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

王環(huán) 葉愛芬 吳烈

摘要：智能低壓電器實驗課程的教學(xué)改革對促進電氣專業(yè)建設(shè)發(fā)展、提升高校服務(wù)地方經(jīng)濟能力等方面都具有積極的意義。為提升實驗教學(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驗教學(xué)中，并對智能低壓電器實驗課程內(nèi)容進行優(yōu)化調(diào)整。文章最后詳細(xì)闡明了如何將MATLAB軟件應(yīng)用到電機控制實驗中。實踐教學(xué)證明，將虛擬仿真技術(shù)引入到智能低壓電器實驗教學(xué)中，不但可以解決實驗室場地和硬件條件上的限制，還能提升實驗設(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);實驗教學(xué);MATLAB;電機控制

中圖分類號：V211.48文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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，將自身的專業(yè)建設(shè)發(fā)展與地方經(jīng)濟的建設(shè)發(fā)展緊密融合，實現(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)，堅持“佑啟鄉(xiāng)邦”，深入實施“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，僅在樂清就集中了3000余家中小企業(yè)和30余家大型企業(yè)集團[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薄弱環(huán)節(jié)，那就是產(chǎn)品檔次低、技術(shù)含量低等問題，產(chǎn)業(yè)升級一直難以突破困局。為此，溫州大學(xué)通過開設(shè)《智能低壓電器》課程，為低壓電器行業(yè)培養(yǎng)急需的專業(yè)技術(shù)人才，實現(xiàn)學(xué)校產(chǎn)教融合，服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。《智能低壓電器》作為一門對實操要求很高的課程，需要通過合理設(shè)置實驗課程來提升學(xué)生對低壓電器的感性認(rèn)識和應(yīng)用能力。智能低壓電器實驗課程對硬件條件要求高，實驗過程中實驗耗材消耗大，如在斷路器延時保護特性測試實驗中需要配置能產(chǎn)生高達(dá)上千安培的實驗裝置，并對斷路器進行長時間的開閉動作，極易造成斷路器的損壞。此外，智能低壓電器實驗對場地、硬件設(shè)施要求高也導(dǎo)致學(xué)生在課余時間無法進行自主實驗。隨著軟件開發(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驗教學(xué)中，可以有效解決上述問題，使得學(xué)生得到智能低壓電器開發(fā)的系統(tǒng)訓(xùn)練，為智能電壓電器實驗教學(xué)提供強有力的支撐。

2 基于虛擬仿真的智能低壓電器實驗內(nèi)容

實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置是否合理直接決定了實驗最終效果。引入虛擬仿真技術(shù)使得智能低壓電器的實驗內(nèi)容能夠擺脫硬件平臺等方面的限制。智能低壓電器實驗內(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)化后的實驗內(nèi)容如下：

1）常用低壓電器的認(rèn)識與使用：通過該實驗使學(xué)生了解常用低壓電器，包括斷路器、互感器、接觸器、繼電器、按鈕開關(guān)等;認(rèn)識各種低壓電器的標(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驗：通過該實驗使學(xué)生了解電機電路的原理和連接方法，包括電機控制電路、電機保護電路、電機正反轉(zhuǎn)控制電路等;掌握三相電機智能軟啟動器的工作原理，利用Simulink設(shè)計并優(yōu)化兩種常用電機控制方式[3]：定子電流勵磁分量和轉(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）斷路器延時保護特性的測試：通過該實驗使學(xué)生掌握斷路器的工作原理;理解延時保護特性的概念;掌握斷路器延時保護的原理和延時保護特性的測試方法;掌握使用等效法測試斷路器延時保護特性。引入機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件（ADAMS： Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）對斷路器的延時保護的機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計[4]。

4）斷路器瞬時保護特性的測試：通過該實驗使學(xué)生理解斷路器瞬時保護特性的概念;掌握斷路器瞬時保護的原理和瞬時保護特性的測試方法。利用有限元分析軟件（ANSYS）和AD-AMS對斷路器的瞬時保護的機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計[5]。

5）斷路器智能控制器的設(shè)計：該實驗是設(shè)計性、綜合性實驗，通過該實驗使學(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軟件在電機控制實驗中的應(yīng)用教學(xué)實踐

MATLAB的含義是矩陣實驗室，為Matrix Laboratory的縮寫。該軟件是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要用于智能算法開發(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)計與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、電力電子、電機控制等領(lǐng)域，大體分為MATLAB和Simulink兩部分。其中Simulink是MATLAB軟件的擴展，是用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、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的主要特點就是實時工作，即畫出系統(tǒng)圖的同時就可得到相應(yīng)的語言代碼，對系統(tǒng)的控制、信號處理和動態(tài)系統(tǒng)的算法都可以通過開發(fā)模塊圖自動實現(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)，也支持線性與非線性系統(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完全符合電機控制實驗虛擬仿真的需求。

實驗首先需要利用Simulink搭建三相交流電機控制電路。三相交流電機控制電路的核心為變頻器，其主要完成電能的兩項變換功能：一是改變對負(fù)載的供電頻率;二是改變對負(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確定。整流后的脈動直流量需要通過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的直流量變成平直的直流量，可以對直流電壓濾波，也可以對直流電流濾波，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)動電機運動，還需要通過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。為了提高電機的動態(tài)性能，三相電機控制策略采用轉(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]，其簡易控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

而后需要設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖中的控制器拓?fù)?。圖1中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AψR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ACMR為定子電流勵磁分量調(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)動態(tài)性能，三相交流電機常采用矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式，該方式是在電機矢量控制的基礎(chǔ)增加轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制來實現(xiàn)的。首先，系統(tǒng)需要采樣輸出電流后進行坐標(biāo)變換，然后再通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交變換獲得等效的直流電機模型，然后對直流電機模型中的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行控制，最后對控制器輸出量進行坐標(biāo)反變換獲得三相交流電機的控制量。磁鏈定向矢量控制可以實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動時，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進而影響電動機轉(zhuǎn)速。此時，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)子磁鏈變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達(dá)到平衡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速ω跟蹤定值ω*。此時轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動所引起的電磁轉(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，實現(xiàn)三相電機控制系統(tǒng)的最優(yōu)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的運行狀態(tài)。通過將MAT-LAB軟件引入到電機控制實驗中，在無須硬件配套的基礎(chǔ)上使學(xué)生掌握三相電機運行控制的原理和操作流程。

4 結(jié)束語

經(jīng)過一個學(xué)期的實踐教學(xué)證明，將虛擬仿真技術(shù)引入到智能低壓電器實驗教學(xué)中，不但可以解決實驗室場地和硬件條件上的限制，還能提升實驗設(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】

收稿日期：2019-09-25

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金重點項目（LZ16E050002）

作者簡介：王環(huán)（1983-），男，浙江溫州人，實驗師，博士，主要研究方向電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電;葉愛芬（1982-），女，浙江永嘉人，碩士，講師，主要研究方向為機器學(xué)習(xí)，自動控制;吳烈（1969-），男，浙江溫州人，講師，博士，主要研究方向為電氣工程。