電機類課程虛擬仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

楊 剛 孫 盼 何 笠 孫 軍

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 武漢 430033)

“電機與拖動基礎(chǔ)”“電機學(xué)”等電機類課程是電氣工程及其自動化、自動化、輪機工程、機械工程等專業(yè)的主干課程[1-2]，主要講授直流電機、變壓器、異步電機、同步電機等電磁裝置的結(jié)構(gòu)、基本原理、基本特性和實際應(yīng)用等問題，集理論性、實踐性、綜合性、應(yīng)用性于一體，對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)至關(guān)重要[3-5]。

傳統(tǒng)電機類課程實驗以實物電機為基礎(chǔ)，存在電壓等級高、危險性大，實驗平臺建設(shè)周期長、成本高，電機過渡過程和動態(tài)性能產(chǎn)生時間短、難以瞬時捕捉，實驗數(shù)據(jù)獲取困難等問題。因此，在現(xiàn)有教學(xué)資源下，電機類課程教學(xué)仍以理論為主，實驗內(nèi)容和實驗形式比較單一[6-8]。

虛擬仿真實驗是高校加強實驗教學(xué)、提高實驗教學(xué)質(zhì)量的重要手段，已成為高校實驗教學(xué)改革的研究重點[9-13]。通過虛擬仿真技術(shù)模擬電機的電-磁-力等多物理場特性，準確描述電機的瞬態(tài)過程行為，設(shè)計電機結(jié)構(gòu)、原理、拖動運行等基礎(chǔ)理論與運行實驗，能夠有效彌補傳統(tǒng)實物電機實驗教學(xué)過程中的不足。

1 虛擬仿真實驗平臺總體架構(gòu)

虛擬仿真實驗平臺是實物實驗的一種輔助手段，通過虛擬仿真實驗，可以更好地幫助學(xué)生了解實物實驗中看不見、摸不著的磁場、電流等參量，有助于激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高課程授課效果。

電機類課程虛擬仿真實驗平臺選擇不同類型電機作為實驗對象，通過3D建模還原電機實驗室的真實場景，結(jié)合實際教學(xué)需求設(shè)計仿真實驗，模擬各類電機設(shè)備的操作流程，讓學(xué)生實驗后得到對應(yīng)的展示結(jié)果，并通過信號提示，電子黑板等提示操作的成功與電路故障。

虛擬仿真實驗平臺主要由電機原理及結(jié)構(gòu)認知(包括直流電機、同步電機、變壓器、異步電機)和電機實驗室兩大模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機類課程虛擬仿真實驗平臺總體架構(gòu)

2 虛擬仿真實驗平臺模塊設(shè)計

利用先進的VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合運用SketchUp、Visual Studio、Unity3D等開發(fā)工具創(chuàng)建了電機拆裝、正反轉(zhuǎn)、負載運行實驗等虛擬場景，運用三維建模等技術(shù)，高度仿真了電機結(jié)構(gòu)、原理以及拖動特性的行為，實驗場景逼真，實驗對象直觀形象；將學(xué)生自主設(shè)計實驗應(yīng)用于虛擬場景中，融合多種教學(xué)方法，學(xué)生可以自主安排和設(shè)計實驗環(huán)節(jié)；實驗者通過VR眼鏡和手持設(shè)備在虛擬場景中操作，如同親臨實境[14-15]。

2.1 電機原理及結(jié)構(gòu)認知模塊

電機原理及結(jié)構(gòu)認知模塊，通過電機拆裝的形式，讓學(xué)生掌握四類電機的結(jié)構(gòu)組成、基本原理，電機拆裝的基本步驟、工具和實驗方法等；同時，通過可見的電流和磁場，幫助學(xué)生直觀地認識電機的電磁轉(zhuǎn)換和運動過程，如圖2～4所示。

2.2 電機實驗室模塊

電機實驗室模塊通過模擬真實實驗場景，讓學(xué)生開展直流并激發(fā)電機的電壓建立，直流并激電動機起動、調(diào)速，變壓器的端線判別與運行，三相異步電機的起動，同步發(fā)電機的電壓建立，同步發(fā)電機的負載運行，電工工具和儀表的使用等實驗，幫助學(xué)生掌握各類電機的運行特性，如圖5～8所示。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)過程及方法

