包廣清，吳延明，楊新華

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

“運(yùn)動(dòng)控制課程群”是本科電氣自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的課程體系中內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)且獨(dú)立完成電力傳動(dòng)功能的課程集群，由“電機(jī)與拖動(dòng)”、“電力電子技術(shù)”、“電氣控制”以及“交直流調(diào)速系統(tǒng)”等核心課程組成。運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制課程群各專業(yè)基礎(chǔ)理論、解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際工程問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的理論授課和實(shí)踐模式不能較好地解決因課程概念公式繁多、理論抽象、信息量大以及綜合性強(qiáng)等因素帶來(lái)的學(xué)習(xí)困難，尤其是造成了綜合訓(xùn)練教學(xué)理論化甚至形式化的尷尬局面。

近年來(lái)，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練教學(xué)改革問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大專院校進(jìn)行了廣泛探討，提出了特色鮮明且卓有成效的改革方案［1－3］，并充分利用仿真軟件，在理論分析之后對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，使學(xué)生直觀地看到系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容的理解度和認(rèn)知度［4－6］，另外，以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的項(xiàng)目教學(xué)法也引起廣泛關(guān)注［7］，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行自主探索和互動(dòng)協(xié)作的學(xué)習(xí)狀態(tài)。本文提出面向工程實(shí)踐的運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練方法，并以學(xué)院教師所承擔(dān)科研項(xiàng)目相關(guān)的風(fēng)電動(dòng)模（風(fēng)力發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬）平臺(tái)建設(shè)為典型案例，對(duì)項(xiàng)目各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、教學(xué)組織實(shí)施以及學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)估等內(nèi)容進(jìn)行全面介紹。

1 訓(xùn)練內(nèi)容規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練的目的是使艱澀難懂的理論知識(shí)直觀化并具可操作性，需要圍繞知行合一的理念來(lái)重構(gòu)訓(xùn)練的各個(gè)環(huán)節(jié)。首先，在時(shí)間安排上，可以采取集中或分散2種方式進(jìn)行，即直接在本科三年級(jí)第2學(xué)期運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程結(jié)束之后的2～3周時(shí)間內(nèi)集中完成，或者在不影響常規(guī)課堂教學(xué)的前提下，在本科四年級(jí)第1學(xué)期的10周時(shí)間內(nèi)，主要利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室在課余時(shí)間分散進(jìn)行，目前國(guó)外大學(xué)多采用此方式。其次，在科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上凝練綜合訓(xùn)練內(nèi)容。

近年來(lái)，可再生能源發(fā)電技術(shù)研究引起了廣泛關(guān)注，根據(jù)承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目以及甘肅省電力科學(xué)研究院等項(xiàng)目的相關(guān)科研工作積累，并結(jié)合電氣自動(dòng)化專業(yè)本科生培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電動(dòng)模系統(tǒng)綜合訓(xùn)練任務(wù)，如表1所示。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬并實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、隔離變壓器、拖動(dòng)變頻器、直驅(qū)變流器、永磁同步發(fā)電機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)電氣開(kāi)關(guān)等組成。訓(xùn)練主要包括理論分析、設(shè)計(jì)調(diào)試和運(yùn)行測(cè)試3部分內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)包括控制系統(tǒng)、功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)以及負(fù)載機(jī)械等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與搭建，具體包括功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與模塊選擇，電流、電壓與速度等信號(hào)檢測(cè)，觸發(fā)電路和輔助工作電源設(shè)計(jì)，電機(jī)專用微控制器、嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)以及相關(guān)軟件編程學(xué)習(xí)等，幾乎涵蓋了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程群的所有教學(xué)內(nèi)容，表1給出了具體的任務(wù)分配表。整個(gè)風(fēng)電機(jī)組模擬系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)，即發(fā)電機(jī)變流器系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)。考慮到綜合訓(xùn)練課程的時(shí)間和班級(jí)人數(shù)限制，將監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為備選內(nèi)容，表1沒(méi)有明確說(shuō)明其功能要求，由學(xué)有余力的學(xué)生自主設(shè)定并完成。另外在分配過(guò)程中，突出個(gè)性化整合模式［8］，即學(xué)生可根據(jù)自身的興趣、特長(zhǎng)和未來(lái)發(fā)展方向選擇相關(guān)子系統(tǒng)，這樣更能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

表1 綜合訓(xùn)練任務(wù)分配

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

由圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知，該綜合訓(xùn)練系統(tǒng)主要體現(xiàn)電氣自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的“四結(jié)合”，即電力與電子線路結(jié)合、模擬與數(shù)字控制結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制課程群核心內(nèi)容的銜接與整合。

