科教融合的《電機(jī)與拖動(dòng)》的課堂教學(xué)

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 曹吉花 溫 艷 李 彪 朱 光 胡 旋

文章首先闡述了電機(jī)與拖動(dòng)的課程內(nèi)容，而后介紹了直流電機(jī)三種調(diào)速方法的仿真研究與實(shí)驗(yàn)研究，并探討了直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)所涉及的教學(xué)內(nèi)容，最后結(jié)合自己的研究課題，將相關(guān)研究熱點(diǎn)融入到電機(jī)與拖動(dòng)的課堂教學(xué)中，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

科教融合這一理念最早是由德國的教育學(xué)家洪堡提出的，他第一次在大學(xué)內(nèi)部確立了科研與教育統(tǒng)一的思想，他提出科學(xué)應(yīng)建立在寬宏的人文主義關(guān)懷之上，提倡在高等教育中教育與科研有機(jī)結(jié)合，科教融合成為世界一流大學(xué)的核心辦學(xué)理念。我國高等教育從科教并重轉(zhuǎn)向科教融合則是高等教育強(qiáng)國建設(shè)的必然選擇。科教融合旨在把教師的科研成果與相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容相融合，以科學(xué)探究的方法組織課堂教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的視野。本人在《電機(jī)與拖動(dòng)》的課堂教學(xué)中，結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，把自己的研究內(nèi)容、知識和方法等貫穿到《電機(jī)與拖動(dòng)》的課堂教學(xué)中去，重塑課程體系和教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 《電機(jī)與拖動(dòng)》教學(xué)內(nèi)容

《電機(jī)與拖動(dòng)》課程是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等電類專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的實(shí)踐性和理論性都很強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要理解許多抽象概念，既要具有電路的基礎(chǔ)知識又要有磁路的基礎(chǔ)知識，同時(shí)還需要掌握電機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等應(yīng)用方法。為了更好的掌握電機(jī)的使用方法，學(xué)生需要做一些關(guān)于電機(jī)和變壓器的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓比較高，電流比較大，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的操作都存在一定的畏懼心理。對于電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)、變壓器的短路等具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在操作時(shí)更是戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，老師在上課時(shí)也是提心吊膽，總擔(dān)心學(xué)生操作時(shí)失誤傷害到學(xué)生或者損毀設(shè)備。因此《電機(jī)與拖動(dòng)》的理論課和實(shí)踐課的教學(xué)與學(xué)習(xí)都具有一定的難度。同時(shí)《電機(jī)與拖動(dòng)》又是電氣工程、自動(dòng)化等專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，電動(dòng)機(jī)更是各種控制方式的研究對象，因此學(xué)生必須學(xué)好這門課程。本人在《電機(jī)與拖動(dòng)》的教學(xué)過程中根據(jù)電氣工程、自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生將來就業(yè)的方向以及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，注重從直流電機(jī)的調(diào)速方法研究入手，進(jìn)行科教融合，把自己的科研成果融入到課堂教學(xué)中，明確該課程的發(fā)展方向、激發(fā)學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 “科教融合”下的教學(xué)內(nèi)容研究

電機(jī)與拖動(dòng)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，根據(jù)電氣工程、自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生將來就業(yè)的方向以及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，結(jié)合本人的科研項(xiàng)目內(nèi)容，注重從直流電機(jī)和交流電機(jī)調(diào)速方法研究入手，整合教學(xué)內(nèi)容，打破常規(guī)的課堂講授教學(xué)方式，采用學(xué)生自主討論、專業(yè)軟件仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，使學(xué)生掌握直流、交流電機(jī)的調(diào)速方法。電機(jī)的調(diào)速是指在負(fù)載一定的條件下，根據(jù)需要人為改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)與交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，其調(diào)速的方式也不同。

2.1 直流電機(jī)調(diào)速方法仿真研究

直流電動(dòng)機(jī)有比較好的調(diào)速性能，且應(yīng)用廣泛。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式是：

從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式可以看出，要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：（1）降低電樞繞組的電壓Ua；（2）轉(zhuǎn)子繞組串電阻；（3）改變勵(lì)磁電流。

向?qū)W生介紹了直流電機(jī)的三種調(diào)速方法后，為了使學(xué)生對電機(jī)的調(diào)速方法有更直觀的理解，結(jié)合PSIM仿真軟件向?qū)W生介紹三種調(diào)速方法的仿真結(jié)果。直流電動(dòng)機(jī)的仿真原理圖如圖1所示，圖2是電樞電壓為220v和180v時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仿真波形，從仿真波形可以看出，220V電壓時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1016轉(zhuǎn)/分鐘，180V電壓時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是824轉(zhuǎn)/分鐘，隨著電樞電壓的降低，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，降壓調(diào)速是向下調(diào)速的。同樣可以仿真得到電樞串1Ω電阻和1.5Ω電阻時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形，串1Ω電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近535轉(zhuǎn)/分鐘，串1.5Ω電阻時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近294轉(zhuǎn)/分鐘，隨著電樞串電阻阻值的增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，調(diào)速方向也是向下調(diào)。利用PSIM軟件對改變勵(lì)磁電流時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，2A的勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是1373轉(zhuǎn)/分鐘，1.5A的勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是1630轉(zhuǎn)/分鐘，隨著勵(lì)磁電流的減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，調(diào)速方向是向上的。

