萬 力, 榮 軍, 萬軍華, 安 琪

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在直流電動(dòng)機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

萬 力, 榮 軍, 萬軍華, 安 琪

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

在電機(jī)與拖動(dòng)課堂教學(xué)過程中, 學(xué)生普遍感覺教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜而且公式推導(dǎo)繁瑣. 針對此現(xiàn)象, 筆者將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入課堂教學(xué)中, 在常規(guī)教學(xué)之后通過仿真軟件驗(yàn)證課堂所學(xué)理論. 實(shí)踐證明, 可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣, 提高學(xué)生聽課效率.

電機(jī)與拖動(dòng); 課堂教學(xué); 直流電機(jī); 起動(dòng)電流; 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

引言

電機(jī)與拖動(dòng)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門主干專業(yè)課程, 教學(xué)內(nèi)容廣泛并且計(jì)算公式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜, 導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度比較大[1,2]. 如果教師在課堂教學(xué)中采用傳統(tǒng)授課方式, 學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳,學(xué)習(xí)積極性也不會太高. 針對這種現(xiàn)象, 筆者將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與常規(guī)教學(xué)結(jié)合起來, 在傳統(tǒng)授課之后,通過仿真技術(shù)驗(yàn)證課堂所學(xué)理論知識, 教學(xué)效果明顯優(yōu)于常規(guī)教學(xué).

1 電機(jī)與拖動(dòng)課堂教學(xué)案例

在教材《電機(jī)與拖動(dòng)》[3]第八章中指出: 直流電動(dòng)機(jī)采用直接起動(dòng)會導(dǎo)致起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大.對于這個(gè)知識點(diǎn), 傳統(tǒng)授課方式如下:

根據(jù)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢計(jì)算公式推導(dǎo)(在這里以他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例), 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓公式Ua為

直流電機(jī)在工作過程中, 電樞電壓Ua與感應(yīng)電動(dòng)勢E非常接近, 此時(shí)電樞電流Ia不大. 但當(dāng)E=0時(shí), 而電樞電阻Ra非常小, 因此Ua/Ra非常大, 此時(shí)直接起動(dòng)電流Ia甚至可以達(dá)到電樞電流額定值的10～20倍. 電樞繞組的電流過大很容易導(dǎo)致繞組燒毀, 這是絕對不允許的. 另外關(guān)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為什么也很大, 只要根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式就能知道, 其電磁轉(zhuǎn)矩T計(jì)算公式為

由式(4)可知若電樞電流Ia在剛起動(dòng)時(shí)為電流額定值的10～20倍, 則T也為額定轉(zhuǎn)矩的10～20倍. 雖然直流電機(jī)在起動(dòng)時(shí)希望起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大一些好, 可以起動(dòng)更加迅速, 從而電機(jī)擁有比較好的動(dòng)態(tài)性能, 但是過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承和它所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊, 從而導(dǎo)致電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的損壞, 因此要極力避免. 這是在教師在講直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的第一個(gè)知識點(diǎn), 需要學(xué)生弄清楚. 對于這個(gè)知識點(diǎn)學(xué)生一般能學(xué)懂, 沒什么困難. 教師接著就要介紹直流電機(jī)的第二個(gè)知識點(diǎn)即直流電機(jī)的機(jī)械特性. 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢E的計(jì)算公式為

在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中, 當(dāng)Ua、Ra和If保持不變時(shí), 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系稱為機(jī)械特性, 如圖1所示.

圖1 直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖

第三個(gè)知識點(diǎn)是講解直流電動(dòng)機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)候, 突然加載一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩, 電機(jī)轉(zhuǎn)速如何變化？教學(xué)過程如下:

當(dāng)電負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL突然增大, 此時(shí)由于輸出轉(zhuǎn)矩T小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL, 電機(jī)轉(zhuǎn)速n如何變化. 對于這個(gè)知識點(diǎn), 根據(jù)筆者多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn), 百分之八十的學(xué)生能夠堅(jiān)持下來并聽下去. 電機(jī)轉(zhuǎn)速n下降只能沿著圖1所示的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖向右移動(dòng), 從圖1可以清楚看出輸出轉(zhuǎn)矩T會不斷增大, 當(dāng)T增大到跟負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL同樣大的時(shí)候, 電機(jī)又恢復(fù)到勻速運(yùn)行, 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 只是電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速n小于原來的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)行.