圖1 直驅(qū)式風(fēng)電動(dòng)模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2是直驅(qū)式風(fēng)電動(dòng)模系統(tǒng)電氣原理圖，通過(guò)主控系統(tǒng)給定變頻器轉(zhuǎn)速，變頻器控制拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)。直驅(qū)機(jī)組變流器由機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器2部分構(gòu)成，機(jī)側(cè)變流器連接發(fā)電機(jī)定子，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)，通過(guò)全功率逆變器向電網(wǎng)送電。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生幅值、頻率均不恒定的交流電，通過(guò)機(jī)側(cè)變流器整流為直流電，經(jīng)直流支撐電容穩(wěn)壓后輸送至網(wǎng)側(cè)變流器，控制系統(tǒng)通過(guò)PWM控制技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和幅值穩(wěn)定的交流電饋入電網(wǎng)［9－10］。主控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)以及按照給定的風(fēng)速曲線控制系統(tǒng)運(yùn)行，通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。系統(tǒng)控制的運(yùn)行模式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種模式，PLC模塊通過(guò)RS485與拖動(dòng)變頻器通信，并通過(guò)RS232與變流器和裝有監(jiān)控軟件的PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。

圖2 直驅(qū)式風(fēng)電動(dòng)模系統(tǒng)電氣原理圖

2.2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)額定容量10kVA，電網(wǎng)頻率允許變化范圍47.5～51.5Hz，電網(wǎng)電壓允許變化范圍380±5%V，電網(wǎng)電壓允許諧波畸變率＜2%，電網(wǎng)電壓允許不對(duì)稱度≤2%（負(fù)序分量對(duì)正序分量的百分比），變流器額定電流15A，最大連續(xù)操作直流電壓750V，額定連續(xù)直流電壓700V，功率模塊電壓等級(jí)1 200V，開(kāi)關(guān)頻率5 kHz，采用強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式。發(fā)電機(jī)測(cè)速采用線數(shù)為1024的增量型脈沖編碼器，雙絞屏蔽線，通過(guò)推挽式差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)碼盤(pán)信號(hào)傳輸。電機(jī)部分技術(shù)參數(shù)為：拖動(dòng)電機(jī)22kW，額定電壓380V，2對(duì)極；永磁發(fā)電機(jī)12kW，轉(zhuǎn)速范圍：0～200r／min，環(huán)境空氣溫度－5～＋40℃，絕緣等級(jí)F級(jí)，強(qiáng)制風(fēng)冷，連續(xù)工作制；齒輪箱變比為8.39∶1。

圖3是樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖，監(jiān)控系統(tǒng)基于Windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、有功功率、無(wú)功功率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流以及發(fā)電機(jī)定子的電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控。

3 運(yùn)行與測(cè)試

圖3 樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試系統(tǒng)在啟動(dòng)、停機(jī)、加載、減載及額定運(yùn)行條件下的關(guān)鍵參數(shù)波形及系統(tǒng)運(yùn)行性能，測(cè)試儀器主要有：泰克DPO3014示波器、FLUKE i200s電流鉗、泰克P5200差分探頭、FLUKE218c萬(wàn)用表、CA8335電能質(zhì)量分析儀等。圖4是啟動(dòng)過(guò)程中網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形、發(fā)電機(jī)定子電流波形。直流母線電壓波形采用預(yù)充電控制，避免了因電壓變化造成的功率元件損壞。圖5是系統(tǒng)額定運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓、電流和定子電流，具有較好的正弦度，與仿真結(jié)果吻合。在圖5的基礎(chǔ)上圖6中給出定子電壓波形，能夠看出功率元件的調(diào)制作用，同時(shí)定子電壓與電流相位一致。通過(guò)電能質(zhì)量分析儀對(duì)系統(tǒng)饋入電網(wǎng)的能量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示變流器網(wǎng)側(cè)電流THD＝2.8%＜5%，功率因數(shù)0.98，完全符合風(fēng)電入網(wǎng)要求，說(shuō)明該模擬系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換功能。

圖4 系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形

圖5 電網(wǎng)側(cè)額定運(yùn)行波形

圖6 發(fā)電機(jī)側(cè)額定運(yùn)行波形

由于傳統(tǒng)教學(xué)的課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，且以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生通常很少有機(jī)會(huì)能夠系統(tǒng)、完整地參與綜合性工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與測(cè)試［11］，因此，本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與有關(guān)職業(yè)資格考試或未來(lái)職業(yè)崗位的有機(jī)銜接。

