“交流调速系统”课程教学方法探讨

刘保连

（淮阴工学院电子与电气工程学院 江苏 淮安 223003）

0 引言

随着电力电子技术、微控制技术及控制理论等相关理论与技术的发展， 近年来交流电机调速技术取得了快速进步。尤其是随着矢量控制技术、直接转矩控制技术以及同步电机自控变频调速等高性能调速方法的应用，交流电机获得了同直流电机一样的调速性能，加上交流电机结构简单、适应能力强、价格低廉等优点，交流调速系统获得了广泛的应用和发展[1-2]。

交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学、 自动控制理论等多种学科的有机结合和交叉应用，课程理论性强、难度大，本科生不容易理解。 因此，如何帮助学生理解与掌握课程中交流调速技术的基本原理、和基本分析方法；如何提高学生学习兴趣、提高对理论知识的理解能力，保证教学效果，成为交流调速系统课程建设的核心问题。

1 课程学时分配

我校交流调速系统课程总共48 学时， 其中理论教学40学时，实验教学8 学时。 绪论部分安排2 学时，主要讲解交流调速系统发展现状、发展趋势、组成及分类等内容。 异步电机调压调速系统原理简单，容易理解，只安排2 学时。 绕线式异步电机串级调速和双馈调速安排4 学时，主要讲解双馈调速基本原理，串级调速组成，过程分析等。 静态模型异步电机变频调速系统12 学时，异步电机矢量控制系统10 学时，直接转矩控制系统6 学时，同步电机调速系统4 学时，共计40 学时。 实验基本是按照异步电机调速系统分类来安排的，有异步电机调压调速系统实验（3 学时），绕线式异步电机串级调速系统实验（3 学时），变频调速系统实验（2 学时）。

2 课程教学方法探讨

2.1 介绍应用领域，提高认识，激发学习兴趣

近年来，随着交流调速相关技术的发展，交流调速系统在生产、生活中得到广泛的应用。 我们身边无处不存在交流调速技术和系的应用，如在生活方面，变频空调、变频洗衣机、电动自行车等，在工业方面应用更为广泛，如电力机车拖动控制系统、高速电梯变频控制、数控机床变频控制、工业生产线等等。 作为电气工程及其自动化、自动化专业的本科生，为了适应经济社会发展需要，拓宽自己的专业知识面，扩展就业面，迫切需要学习交流调速技术理论与方法。

比如说学生们常用的交通工具电动自行车，就是由电力电子换相控制器及无刷直流电动机构成的，并简单说明其工作原理。这样，学生的兴趣就会广泛地被调动起来。通过介绍交流调速技术的实际应用领域与场合，学生能够感性的认识到交流调速技术的应用现状以及重要性，知道设置该门课程的目的和意义，便于学生理解课程在专业课程体系中的位置和重要性，建立学生学习的目的性和兴趣。

2.2 初步建立调速系统概念

在教授交流调速系统具体控制技术前，应当给学生介绍交流调速系统的组成，建立系统的概念。 上课时，先给出现代交流调速系统组成示意图，如图1 所示[2]，最好用板书。

图1 现代交流调速系统组成示意图

对照图1，给学生讲解交流调速系统组成，学生的认识和理解更为直观清晰。 交流调速系统主要由控制器、功率变换器、交流电机、反馈检测、辅助电源等五个重要部分组成。 每个组成部分都与一些先修课程相关联。 被控对象交流电机，其基本原理、机械特性、基本调速方法等在先修的电机与拖动课程中进行了学习，辅助电源与功率变换器相关的理论技术知识在电力电子技术课程中进行了学习，反馈检测模块与先修的模拟电子技术、数字电子技术、自动检测技术等课程有关，控制器模块是以自动控制理论、计算机控制技术及交流调速技术为基础实现的。 经过这样的讲解，学生会非常容易理解交流调速系统课程在课程体系中的位置， 课程的组成、课程的学习内容等，从而初步建立起系统的概念，为后续学习建立一个较好的认识基础。

2.3 应用MATLAB 辅助教学

交流调速系统是一个理论性很强的课程， 矢量控制技术、直接转矩控制技术、功率变换技术等都是比较难理解消化吸收的。 而课堂教学中没有很好的实际系统展示给学生看，以方便学生对相关知识的理解。 即使有相关实验模型，学生也只能看到外在实物，仍然不能够“看到”具体的控制理论和方法。

MATLAB 的SIMULINK 工具箱中有很多针对电力电子技术、电机控制技术和交流电机的模型和函数，如SimPower-Systems 工具箱里的UniversalBridge 可以设置桥臂个数，选择电力电子器件类型,Machine 工具箱里有各种电机模型，Measurements 工具箱里有各种测量模块， 应用这些模块和函数，可以比较容易地组建矢量控制系统、 直接转矩控制系统、PMSM、BLDC 电机控制系统以及若干子系统的模型。 通过观察仿真曲线及数据，使学生能直观的看到系统在初始给定及参数变化情况下的运行结果，可以对不同系统的性能指标进行比较，可以观测系统在扰动情况下的动态性能等等，加深学生对所学理论知识的理解。 但是在仿真教学时，若直接给出搭建好的系统并进行仿真，学生对仿真结果的理解还不是很透彻，调查发现原因是学生没有参与建模过程，对系统的组成、交流调速系统算法还是不很理解。 这时就需要老师给予适当的引导，与学生一起建模，这样学生就能很容易掌握系统主要构成模块，各个模块的原理、实现方法以及控制算法。 当然，一些简单且容易理解的模块可以先建立起来以节约课堂时间。 同时，为加深学生对系统组成、控制方法的理解，还要求学生课后自己建立MATLAB 仿真系统模型，哪怕是老师提供一些基本功能模块给学生。 通过理论讲解、建模分析、学生自建模仿真等环节，学生对交流调速系统组成、控制方法和策略理解都比较深刻，教学效果良好。

2.4 加强实验实践教学

对于交流调速系统这门专业课来说，实践环节是非常重要的。 对此我们从以下几个方面来强化学生的实践动手能力。

1）查阅专业文献，了解交流调速技术最新发展、最新控制方法和策略、最新成果及应用领域等。 该环节要求学生对所查阅的资料进行讲解、总结，发表自己的理解和认识，可以提高学生查阅专业文献资料的能力，并激发学生探索专业知识的途径和兴趣。

2）在实践教学中，我们开设了课外仿真实验环节，学生根据自己学习情况，选择一个或多个交流调速系统根据给定性能指标要求完成MATLAB 建模仿真，观察系统输出，并与理论波形进行对比分析，加深对理论知识的理解。

3）实验室实验教学。 我校实验室拥有20 套浙江天煌公司电机与拖动实验装置， 可以完成异步电机调压调速系统、串级调速系统、矢量控制系统、DTC 控制系统等实验。

3 总结

给出了“交流调速系统”课程学时安排，并在此基础上讨论了课程的一些教学方法， 激发了学生学习课程的兴趣, 结合MATLAB 仿真工具， 取得了较好的教学质量和教学效果，通过强化实践环节， 使学生能够将理论知识和实践相结合，加深理论知识的理解，动手能力得到加强和提高。

［1］ 周亚丽.“交流调速系统” 课程教学的几点探讨[J]. 科技信息，2007,13:274-275.

［2］李华德.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003,3.

［3］于丹.“ 交流调速” 环节教学构架的探讨[J].成都航空职业技术学院学报,2002,18（2）:19-21

［4］陈荣.计算机仿真技术在“交流调速系统”教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,26（6）:113-115.