對于第一個(gè)知識點(diǎn)前面三個(gè)公式推導(dǎo)不算太難, 當(dāng)推導(dǎo)到第四個(gè)公式時(shí), 由于要涉及到電動(dòng)勢常數(shù)CE, 其推導(dǎo)過程比較復(fù)雜, 這里沒有給出其計(jì)算公式, 原因是怕學(xué)生由于其計(jì)算過程太過復(fù)雜, 而失去學(xué)習(xí)的耐心. 對于第二個(gè)知識點(diǎn)是順著第一個(gè)知識推導(dǎo)下來, 計(jì)算公式也比較簡單, 從而很容易得到電機(jī)的機(jī)械特性, 從而可以輕松掌握. 對于第三個(gè)知識點(diǎn)是由于據(jù)圖分析電機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行時(shí), 突然加負(fù)載的情況, 由于據(jù)圖分析比計(jì)算公式推導(dǎo)更能夠吸引學(xué)生聽課, 學(xué)生聽課興趣以及理解程度相對較好. 此時(shí)到這里, 一般教師可以結(jié)束本堂課教學(xué), 但是學(xué)生下課后沒有興趣繼續(xù)學(xué)習(xí)后續(xù)知識的動(dòng)力, 而且學(xué)習(xí)印象不夠深刻, 教師接下來可將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入課堂教學(xué),從而能夠加深學(xué)生對課堂所學(xué)理論知識的印象.

2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

教師可在課堂中利用五分鐘的時(shí)間在MATLAB/SIMULINK中建立直流電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)和加載的仿真模型, 如圖2所示, 在0.5秒時(shí)設(shè)置負(fù)載為171.4N.m[4～6].

直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)和加負(fù)載起動(dòng)的仿真模型搭建完畢后, 其仿真結(jié)果如圖3～5所示. 其中圖3所示的波形為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n仿真波形, 圖4為轉(zhuǎn)子電流Ia仿真波形, 圖5為電磁轉(zhuǎn)矩T仿真波形. 從圖3～5所示的仿真波形, 可以得到以下結(jié)論: 直流電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí), 起動(dòng)電流Ia很大, 在0.25秒左右起動(dòng)電流下降為零(空載起動(dòng)),起動(dòng)過程結(jié)束, 這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n上升到最高值. 在起動(dòng)0.5秒后加載為171.4N.m負(fù)載, 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n立即下降,轉(zhuǎn)子電流Ia增加, 原因在于電機(jī)要達(dá)到新的平穩(wěn)狀態(tài)時(shí),其輸出轉(zhuǎn)矩T要增大, 直到等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL. 其中圖5所示的電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形與圖4所示電流仿真波形與電流仿真波形成比例, 與公式(4)完全一致.

圖2 直流電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)和加載運(yùn)行的仿真模型

圖3 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n仿真波形

圖4 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流Ia仿真波形

圖5 直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T仿真波形

從上面的教學(xué)分析可知, 在理論講解后, 將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入課堂教學(xué), 可進(jìn)一步加深學(xué)生對理論知識的理解, 從而提高課堂學(xué)習(xí)效果.

3 結(jié)論

經(jīng)過筆者多年的電機(jī)與拖動(dòng)課堂教學(xué)證明, 將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入課堂教學(xué)中, 可達(dá)到以下教學(xué)效果:

第一, 計(jì)算機(jī)仿真軟件的引入, 可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣, 提高課堂學(xué)習(xí)效果.

第二, 計(jì)算機(jī)仿真的引入可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的, 相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué), 課堂上的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證更加直接, 而且可顯著降低實(shí)驗(yàn)成本.

第三, 學(xué)生在課后可以在宿舍, 利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對當(dāng)天所學(xué)的理論知識進(jìn)行驗(yàn)證, 比傳統(tǒng)的課后復(fù)習(xí), 更加有吸引力, 進(jìn)一步加深課堂所學(xué)理論知識.

綜上所述, 將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入電機(jī)與拖動(dòng)課堂教學(xué)中, 可達(dá)到良好的教學(xué)效果, 值得推廣.

[1] 劉素芳, 劉素芬. MATLAB仿真技術(shù)在電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)教學(xué)的應(yīng)用[J]. 張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 21(4): 61～63

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[6] 晁盛遠(yuǎn), 王 凱, 劉富勇. 直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2008, 27(2): 39～43

The Application of Computer Simulation Technology in the Teaching of DC Motor

WAN Li, RONG Jun , WAN Jun-hua, AN Qi
(College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

In the course of the motor and the dragging of the classroom teaching, the students feel the complexity of the teaching contents and the formula derivation. For the phenomenon, the author gives introduction to the computer simulation software into the classroom teaching, and the theory of classroom is verified by simulation software after conventional teaching. The practice proved that it can stimulate the students' learning interest, and improve the students' listening efficiency

motor and dragging; DC motor; starting current; starting torque

G642

: A

: 1672-5298(2015)04-0082-04

2015-08-30

湖南理工學(xué)院校級教研教改項(xiàng)目(2015B19)

萬 力(1979? ), 男, 湖南岳陽人, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 智能控制技術(shù)