LabVIEW在《電工學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

徐樹英，張德拉，張永明，張玉蒼

(1.海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南海口570228;2.海南大學(xué)海南省石油化工檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南?？?70228;3.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072)

《電工學(xué)》課程是為高等學(xué)校非電專業(yè)設(shè)置的技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程已日益成為理、工、農(nóng)、醫(yī)、文等各類專業(yè)大學(xué)本科生素質(zhì)教育中不可或缺的知識結(jié)構(gòu)的一部分［1］.電工學(xué)課程內(nèi)容包括電路基礎(chǔ)、電機(jī)與控制、電子技術(shù)3個(gè)部分，該課程具有綜合性與理論性強(qiáng)、內(nèi)容多且抽象、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn).本課程的作用與任務(wù)就是要使學(xué)生掌握電工技術(shù)和電子技術(shù)必要的基本理論、基本知識和基本技能，了解電工技術(shù)和電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展概況，以便為他們今后繼續(xù)學(xué)習(xí)或從事與本專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)［1］.目前，我校非電類工科專業(yè)的《電工學(xué)》課程學(xué)時(shí)在32～48學(xué)時(shí)左右，為了適應(yīng)我校2011級化工專業(yè)所實(shí)施的“卓越計(jì)劃”，筆者結(jié)合《電工學(xué)》課程的三相異步電動機(jī)的教學(xué)內(nèi)容，利用LabVIEW仿真，以實(shí)例說明了該軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在化工專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的優(yōu)勢.

在《電工學(xué)》課程中，三相異步電動機(jī)部分屬于應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容，這部分內(nèi)容與后續(xù)課程及今后的工作息息相關(guān)，但由于其學(xué)時(shí)相對較少，而“電”與“磁”的關(guān)系又較復(fù)雜，尤其是三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性對電動機(jī)起動和調(diào)速性能的影響，對大部分學(xué)生來說，它更難于理解;為此，筆者利用LabVIEW軟件，對三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線進(jìn)行了模擬，這使學(xué)生對三相異步電動機(jī)運(yùn)行的3個(gè)工作狀態(tài)(額定狀態(tài)、臨界狀態(tài)和起動狀態(tài))理解得更加透徹，為他們今后應(yīng)用電動機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).

1 LabVIEW 8.0軟件簡介

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代碼代替編程語言來創(chuàng)建應(yīng)用程序的開發(fā)工具［2］，它用圖形語言(G語言)、圖標(biāo)和連線代替了文本的形式編寫程序.在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序被稱為虛擬儀器VI(Virtual Instruments)，因?yàn)樗梢阅M實(shí)際的儀器.實(shí)際上，VIs類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序，由一個(gè)用戶界面、圖標(biāo)代碼和一個(gè)接口板組成［2］.LabVIEW擁有專業(yè)的數(shù)學(xué)分析程序包，可為電工電子類的模擬帶來巨大的便利.由于利用LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)，可以提高編程效率，縮短開發(fā)周期，因此它得到了廣泛的應(yīng)用.

2 三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本課程中“等效”的概念在電路的分析中是很重要的，為了研究三相異步電動機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，筆者利用工程上近似的方法，對三相異步電動機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路進(jìn)行“等效”.經(jīng)過折算，三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為T型等效電路［3］，如圖1所示.

令U1為定子相電壓，I1為定子相電流，I'2為轉(zhuǎn)子相電流對定子的折算值;Xs1為定子相漏電抗，X'20為轉(zhuǎn)子相漏電抗對定子的折算值，R'2為轉(zhuǎn)子電阻對定子的折算值;Rm為定子(相)勵磁電阻(鐵耗電阻)，Xm為定子(相)勵磁電抗;s為轉(zhuǎn)差率.

圖1 三相異步電動機(jī)的T型等效電路

3 利用LabVIEW仿真及教學(xué)效果

三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是三相異步電動機(jī)最重要的物理量之一，其機(jī)械特性是它的重要體現(xiàn)，對三相異步電動機(jī)的分析往往離不開它.在“電工學(xué)”的教學(xué)過程中，這部分內(nèi)容一般只能在課堂進(jìn)行教學(xué)，而且其內(nèi)容是建立在電磁學(xué)理論的非線性分析之上，這對于已習(xí)慣于線性化分析的學(xué)生來說，掌握和理解這部分內(nèi)容的難度較大［4］.為此，筆者用三相異步電動機(jī)的T型等效電路建立了一個(gè)可以進(jìn)行調(diào)用的子VI，并利用LabVIEW對異步電動機(jī)進(jìn)行了仿真，通過仿真結(jié)果的展示，使學(xué)生看到了電動機(jī)特性曲線的變化，同時(shí)，也使他們充分理解了電動機(jī)的運(yùn)行性能.

3.1 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線的圖形代碼 三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性是指在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉(zhuǎn)子電路中不串接任何電阻或電抗時(shí)的機(jī)械特性.筆者采用三相異步電動機(jī)模型子VI來代替實(shí)際電動機(jī)，圖2是其相應(yīng)的程序框圖［5］，該程序?qū)崿F(xiàn)了新舊數(shù)據(jù)的疊加，可以在同一圖像中顯示多條曲線.

圖2 三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線測定的實(shí)驗(yàn)程序框圖

3.2 三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線的模擬 設(shè)定三相異步電動機(jī)的參數(shù)，并將參數(shù)輸入到子VI中，得到的三相異步電動機(jī)的固有特性曲線如圖3所示［5］.通常三相異步電動機(jī)都工作在圖3所示的特性曲線的 ab段，ab段比較平坦，是三相異步電動機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載在空載與額定值之間變化時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大，這種特性稱為“硬”的機(jī)械特性.

