“现代交流调速”课程教学改革与实践

姜艳秋 祁红岩 闫大新 郭静华

摘要：文章首先叙述了为什么要对“现代交流调速”课程进行教学改革，教学改革为什么要引入MATLAB/SIMULINK仿真技术，结合“现代交流调速”课程中实际的调速方法引入了MATLAB/SIMULINK仿真技术，并应用该技术建立了仿真模型，得到了仿真结果，使抽象的知识点更加形象和具体，解决了以往“现代交流调速”课程讲授中大部分学生学习积极性不高的难题，达到了预期的教学效果。

关键词：MATLAB/SIMULINK；现代交流调速；课堂教学；教学效果；学习积极性

一、引言

“现代交流调速”课程是自动化专业和电气工程及其自动化专业的重要专业课程之一，是必修课程，在课程体系中起着承前启后的作用。在学习本门课程之前已学习并掌握了电路、电子技术、电机学、自动控制原理、电力电子技术、直流调速等课程的主要内容，从这一点就可看出“现代交流调速”课程的系统性和综合性很强。通过多年来讲授“现代交流调速”课程，可知该课程涉及知识面广、知识点抽象，所以，以往学生上该课程时，经常是如云山雾罩，知识点掌握不透彻、系统性不好、积极性不高。 为了解决这一问题，对“现代交流调速”课程进行教学改革迫在眉睫。以往“现代交流调速”课程教学改革，大都采用考勤和课堂上提问的方法来提高学生的学习兴趣，但并没有从主观上调动学生的积极性，效果不好。所以，提出把MATLAB/SIMULINK仿真技术应用到“现代交流调速”课程教学中。

二、MATLAB/SIMULINK应用实例

以恒U/f控制的异步电动机变频调速系统为例，详细叙述MATLAB/SIMULINK在现代交流调速课程中的应用。恒U/f控制的异步电动机变频调速系统仿真模型主要由GI（给定积分器）、V-F模块、SPWM和驱动模块、电压源型逆变器构成。GI模块用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软启动控制的作用；V-F模块根据频率确定相应的电压以保持压频比不变，由于电动机端电压不能高于额定值，所以当频率大于额定频率时，应保持电机端电压、额定电压不变，在低频时为了补偿定子电阻的压降，需要适当提高频率为0时的电压值；SPWM和驱动模块根据给定频率和电压的要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器和异步电动机；电压源型逆变器是三相桥式结构，由IGBT构成，主要实现直流到交流的变换。若这些模块我们能自己搭建出来，并且能随意的修改参数后得到相应的结果，那抽象的问题就形象化了。

三、实例模型单元

GI模块结构如图1所示，它是一个带反馈的积分器，设定放大器放大倍数可以调节输出频率信号的上升速度。在这个环节可以现场演示参数改变后和改变前输出结果的不同。

式中，UN为电机额定电压，UO为起动时补偿定子电阻压降的电压，fN为电机额定频率。模型中放大模块Gain2调制Fcn1模块的输出信号幅值，并经过Saturation模块限幅以保证V-F模块输出不大于1。这个时候完全可以借助这个小模型，使学生更清晰地理解并掌握恒压频比控制变频调速系统中函数发生器的作用。

V-F模块的输出电压、GI模块的输出频率和时间三个变量经Mux汇总为一维向量，输入三个函数模块产生三相调制信号ua、ub、uc，再经Mux1输入PWM Generator模块产生电压源型逆变器的控制脉冲。函数模块ua、ub、uc的表达式为：

这个环节在讲授时，可以先给学生提出问题，从理论上分析V-F模块的输出电压、GI模块的输出频率对控制脉冲的产生有何影响，然后让同学回答，最后通过模型的参数改变、看仿真结果得到答案，从而使学生更进一步地知道理论和实践结合的重要性。

四、实例系统仿真

在给定频率为50Hz，起动时间为6s，4s时加载的情况下，系统仿真结果如图3所示。看到了仿真结果，学生会眼前一亮，这时可详细地分析结果中的重要知识点，然后改变参数，看不同效果。

五、应用实例教学效果分析

通过以上环节对系统模型的建立和仿真，可使学生：（1）更透彻地掌握基本概念。例如恒U/f控制的具体含义。（2）更清晰地理解系统的构成及各部分的作用。例如GI模块的作用。（3）更确切地知道系统各个部分是如何实现的。例如V-F模块是由生成电压的函数、运放和限幅环节构成的。（4）更明了地知道系统运行结果是怎样的。例如图3，系统空载启动时，转速由0开始慢慢加速，然后稍有超调，3s左右系统稳定在1500转/分，4s加载后转速稍有降落，之后稳定运行。（5）更方便地知道系统各个参数的变换对系统运行的影响。可修改各部分的参数，然后让学生观察仿真结果波形。

六、结论

在MATLAB/SIMULINK环境下对交流调速系统进行建模仿真，使系统形象化，有助提高学生独立分析问题、解决问题的能力，同时还可把仿真部分作为期末成绩考核中的一部分，这样更能提高学生的积极性和能动性，经实践教学，效果良好。提出的教学改革方法同时可为自动化、电气类专业的专业课程提供重要参考。

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