圖1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的仿真原理圖

圖2 220V與180V電樞電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

2.2 直流電機(jī)調(diào)速方法實(shí)驗(yàn)研究

利用學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對直流電機(jī)的三種調(diào)速方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，直流電機(jī)的參數(shù)為：Uf =Ua=220V，Rf=75Ω，Ra=0.2Ω，CEΦ=0.175，T=83.56Nm，改變電樞電壓、電樞串電阻、減小勵(lì)磁電流調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 改變電樞電壓、電樞串電阻、減小勵(lì)磁電流調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

2.3 直流電機(jī)調(diào)速方法的深入研究

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種，降低電樞繞組的電壓調(diào)速是直流電動(dòng)機(jī)首選的調(diào)速方式，這種調(diào)速方式調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速的平滑性和穩(wěn)定性都比較好。但是需要用到可調(diào)的直流電源，目前電壓的變化采用PWM技術(shù)，通過DSP28335產(chǎn)生需要的PWM波形從而改變直流電動(dòng)機(jī)的電壓，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

從電動(dòng)機(jī)的調(diào)速仿真波形可以看出，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，經(jīng)過較長的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，而且速度受負(fù)載擾動(dòng)較大，為了解決這些問題，工業(yè)生產(chǎn)中直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速常常采用雙閉環(huán)形式，即速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，這兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，兩者之間串行連接，電流調(diào)節(jié)器的最大給定電壓由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的最大輸出電壓所決定的，同是它也決定了晶閘管整流器的最大輸出電壓，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程是接近理想的啟動(dòng)過程。

直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速是目前研究的熱點(diǎn)，也是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常采用的調(diào)速方式。結(jié)合雙閉環(huán)調(diào)速的電路原理圖向?qū)W生講授電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器組成，帶著學(xué)生回顧所學(xué)過的模擬電子技術(shù)的知識，通過PWM調(diào)節(jié)器、直流斬波電路向?qū)W生介紹電力電子技術(shù)的知識。通過雙閉環(huán)的反饋控制向?qū)W生介紹自動(dòng)控制課程的相關(guān)知識。

2.4 科研項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容融合方案

本人主持了安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目：《基于SCADA的煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)研究》和《基于WinCC及PLC的無極繩連續(xù)牽引車綜保系統(tǒng)研究》?！痘赟CADA的煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)研究》項(xiàng)目主要研究礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的在線監(jiān)控，煤礦主通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，擔(dān)任著向井下提供新鮮風(fēng)流，沖淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性氣體和粉塵，防止發(fā)生各種傷害和爆炸事故的任務(wù)。通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)，一旦發(fā)生故障將造成巨大的停產(chǎn)損失和安全問題。通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)利用觸摸屏、PLC、變頻器、主通風(fēng)機(jī)及傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)?！痘赪inCC及PLC的無極繩連續(xù)牽引車綜保系統(tǒng)研究》主要研究煤礦井下無極繩連續(xù)牽引車的安全運(yùn)行，為了使無極繩連續(xù)牽引車安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要添加綜合保護(hù)系統(tǒng)，對電機(jī)的保護(hù)主要有短路保護(hù)、過載保護(hù)及欠壓保護(hù)等。本項(xiàng)目中所用到的電機(jī)調(diào)速采用PWM控制的調(diào)壓調(diào)速，其中PWM波形則采用DSP28335產(chǎn)生，即采用數(shù)字控制技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)涉及自動(dòng)控制、單片機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理、DSP技術(shù)等多門課程，是多學(xué)科交叉性研究課題。近年來，由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為控制器的數(shù)字控制器在許多的場合取代了模擬控制器，對電動(dòng)機(jī)這一被控對象進(jìn)行控制。在以上兩個(gè)項(xiàng)目完成的過程中，對電機(jī)的運(yùn)行特性、調(diào)速及保護(hù)都進(jìn)行了相關(guān)的研究，發(fā)表了5篇論文，對自己開發(fā)的源程序申請了2項(xiàng)軟件著作權(quán)保護(hù)。

結(jié)合自己的2項(xiàng)研究課題向?qū)W生介紹電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，在實(shí)際使用中電機(jī)調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn)，及為了對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速所需要學(xué)習(xí)的其他的課程知識。例如為了使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，快速響應(yīng)需要用到自動(dòng)控制的相關(guān)內(nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制需要用到模擬電子技術(shù)、傳感器等相關(guān)內(nèi)容，為了產(chǎn)生PWM波形需要用到DSP技術(shù)、電力電子技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。

3 總結(jié)

科研活動(dòng)與教學(xué)過程相融合是一種向?qū)W生傳授知識，激發(fā)其科研興趣的過程。本人在完成科研項(xiàng)目的過程中，對電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及保護(hù)進(jìn)行了研究?！峨姍C(jī)與拖動(dòng)》課程的重點(diǎn)是直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，結(jié)合自己的研究經(jīng)歷與研究成果，向?qū)W生介紹電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。