增加5 Hz，給定頻率與輸出電壓的值；用描點(diǎn)法根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，繪制出V/f曲線；分析從1 Hz～50 Hz范圍內(nèi)給定頻率與輸出電壓的關(guān)系；分析從50 Hz～60 Hz范圍內(nèi)給定頻率與輸出電壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二為正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谡莆照也}寬調(diào)制變頻調(diào)速的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，了解正弦波脈寬調(diào)制的載波、參考波、調(diào)制波以及線電壓波形的特點(diǎn)。要求在坐標(biāo)紙上畫出與SPWM調(diào)制有關(guān)信號(hào)波形(調(diào)制信號(hào)、載波、三相調(diào)制波)，簡(jiǎn)述SPWM變頻調(diào)速的基本原理。

參觀4套實(shí)訓(xùn)設(shè)備2個(gè)學(xué)時(shí)，熟悉變頻器的基本功能2個(gè)學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)8個(gè)學(xué)時(shí)。

學(xué)生根據(jù)教師提出的要求自行設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)需要的時(shí)間較長，所以4個(gè)學(xué)時(shí)一次實(shí)驗(yàn)，這部分共做兩次實(shí)驗(yàn)，分別為基于PLC三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基于PLC、觸摸屏及變頻器的綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；赑LC三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)6速運(yùn)行，每隔15 s自動(dòng)進(jìn)行速度切換；基于PLC、觸摸屏及變頻器的綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求能在觸摸屏上切換電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、能在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的5速的切換和觸摸屏控制界面。每位學(xué)生交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中給出接線圖、I/O配置表和梯形圖。

3　結(jié)語

本教學(xué)改革以2012，2013，2014級(jí)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)生作為改革對(duì)象，通過運(yùn)用保留必要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開展綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的改革方法，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程的興趣，使得學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握也更扎實(shí)了。改革成果主要表現(xiàn)在學(xué)科競(jìng)賽上，2015年“三菱電機(jī)杯”兩個(gè)參賽隊(duì)伍分別獲得一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)，2016年獲得三等獎(jiǎng)，爭(zhēng)取2017年再創(chuàng)佳績。

[1]歐陽志紅.《變頻技術(shù)》課程教學(xué)改革研究與探索[J].科技視界,2016(24):177.

[2]趙亮.高職高?！蹲冾l調(diào)速技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)改革的探索[J].電大理工,2010(5):67-69.