萬 力, 榮 軍, 萬軍華, 安 琪

(湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

計算機仿真技術在直流電動機教學中的應用

萬 力, 榮 軍, 萬軍華, 安 琪

(湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

在電機與拖動課堂教學過程中, 學生普遍感覺教學內(nèi)容復雜而且公式推導繁瑣. 針對此現(xiàn)象, 筆者將計算機仿真軟件引入課堂教學中, 在常規(guī)教學之后通過仿真軟件驗證課堂所學理論. 實踐證明, 可以激發(fā)學生學習興趣, 提高學生聽課效率.

電機與拖動; 課堂教學; 直流電機; 起動電流; 起動轉(zhuǎn)矩

引言

電機與拖動是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門主干專業(yè)課程, 教學內(nèi)容廣泛并且計算公式推導繁瑣復雜, 導致學生學習起來難度比較大[1,2]. 如果教師在課堂教學中采用傳統(tǒng)授課方式, 學生學習效果不佳,學習積極性也不會太高. 針對這種現(xiàn)象, 筆者將計算機仿真技術與常規(guī)教學結(jié)合起來, 在傳統(tǒng)授課之后,通過仿真技術驗證課堂所學理論知識, 教學效果明顯優(yōu)于常規(guī)教學.

1 電機與拖動課堂教學案例

在教材《電機與拖動》[3]第八章中指出: 直流電動機采用直接起動會導致起動電流和起動轉(zhuǎn)矩非常大.對于這個知識點, 傳統(tǒng)授課方式如下:

根據(jù)直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢計算公式推導(在這里以他勵電動機為例), 直流電動機的電樞電壓公式Ua為

直流電機在工作過程中, 電樞電壓Ua與感應電動勢E非常接近, 此時電樞電流Ia不大. 但當E=0時, 而電樞電阻Ra非常小, 因此Ua/Ra非常大, 此時直接起動電流Ia甚至可以達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致繞組燒毀, 這是絕對不允許的. 另外關于起動轉(zhuǎn)矩為什么也很大, 只要根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式就能知道, 其電磁轉(zhuǎn)矩T計算公式為

由式(4)可知若電樞電流Ia在剛起動時為電流額定值的10～20倍, 則T也為額定轉(zhuǎn)矩的10～20倍. 雖然直流電機在起動時希望起動轉(zhuǎn)矩大一些好, 可以起動更加迅速, 從而電機擁有比較好的動態(tài)性能, 但是過大的起動轉(zhuǎn)矩會使電動機轉(zhuǎn)子軸承和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨大沖擊, 從而導致電機和生產(chǎn)機械的損壞, 因此要極力避免. 這是在教師在講直流電動機直接起動的第一個知識點, 需要學生弄清楚. 對于這個知識點學生一般能學懂, 沒什么困難. 教師接著就要介紹直流電機的第二個知識點即直流電機的機械特性. 直流電機的感應電動勢E的計算公式為

在他勵直流電動機中, 當Ua、Ra和If保持不變時, 電動機轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關系稱為機械特性, 如圖1所示.

圖1 直流電動機機械特性圖

第三個知識點是講解直流電動機在平穩(wěn)運行的時候, 突然加載一個負載轉(zhuǎn)矩, 電機轉(zhuǎn)速如何變化？教學過程如下:

當電負載轉(zhuǎn)矩TL突然增大, 此時由于輸出轉(zhuǎn)矩T小于負載轉(zhuǎn)矩TL, 電機轉(zhuǎn)速n如何變化. 對于這個知識點, 根據(jù)筆者多年教學經(jīng)驗, 百分之八十的學生能夠堅持下來并聽下去. 電機轉(zhuǎn)速n下降只能沿著圖1所示的直流電動機機械特性圖向右移動, 從圖1可以清楚看出輸出轉(zhuǎn)矩T會不斷增大, 當T增大到跟負載轉(zhuǎn)矩TL同樣大的時候, 電機又恢復到勻速運行, 達到穩(wěn)定狀態(tài), 只是電機此時的轉(zhuǎn)速n小于原來的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運行.