4 學(xué)習(xí)評(píng)估

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練是電氣自動(dòng)化專業(yè)的核心課程之一，主要涵蓋了電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和軟件工程等學(xué)科知識(shí)，是一門(mén)將基礎(chǔ)理論與專業(yè)軟件應(yīng)用于工程實(shí)踐的典型課程，既有完整的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性［12－13］。

通過(guò)對(duì)我校2010級(jí)電氣專業(yè)三年級(jí)本科生采取分散式教學(xué)實(shí)踐，在學(xué)期末進(jìn)行綜合訓(xùn)練教學(xué)評(píng)估。主要從知識(shí)銜接、綜合創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及職業(yè)技能提升等幾方面，對(duì)一個(gè)自然班共計(jì)30位學(xué)生展開(kāi)問(wèn)卷調(diào)查。在表2評(píng)估結(jié)果中，評(píng)估等級(jí)采用五級(jí)分制，5分表示完全贊同，0分表示堅(jiān)決反對(duì)。從表2看出，以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建、綜合創(chuàng)新、仿真分析、運(yùn)行與測(cè)試、成果總結(jié)與提升等幾方面，能夠較好激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，對(duì)低年級(jí)學(xué)生也提出了更高要求，只有在前期課程學(xué)習(xí)中打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，才能在綜合訓(xùn)練中取得預(yù)期效果。

表2 學(xué)生對(duì)綜合訓(xùn)練學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)調(diào)查

在風(fēng)電機(jī)組動(dòng)模系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)模擬與發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其所依托的理論和技術(shù)基礎(chǔ)并不限于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，而是形成了機(jī)械、電子、材料等多學(xué)科滲透、交叉甚至融合的現(xiàn)象，通過(guò)本系統(tǒng)綜合訓(xùn)練，在拓寬專業(yè)知識(shí)面的同時(shí)，有助于提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)適應(yīng)能力。同時(shí)，把科研成果融入訓(xùn)練過(guò)程，推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)向高、深層次發(fā)展也是大學(xué)本科教學(xué)發(fā)展的必由之路。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)際風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)甘肅酒泉風(fēng)電基地正在向千萬(wàn)千瓦級(jí)邁進(jìn)。通過(guò)基于風(fēng)電動(dòng)模系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練過(guò)程，有助于學(xué)生深入理解風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，也為今后更好地利用地區(qū)風(fēng)能資源、推進(jìn)風(fēng)電技術(shù)攻關(guān)以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)人才培養(yǎng)等奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等多個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要支柱之一。如何合理、有效、經(jīng)濟(jì)地利用電能，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，將對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)繼承和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出更高要求。

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）

［1］Mohan N ，Schott O A.Teaching of first course on power electronics：A building block approach［C］／／IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.2001：854－855.

［2］Mohan N.Restructuring of first courses in power electronics and electric drives that integrates digital control［J］.IEEE Trans Power Electron，2003，18（1）：429－437.

［3］Keyhani A.An integrated virtual learning system for the development of motor drive systems［J］.IEEE Trans Power Syst，2002，17（1）：1－6.

［4］Ertugrul，Nesimi.LabVIEW for Electric Circuits，Machines，Drives and Laboratories［M］.Prentice Hall，2002.

［5］史成城，謝麗蓉，張丹.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（1）：119－121.

［6］劉繼光，張健.運(yùn)動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)新模式仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（3）：283－386.

［7］Ravitz J，Mergendoller J.Online professional development for project based learning：Pathways to systematic improvement［C］／／Association for Educational Communications and Technology Annual Meeting.Chicago：2004.

［8］韓谷靜，吳雨川，秦亮，等.“電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)模式研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（4）：125－127.

［9］包廣清，王興貴.電網(wǎng)短路狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器的諧振控制［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（1）：128－132.

［10］Carrasco J M，F(xiàn)ranquelo L G，Bialasiewicz J T，et al.Power－electronic systems for the grid integration of renewable energy sources：a survey［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）：1002－1016.

［11］鮑建宇，劉毅華，崔家林.運(yùn)動(dòng)控制課程群的實(shí)踐教學(xué)改革研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，24（1）：113－115.

［12］楊達(dá)亮，盧子廣，杭乃善，等.電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（8）：171－174.

［13］Guruswamy G，Putanna T.Praveen Vijayraghavan Ranganathan V T.DSP based motor controller trainer kit［J］.Proc Power Electronics Drive System Conf，2003（2）：1046－1049.