3.1 教學(xué)過程

電機類課程虛擬仿真實驗主要采用自主實驗

(a)直流電機

(b)同步電機

(c)異步電機

(d)變壓器圖2 四類電機模型

圖3 電機拆裝場景

圖4 直流電機原理

圖5 電機實驗室場景

圖6 同步發(fā)電機電壓建立與并聯(lián)運行實驗

圖7 直流電機調(diào)速實驗

圖8 變壓器端線判別實驗

為主的教學(xué)方法。

1)學(xué)生自主學(xué)訓(xùn)

學(xué)生能夠自主運用虛擬仿真試驗平臺進行常規(guī)實驗操作和原理學(xué)習(xí)。

2)教師布置實驗任務(wù)

教師根據(jù)課程需求下達實驗指令，選擇相應(yīng)的內(nèi)容在課堂上開展教學(xué)。

3)學(xué)生探索實驗

虛擬仿真實驗不拘泥于固定的操作步驟，學(xué)生可以根據(jù)對電機及拖動的認識自主設(shè)計操作步驟，并進行不斷嘗試，實現(xiàn)課本外更多的非常規(guī)操作效果。

4)教師布置預(yù)習(xí)任務(wù)

讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，在課堂上開展翻轉(zhuǎn)教學(xué)，為電機教學(xué)提供了靈活多樣的教學(xué)方法。

3.2 實驗方法

采用觀察法、控制變量法、對照法及比較法等實驗方法，通過觀察實驗現(xiàn)象、對比實驗數(shù)據(jù)及對照正常運行波形，分析電機及拖動系統(tǒng)的運行特性，掌握相關(guān)原理。

1)觀察法

實驗操作中，通過連接電機拖動系統(tǒng)控制線路，操作電機拖動系統(tǒng)的起動、調(diào)速和制動，可觀察到電機的轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率等參數(shù)和物理量的變化，分析物理量變化的規(guī)律和原因。電機拆裝實驗可以直觀地觀察電機零部件的空間位置、連接關(guān)系，明確電機拆裝的步驟、注意事項等。

2)控制變量法

實驗中，以電動機輸入端電壓、勵磁電流等物理量為控制變量，固定其他的物理量，改變控制量進行參數(shù)的測試和現(xiàn)象觀察，可分別探究不同工況(功率等級、負載特性)和不同參數(shù)設(shè)置對電機及拖動系統(tǒng)的運行特性的影響機理。

3)對照法

在實驗過程中，學(xué)生可以對照系統(tǒng)正常運行和斷線運行的現(xiàn)象和物理量測量值，分析故障對系統(tǒng)的影響；也可以分析不同的接線方法下，電機系統(tǒng)的運行特性變化。

4)對比法

在實驗中可對不同電壓等級、不同勵磁電流下的多組波形數(shù)據(jù)進行對比，可觀察不同物理量下系統(tǒng)的變化規(guī)律，也可對不同的電機拖動方法進行對比，比如對比直接起動和星三角起動，分析不同起動方法下系統(tǒng)的起動電流大小，以此得到不同起動方式下的感性認識，以及不同起動方式下起動電流的數(shù)量關(guān)系。

通過上述實驗方法的實施，學(xué)生可在多個側(cè)面分析不同工況下的不同電機系統(tǒng)運行特性，探究電機拖動系統(tǒng)的工作原理。

4 同步發(fā)電機電壓建立虛擬仿真實驗

同步發(fā)電機電壓建立虛擬仿真實驗主要分為兩部分，首先通過原動機帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在這個過程中需要對原動機調(diào)速，幫助學(xué)生理解原動機的調(diào)速原理；然后通過勵磁裝置調(diào)節(jié)勵磁電流，在調(diào)節(jié)勵磁電流的過程中，可以測量勵磁電流和端電壓的數(shù)據(jù)，繪制空載特性曲線?？蛰d特性曲線本質(zhì)上是磁化曲線，在繪制曲線的過程中，可加深學(xué)生對磁化曲線規(guī)律的理解。虛擬仿真實驗步驟如下：

(1)進入虛擬實驗場景，“勵磁選擇”開關(guān)高亮，將此開關(guān)逆時針旋轉(zhuǎn)至“他勵”位置處，高亮消失。

(2)按下原動機起動按鈕。

(3)旋轉(zhuǎn)“調(diào)速選擇”開關(guān)至加速位置，同時觀察轉(zhuǎn)速表，使原動機轉(zhuǎn)速緩慢上升至額定轉(zhuǎn)速1500 r/min。

