郭丙君

（華東理工大學信息科學與工程學院，中國 上海 200237）

0 引言

電氣工程及其自動化專業(yè)中一個重要的學科方向是電氣傳動，其核心課程為電路原理、電力電子技術(shù)、電力拖動基礎(chǔ)及電力拖動控制系統(tǒng)四門課程， 電氣傳動課程群間的理論知識具有很強的關(guān)系和連續(xù)性，電路原理是整個電氣傳動課程群的基礎(chǔ)課程， 電力電子技術(shù)和電力拖動基礎(chǔ)是電力拖動控制系統(tǒng)的先修基礎(chǔ)課程， 電力拖動控制系統(tǒng)課程是電力傳動課程群的核心課程， 電力拖動控制系統(tǒng)主要介紹交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)，并以交流調(diào)速系統(tǒng)為主要內(nèi)容。應該指出電力拖動控制系統(tǒng)還綜合應用了自動控制理論，并應用了現(xiàn)代計算機技術(shù)進行交直流調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計，幾門課程之間的銜接關(guān)系非常緊密， 并且形成了一個完整的理論體系。 在教學過程中如何把握知識之間的銜接，如何過渡是值得進行研究的問題[3]。另外，電氣傳動課程群在教學過程中由于教學時數(shù)的限制往往介紹的是穩(wěn)態(tài)時內(nèi)容，其過渡過程的內(nèi)容很多學校是不介紹的，在教學過程將等效電路圖的教學方法同樣可以應用到實驗教學過程中， 利用MATLAB /Simulink仿真技術(shù)或者積件庫技術(shù)求解等效電路圖方程，將過渡過程用仿真技術(shù)展現(xiàn)出來是很有意義的，開展線上虛擬仿真實驗教學，有利于學生理解知識點，提高教學效果。

1 電氣傳動課程群知識點的認識

電氣傳動課程群主要由四門課程組成，其關(guān)系圖如圖1 所示，電氣傳動課程群知識點具有上下銜接關(guān)系，其基礎(chǔ)是電路原理，主要的理論如替代定理、支路法、節(jié)點電壓、回路電流、戴維南定理、特勒根定理、互易定理等。 而一個典型的電力傳動系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖中電源部分就是電力電子技術(shù)課程，電動機部分就是電力拖動基礎(chǔ)課程，控制設(shè)備就是現(xiàn)代計算機技術(shù)方面課程，也包括自動控制類課程，而電源、控制設(shè)備及電動機綜合起來就是電力拖動控制系統(tǒng)的課程內(nèi)容，傳動和工作機構(gòu)就是電氣控制裝置的機械部分，主要由相關(guān)的機械工程課程內(nèi)容。 電氣傳動課程群的理論基礎(chǔ)是電路原理課程，例如電力電子技術(shù)中的晶閘管和IGBT 的工作原理如圖3 所示， 其工作原理就是電路理論的應用，電力電子技術(shù)中元器件及相應的四大變換電路也均是電路理論的應用。電力拖動基礎(chǔ)和電力拖動控制系統(tǒng)課程中的變壓器、電動機的等效電路圖如圖4 所示。同樣其分析計算等完全可以應用電路知識來完成，在教學過程中要充分注意知識點的連貫性，強調(diào)基礎(chǔ)課程在本專業(yè)中的重要性。

圖1 電氣傳動課程群的關(guān)系圖

圖2 電力傳動系統(tǒng)的組成

應該指出， 在電氣傳動課程群的教學過程中，目前廣泛地應用了自動控制理論及計算機技術(shù)的成果，全數(shù)字控制的電氣傳動產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地使用了，在電機控制方面出現(xiàn)過很多方案，如轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、交流電機的無源性控制、后退控制的交流電機控制、以微分幾何控制理論為基礎(chǔ)的線性化控制、基于逆系統(tǒng)理論的交流電機解耦控制、魯棒控制。 智能控制在電力傳動系統(tǒng)中的應用是其必然的發(fā)展趨勢，目前已經(jīng)出現(xiàn)了具有智能控制的交流變頻器實際產(chǎn)品，適當?shù)匾冒咐虒W對于提高教學質(zhì)量很有幫助。