3.3 三相異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性 人為特性指的是在改變定子的外加電源電壓、頻率或人為改變定子電路中的電阻或電抗，從而改變異步電動機(jī)的機(jī)械性能.在分析三相異步電動機(jī)的人為特性曲線的形狀時(shí)，關(guān)鍵要抓住理想空載轉(zhuǎn)速n0，最大轉(zhuǎn)矩Tmax，臨界轉(zhuǎn)差率sm和起動轉(zhuǎn)矩Tst這4個(gè)量隨參數(shù)變化的規(guī)律，這樣才能對機(jī)械特性的變化有大致的了解.

3.3.1 降低電動機(jī)電源電壓時(shí)的人為特性 降低電源電壓的人為機(jī)械特性是指僅降低外加電源電壓，其他參數(shù)都與固有機(jī)械特性時(shí)相同.從圖4中［5］可看出，電壓越小，曲線壓得越扁，最大轉(zhuǎn)矩Tmax(Tmax=Km/2X20)與成正比，所以三相異步電動機(jī)對電網(wǎng)電壓很敏感，電壓越低，它的過載能力和起動轉(zhuǎn)矩都會降低，而臨界轉(zhuǎn)差率sm和臨界轉(zhuǎn)速則與電源電壓無關(guān).在課堂上進(jìn)行這樣的仿真模擬，可使學(xué)生理解工業(yè)中要求電網(wǎng)電壓限制在5%范圍內(nèi)波動的原因，從而提高了課堂的授課效果.

圖3 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性

圖4 升高定子電壓的人為機(jī)械特性曲線

3.3.2 轉(zhuǎn)子回路中串接電阻 轉(zhuǎn)子回路中串接電阻僅適用于繞線式異步電動機(jī)，它僅增加轉(zhuǎn)子電阻R2，其他參數(shù)都與固有機(jī)械特性相同.

這里轉(zhuǎn)子電阻R2依次減小，曲線如圖5所示［5］.從圖5中可以看出，轉(zhuǎn)子回路中串接電阻對理想空載轉(zhuǎn)速n0沒有影響，n0只受外接頻率的影響，這個(gè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子沒有任何關(guān)聯(lián)性，對最大轉(zhuǎn)矩Tmax也沒有影響，在Tmax=Km/2X20中也不包含R2這個(gè)參數(shù).臨界轉(zhuǎn)差率sm(sm=R2/X20)與轉(zhuǎn)子繞線電阻R2有關(guān)，R2越大，sm也越大，臨界轉(zhuǎn)差點(diǎn)下移，n減小;起動轉(zhuǎn)矩Tst=KR2/(+)，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻R2適當(dāng)增大時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩會增大;而當(dāng)R2=X20時(shí)，Tst=Tmax，sm=1，起動轉(zhuǎn)矩是最大的，這時(shí)人為特性較原來“軟”.

圖5 轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機(jī)械特性曲線

圖6 改變電源頻率的人為機(jī)械特性

3.3.3 改變定子電源頻率 當(dāng)改變電源頻率f(一般用在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速)，使得U/f=常數(shù)時(shí)，對應(yīng)機(jī)械特性曲線如圖6所示，從圖6可以看出，Tmax為恒定值，保持不變;n0與f成正比，sm與f成反比;Tst與f成反比.隨著頻率降低，空間旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0也降低，但臨界轉(zhuǎn)差率變大，起動轉(zhuǎn)矩也變大，而最大轉(zhuǎn)矩卻維持不變，這就是改變定子電源頻率時(shí)的人為特性.通過頻率來改變機(jī)械特性，它的調(diào)速范圍較寬，而且對電動機(jī)的工作點(diǎn)的機(jī)械硬度沒有多大的影響，不像調(diào)壓或者在定子回路中串接電阻時(shí)調(diào)速特性會“軟”很多，所以改變電源頻率的方式在工業(yè)中運(yùn)用很廣.通過對比圖5和圖6，可以有效地幫助學(xué)生理解三相異步電動機(jī)的“硬”特性.

4 結(jié)語

為了體現(xiàn)我校2011級化工專業(yè)“卓越工程師計(jì)劃”的教學(xué)改革，在《電工學(xué)》課程教學(xué)方法上，筆者做了一些探索.本課程的教學(xué)重點(diǎn)不在于讓學(xué)生掌握很深的理論，而在于培養(yǎng)學(xué)生將電工和電子技術(shù)的基本知識應(yīng)用于本專業(yè)的能力，繼而使他們能創(chuàng)新性地發(fā)展各自的專業(yè)能力［6］.虛擬儀器在非電類專業(yè)的電工學(xué)教學(xué)中是一個(gè)很好的補(bǔ)充和拓展.筆者采用LabVIEW軟件模擬了異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)，很好地幫助學(xué)生理解了三相異步電動機(jī)的運(yùn)行性能，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，使課堂教學(xué)生動有趣，提高了教學(xué)效果.此外，學(xué)生還可以自己嘗試編程仿真，并通過使用該軟件，提高他們的工程實(shí)踐能力.

［1］唐介.電工學(xué)(少學(xué)時(shí))［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［2］石博強(qiáng)，趙德永，李暢，等.LabVIEW 6.1編程技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［3］謝銘，謝冠虹.電工技術(shù)［M］.北京:北京理工出版社，1996.

［4］王如玫，石笑寒.關(guān)于電氣專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)創(chuàng)新的探討［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2002，14(6):82－84.

［5］郎巖巖.虛擬儀器在電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)［D］.沈陽:東北大學(xué)，2006.

［6］劉鳳春，陳希有，牟憲民，等.面向卓越計(jì)劃的“電工學(xué)”課程教學(xué)改革［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):10－12.