(4)將電壓測量轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇在發(fā)電機AB、BC、CA三檔中的任意一檔。

(5)控制他勵控制臺旋鈕，調(diào)節(jié)勵磁電流緩慢增大，同時觀察電壓表顯示值，在電壓增大至額定值過程中，記錄5～6組“電流-電壓”數(shù)據(jù)。

(6)將勵磁電流調(diào)至0，操作發(fā)電機控制屏上的“調(diào)速選擇”開關(guān)至減速位置，觀察轉(zhuǎn)速表，使原動機轉(zhuǎn)速緩慢減少至0。

(7)按下原動機停止按鈕，將“勵磁選擇”開關(guān)旋至“斷”位置。

(8)實驗完成。

5 電機類課程虛擬仿真實驗特色

1)實驗教學(xué)目標的先進性

電機類課程虛擬仿真實驗以培養(yǎng)適應(yīng)社會和專業(yè)任職能力的人才為目標，遵循“以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、堅持學(xué)科融合、堅持創(chuàng)新實踐”的實驗教學(xué)理念，通過實施“情景式、參與式”等多種教學(xué)模式相融合的實驗教學(xué)方法，讓學(xué)生在交互式認知、虛擬演示、綜合設(shè)計等實驗過程中，掌握電機結(jié)構(gòu)、原理以及拖動運行等知識，具備操作使用和維修保養(yǎng)電機的基本能力和水平。虛擬仿真實驗激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的品質(zhì)和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及創(chuàng)新設(shè)計的能力。

2)實驗設(shè)計的高自由度

電機類課程虛擬仿真實驗平臺高度還原了實物電機的原理與內(nèi)在規(guī)律行為，每一個實驗元件均具備電-磁-力等特性，實驗不拘泥于特定的步驟，不受限于規(guī)定的動作，可以根據(jù)需求自行開展，具有自由度高、可擴展等多種優(yōu)勢。

3)實驗內(nèi)容的實用性

實驗內(nèi)容對直流電機、變壓器、異步電機和同步電機等均有涉及，且選取的實驗項目既可以使學(xué)生了解電機基本原理，也與電機的實際應(yīng)用問題聯(lián)系緊密。同時，實驗還考察學(xué)生的多重能力，每一個實驗涉及多個知識點，知識點之間是層層遞進的關(guān)系，可以激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣。

4)實驗過程的高精度

實驗平臺基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計，場景構(gòu)建真實，實驗元件建模逼真，動作元素建模精度高，學(xué)生沉浸感、操作手感好，能夠較好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)場景下的實物實驗，增強學(xué)習(xí)的逼真度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。

5)實驗評價體系科學(xué)

在電機類課程虛擬仿真實驗的模式化練習(xí)環(huán)節(jié)，仿真實驗系統(tǒng)能夠自動提示和糾錯，同時，學(xué)生可以通過系統(tǒng)記錄的實驗過程回看自己的操作步驟，幫助他們學(xué)習(xí)掌握實驗標準和規(guī)范，促使他們主動思考。在考核環(huán)節(jié)，采用多維度、多元化的考核方法對學(xué)生進行全方位、系統(tǒng)科學(xué)的考核與評價，構(gòu)建了過程性和終結(jié)性評價相結(jié)合的綜合評價體系，由操作過程成績(50%)、考核模式成績(40%)和實驗報告成績(10%)綜合加權(quán)得到實驗成績。

6 結(jié)語

電機類課程虛擬仿真實驗平臺為學(xué)生提供了一個開放自主的實驗條件，為學(xué)生掌握電機類課程理論知識，提高理論聯(lián)系實際能力發(fā)揮了重要作用，目前已開展5個學(xué)期，累計服務(wù)約500人次，并被認定為2021年度湖北省虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。

課程組將進一步完善現(xiàn)有虛擬仿真實驗平臺，優(yōu)化細節(jié)，使虛擬仿真實驗更加接近工程實際；同時，增加實驗項目，包括變壓器參數(shù)測量、電機故障診斷等，使實驗覆蓋面更廣，實用性更強。