圖3 電力電子技術(shù)課程中的電力電子器件的等效電路圖

2 線上線下實驗教學在電氣傳動課程群教學中的應用

實驗教學是電氣傳動課程群中一個非常重要的教學過程，實現(xiàn)線上實驗目前主要有兩種方法：（1）基于MATLAB 的仿真實驗平臺；（2）基于 Internet 的虛擬實驗平臺。

2.1 基于MATLAB 的仿真實驗平臺

要實現(xiàn)基于MATLAB 的仿真實驗， 同樣需要應用到等效電路圖的方法，進一步寫出微分方程，并進行數(shù)值計算來實現(xiàn)。 通過上述的等效電路圖，可以進行相應的建模，就可以進行一系列的仿真教學，來加強學生對于電氣傳動課程群知識體系的認識。筆者在教學實踐過程中針對電力電子技術(shù)課程開發(fā)了一些線上實驗項目：晶閘管三相橋式整流器，基于PWM 技術(shù)逆變器、交流調(diào)壓器和直流斬波器的仿真實驗。 針對電力拖動控制系統(tǒng)課程開發(fā)的實驗項目：直流調(diào)速系統(tǒng)中的單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)及PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)、 交流異步電動機轉(zhuǎn)差功率消耗性調(diào)速系統(tǒng)、交流異步電機轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)和交流異步電機轉(zhuǎn)差功率不變形調(diào)速系統(tǒng)。

圖4 電力拖動基礎(chǔ)和電力拖動控制系統(tǒng)課程中的直流電動機、變壓器及三相異步電動機等效電路圖

2.2 基于Internet 的虛擬實驗平臺

目前基于Internet 的虛擬實驗平臺有很多實現(xiàn)方法，這里介紹一種基于積件庫技術(shù)求解等效電路圖方程的仿真方法。 同樣是應用了等效電路圖的方法，進一步寫出微分方程，并進行數(shù)值計算來實現(xiàn)的。 將各個元件建立了積件庫，提供給學生使用，并且是基于Internet 的虛擬實驗平臺。

由于本次疫情的關(guān)系，筆者在主講電力拖動基礎(chǔ)課程的過程中， 基于Internet 的虛擬實驗平臺開發(fā)了如下的實驗項目：直流發(fā)電機的輸出特性、直流電動機的機械特性、直流電動機的調(diào)速和制動、單相變壓器的工作特性、三相異步電動機的機械特性、三相異步電動機的調(diào)速和制動等。

基于Internet 的虛擬實驗平臺保持了線上教學對時空的突破，同時學生獲得更大的自由空間，并能及時觀察到實驗的結(jié)果是否符合預期，平臺為教學效果的檢測提供了便利， 也使整個網(wǎng)絡(luò)實驗教學形成了“教學—實驗—評測”的閉環(huán)，彰顯了學生作為學習的主體地位。應該指出學生不善于在課堂上進行面對面的討論互動，而在網(wǎng)絡(luò)上討論是非常熱烈的，應該充分發(fā)揮線上教學的有力工具，有利于提高教學質(zhì)量。

應該指出， 實驗教學要遵循能實不虛的原則，只有在實物實驗有安全問題或者實物實驗成本過高時采用虛擬實驗， 要實現(xiàn)線上線下實驗的混合教學，充分發(fā)揮學?，F(xiàn)有的實驗室資源和線上實驗的資源，更加有利于提高電氣傳動課程群的教學效果。

3 總結(jié)

電氣傳動課程群的知識體系是一脈相承的，應用等效電路圖教學是貫徹始終的電氣傳動課程群教學的一種有效方法， 充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)課程的重要性，在理論及實驗教學過程中可以采用混合教學方法，對于提高電氣傳動學科的教學質(zhì)量具有一定的參考價值。