基于MATLAB的电力拖动基础课程实验教学实践

夏益辉，赵镜红，陈璐珈

(海军工程大学 电气工程学院，武汉 430033)

电力拖动基础是电气工程及其自动化专业重要的专业基础课，主要包括直流电力拖动系统、交流电力拖动系统以及电力拖动系统过渡过程等多方面内容，要求学生能够熟练掌握和了解电力拖动系统的起动、调速和制动等方法的理论分析、计算和控制线路设计等知识，整体内容抽象且具有较强的理论性，学生不易理解。因此，为了提高学生对电力拖动基础课程的理论分析能力，帮助学生理解和掌握课程理论知识，克服实验室硬件条件不足的问题，引入基于MATLAB的电力拖动基础课程实践教学。此外，该种形式的实践教学，要求学生课下进行自主性和探索性学习，能够进一步培养学生的科学研究能力和水平。为此，很多理论课程特别是工程学科将MATLAB引入到课程实践教学中。

文献[1]针对现代控制理论采用基于MATLAB的实验教学进行了研究，给出了现代控制系统中6个教学仿真实验的实验目的、实验原理和实验步骤，获得了较好的实验效果。文献[2]针对基于MATLAB的数字信号处理课程取样定理实验教学进行了研究，由于MATLAB具有高效的数值计算以及图形处理等功能，通过对其进行编程和仿真，取得了满意的授课效果。文献[3]针对电子类课程采用MATLAB实验教学与实践进行了研究，指出通过该仿真软件开展实验教学，能够节约教学成本，同时获得较好的实验效果。文献[4]针对MATLAB软件用于定积分实验进行了设计，有助于学生理解定积分概念和几何意义。文献[5]针对Matlab和Labview软件用于电力拖动虚实结合实验系统设计进行了探讨，该方法有助于提升学生的工程设计与开发能力。此外，文献[6-7]针对MATLAB用于其他课程进行了分析与研究，均取得了较好的实验效果。

1 制订课堂教学目标

根据电力拖动基础课程总体培养目标，并结合本次课堂实践教学任务，制订合适的课堂教学目标。合适的课堂教学目标是课堂教学的总输入，课前准备、课堂组织实施以及课堂效果评估与讲评均是围绕其开展合作的，要求任课教师必须清晰认识、了解和掌握本课程的培养目标及每个章节所需要达到的教学效果。

以“他励直流电动机调压调速”实验为实践教学设计为例，该实践教学课程要求学生能够理解和掌握他励直流电动机调压调速的理论分析、计算以及简单控制线路设计等知识点。为此，教师可以结合实际工业生产中直流电动机调压调速的实例，要求学生对其调速原理进行理论分析、仿真研究以及设计简单的控制线路。

2 制订课堂实施方案

针对“他励直流电动机调压调速”实践教学的教学目标，并根据具体的教学要求，制订合理的课堂实施方案。剖析“他励直流电动机调压调速”实践教学的教学目标：要求学生能够理解和掌握他励直流电动机调压调速的理论分析、计算以及简单的控制线路设计等知识点。为此，课堂实施可以划分为以下几方面。

第一，理论分析。理论分析主要利用直流电动机的机械特性方程分析电动机调速时电气参数的变化。例如，当电动机负载为恒转矩且进行降速调速时，根据直流电力拖动系统稳定运行的条件可知，此时最简单的处理方式是新的机械特性曲线与负载转矩曲线在新的速度稳定点有交点，如图1所示。而改变直流电动机机械特性曲线的方式有电枢回路串联电阻、降低电枢供电电压以及改变磁通，根据直流电动机实际运行工况和应用对象，选择一种合适的直流电动机降速调速方式。

图1 定子回路串联电阻调速方法Fig.1 Stator loop series resistance speedregulation method

第二，理论计算。在确定调速方式后，以降压调速为例，根据电压平衡方程和机械运行方程以及转矩表达式，可以计算出稳定后直流电动机的供电电压以及电枢电流。直流电动机转矩表达式和电压平衡方程分别如式(1)～式(3)所示。

Te=CTΦmIa

(1)

(2)

U1=Ea+RaIa

(3)

其中，CT、Φm、TL、J、Ω、Ra、Ia、Ea和U1分别为电动机电磁转矩常数、励磁磁通、负载转矩、机械惯性、旋转角速度、电枢回路等效内阻、电枢电流、感应电动势以及供电电压。由式(1)～式(3)，可以计算出直流电动机的供电电压以及电枢电流。

直流电力拖动系统过渡过程存在3种惯性：热惯性、机械惯性和电磁惯性。相比于机械惯性，电磁惯性时间常数非常短，而热惯性时间常数又很长，在分析直流电力拖动系统过渡过程时通常忽略电磁惯性和热惯性，为此，直流电力拖动系统转速nx变化过程可用式(4)表示。

(4)

其中，n1、n2和Tm分别为电动机初始转速、稳定转速、时间常数。

第三，控制线路设计。目前，对直流电动机进行调压调速已经广泛采用基于电力电子器件的Buck或Boost等DC/DC变换装置，结合前期学生已经学习过的电力电子技术课程，并假定输入电压为额定电压，学生很容易设计出基于Buck电路的直流电动机调压电路，如图2所示。针对此图开展直流电动机开环控制和闭环控制研究，获得系统控制框图以及闭环控制参数设计方法，为后续仿真研究提供理论支撑。

图2 基于Buck电路的直流电动机调压调速Fig.2 Direct-current motor variable voltage control based on Buck circuit

3 仿真研究与分析

根据所设计的直流电动机调压控制线路，利用MATLAB软件搭建仿真模型，如图3所示。要求学生进行仿真模型搭建时，重点围绕功率器件的导通和关断时间进行分析，探讨其与转速以及直流电动机供电电压之间的关系。

针对仿真结果，要求学生能够对仿真结果特别是过渡过程以及稳态时电动机的转速和电枢电流以及电磁转矩是如何变化的，其相互间的关系又是怎样的等问题进行探讨。提醒学生与先前理论分析和理论计算结果进行对比分析，可以适当提问：如果过渡过程分析时忽略了电枢电流的缓慢变化，其对理论分析结果的正确性有没有影响？启发学生进行深入研究和分析，有助于其更好地学习和掌握直流电力拖动系统的基本理论和方法。

图3 直流电动机调压调速仿真模型Fig.3 Simulation model of voltage regulation and speed regulation of DC motor

4 结语

从三个方面针对基于MATLAB的电力拖动基础课程实验教学实践进行了探讨和研究：首先，制订合适的课堂目标；其次，制订详细的课堂实施方案，重点培养学生独立思考和解决问题的能力，激发学生的求知和探索欲望，进而提高学生的学习动力；最后，开展仿真研究与实验验证，注意教师的引导作用，培养学生分析问题和沟通表达等综合素质与能力。