對于第一個知識點前面三個公式推導不算太難, 當推導到第四個公式時, 由于要涉及到電動勢常數(shù)CE, 其推導過程比較復雜, 這里沒有給出其計算公式, 原因是怕學生由于其計算過程太過復雜, 而失去學習的耐心. 對于第二個知識點是順著第一個知識推導下來, 計算公式也比較簡單, 從而很容易得到電機的機械特性, 從而可以輕松掌握. 對于第三個知識點是由于據(jù)圖分析電機在平穩(wěn)運行時, 突然加負載的情況, 由于據(jù)圖分析比計算公式推導更能夠吸引學生聽課, 學生聽課興趣以及理解程度相對較好. 此時到這里, 一般教師可以結(jié)束本堂課教學, 但是學生下課后沒有興趣繼續(xù)學習后續(xù)知識的動力, 而且學習印象不夠深刻, 教師接下來可將計算機仿真技術引入課堂教學,從而能夠加深學生對課堂所學理論知識的印象.

2 教學過程設計

教師可在課堂中利用五分鐘的時間在MATLAB/SIMULINK中建立直流電動機空載起動和加載的仿真模型, 如圖2所示, 在0.5秒時設置負載為171.4N.m[4～6].

直流電動機直接起動和加負載起動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機轉(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: 直流電機在直接起動時, 起動電流Ia很大, 在0.25秒左右起動電流下降為零(空載起動),起動過程結(jié)束, 這時電動機轉(zhuǎn)速n上升到最高值. 在起動0.5秒后加載為171.4N.m負載, 電動機的轉(zhuǎn)速n立即下降,轉(zhuǎn)子電流Ia增加, 原因在于電機要達到新的平穩(wěn)狀態(tài)時,其輸出轉(zhuǎn)矩T要增大, 直到等于負載轉(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 直流電動機空載起動和加載運行的仿真模型

圖3 直流電動機轉(zhuǎn)速n仿真波形

圖4 直流電動機轉(zhuǎn)子電流Ia仿真波形

圖5 直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩T仿真波形

從上面的教學分析可知, 在理論講解后, 將計算機仿真軟件引入課堂教學, 可進一步加深學生對理論知識的理解, 從而提高課堂學習效果.

3 結(jié)論

經(jīng)過筆者多年的電機與拖動課堂教學證明, 將計算機仿真軟件引入課堂教學中, 可達到以下教學效果:

第一, 計算機仿真軟件的引入, 可以激發(fā)學生學習興趣, 提高課堂學習效果.

第二, 計算機仿真的引入可以達到實驗教學目的, 相對于傳統(tǒng)實驗教學, 課堂上的仿真實驗驗證更加直接, 而且可顯著降低實驗成本.

第三, 學生在課后可以在宿舍, 利用計算機仿真軟件對當天所學的理論知識進行驗證, 比傳統(tǒng)的課后復習, 更加有吸引力, 進一步加深課堂所學理論知識.

綜上所述, 將計算機仿真技術引入電機與拖動課堂教學中, 可達到良好的教學效果, 值得推廣.

[1] 劉素芳, 劉素芬. MATLAB仿真技術在電機與拖動基礎教學的應用[J]. 張家口職業(yè)技術學院學報, 2008, 21(4): 61～63

[2] 王 楓, 侯媛彬. MATLAB在電機系統(tǒng)仿真中的應用[J]. 西安科技大學學報, 2004, 24(4): 507～510

[3] 唐 介. 電機與拖動[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007

[4] 汪明先, 榮 軍, 吳祥營, 等. 基于MATLAB 的直流電動機啟動仿真研究[J]. 電子技術, 2013, 7: 7～9

[5] 李建海, 皮之軍, 張晨亮, 等. Matlab/Simulink仿真技術在電機實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2011, 28(8): 79～82

[6] 晁盛遠, 王 凱, 劉富勇. 直流無刷電機系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 計算技術與自動化, 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

湖南理工學院校級教研教改項目(2015B19)

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