论文部分内容阅读
摘要：智能低压电器实验课程的教学改革对促进电气专业建设发展、提升高校服务地方经济能力等方面都具有积极的意義。为提升实验教学效果，课程组将虚拟仿真技术应用到智能低压电器的实验教学中，并对智能低压电器实验课程内容进行优化调整。文章最后详细阐明了如何将MATLAB软件应用到电机控制实验中。实践教学证明，将虚拟仿真技术引入到智能低压电器实验教学中，不但可以解决实验室场地和硬件条件上的限制，还能提升实验设置和操作的灵活性，教学效果得到很大提高。
关键词：智能低压电器;虚拟仿真技术;实验教学;MATLAB;电机控制
中图分类号：V211.48文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）35-0258-02
1 概述
当前背景下普通地方高校都致力于提升人才培养与区域发展的契合度和支撑度，将自身的专业建设发展与地方经济的建设发展紧密融合，实现双方的相互适应和共谋发展。温州大学作为一所地方综合性大学，坚持“佑启乡邦”，深入实施“面向地方、面向一流”工程，努力走“产学研”结合的发展之路，积极提升服务地方经济建设发展的能力。目前，低压电器仍是温州的支柱产业之一，也是温州的第一产业集群，仅在乐清就集中了3000余家中小企业和30余家大型企业集团[1]。但当前的温州低压电器行业在快速发展的背后隐藏着一个薄弱环节，那就是产品档次低、技术含量低等问题，产业升级一直难以突破困局。为此，温州大学通过开设《智能低压电器》课程，为低压电器行业培养急需的专业技术人才，实现学校产教融合，服务地方经济发展的教学目标。《智能低压电器》作为一门对实操要求很高的课程，需要通过合理设置实验课程来提升学生对低压电器的感性认识和应用能力。智能低压电器实验课程对硬件条件要求高，实验过程中实验耗材消耗大，如在断路器延时保护特性测试实验中需要配置能产生高达上千安培的实验装置，并对断路器进行长时间的开闭动作，极易造成断路器的损坏。此外，智能低压电器实验对场地、硬件设施要求高也导致学生在课余时间无法进行自主实验。随着软件开发技术的不断提高，高精度虚拟仿真技术在低压电器领域得到了越来越广泛的应用[2]。因此将虚拟仿真技术应用到智能低压电器的实验教学中，可以有效解决上述问题，使得学生得到智能低压电器开发的系统训练，为智能电压电器实验教学提供强有力的支撑。
2 基于虚拟仿真的智能低压电器实验内容
实验教学内容的设置是否合理直接决定了实验最终效果。引入虚拟仿真技术使得智能低压电器的实验内容能够摆脱硬件平台等方面的限制。智能低压电器实验内容的优化，不但能够激发学生的学习兴趣，还能使学生能够掌握更加贴近行业需求的技术。优化后的实验内容如下：
1）常用低压电器的认识与使用：通过该实验使学生了解常用低压电器，包括断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等;认识各种低压电器的标牌及标牌上参数的意义;掌握常用低压电器的使用方法。
2）低压电器控制电路实验：通过该实验使学生了解电机电路的原理和连接方法，包括电机控制电路、电机保护电路、电机正反转控制电路等;掌握三相电机智能软启动器的工作原理，利用Simulink设计并优化两种常用电机控制方式[3]：定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制、转矩闭环控制的矢量控制。
3）断路器延时保护特性的测试：通过该实验使学生掌握断路器的工作原理;理解延时保护特性的概念;掌握断路器延时保护的原理和延时保护特性的测试方法;掌握使用等效法测试断路器延时保护特性。引入机械系统动力学自动分析软件（ADAMS： Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）对断路器的延时保护的机械结构进行优化设计[4]。
4）断路器瞬时保护特性的测试：通过该实验使学生理解断路器瞬时保护特性的概念;掌握断路器瞬时保护的原理和瞬时保护特性的测试方法。利用有限元分析软件（ANSYS）和AD-AMS对断路器的瞬时保护的机械结构进行优化设计[5]。
5）断路器智能控制器的设计：该实验是设计性、综合性实验，通过该实验使学生理解断路器智能控制器的工作原理;利用Protues软件设计断路器智能控制器系统[6]，包括系统的硬件和软件;利用MATLAB设计智能断路器系统的平滑滤波算法[7]。
3 教学案例研究：MATLAB软件在电机控制实验中的应用教学实践
MATLAB的含义是矩阵实验室，为Matrix Laboratory的缩写。该软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要用于智能算法开发、数据可视化、数值分析、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、电力电子、电机控制等领域，大体分为MATLAB和Simulink两部分。其中Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是面向系统结构图的方便的仿真工具。Simulink的主要特点就是实时工作，即画出系统图的同时就可得到相应的语言代码，对系统的控制、信号处理和动态系统的算法都可以通过开发模块图自动实现，其结果可在MATLAB工作空间中输出。Simulink支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，及具有多种采样频率的系统，以仿真较大、较复杂的系统。因此，MATLAB中的Simulink完全符合电机控制实验虚拟仿真的需求。
实验首先需要利用Simulink搭建三相交流电机控制电路。三相交流电机控制电路的核心为变频器，其主要完成电能的两项变换功能：一是改变对负载的供电频率;二是改变对负载的供电电压。变频器的工作原理为先将固定频率和电压的交流电整流为直流电，而后再将直流电逆变为频率和电压符合电机工作需求的交流电，即变频器工作在交流一直流一交流的模式中[8]。其中，变频器将固定频率、电压的交流电能整流为直流电能，可以是不可控的，也可以是可控的，需要根据变频器控制输出电压的算法来确定。整流后的脉动直流量需要通过电容滤波器变成平直的直流量。变频器所接的滤波器让脉动的直流量变成平直的直流量，可以对直流电压滤波，也可以对直流电流滤波，根据负载的使用要求和变频器的控制方式而定。为了能够驱动电机运动，还需要通过逆变的方式将平直的直流量转换成特定频率的交流量。逆变的调制方式一般采用SVPWM调制。为了提高电机的动态性能，三相电机控制策略采用转矩外环结合电流内环的矢量控制系统的转矩控制方式[9]，其简易控制结构框图如图1所示。 而后需要设计实现结构框图中的控制器拓扑。图1中ASR为轉速调节器，AψR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，FBS为转速传感器。为提高系统动态性能，三相交流电机常采用矢量控制系统的转矩控制方式，该方式是在电机矢量控制的基础增加转矩闭环控制来实现的。首先，系统需要采样输出电流后进行坐标变换，然后再通过转子磁链定向同步旋转正交变换获得等效的直流电机模型，然后对直流电机模型中的电磁转矩和磁链进行控制，最后对控制器输出量进行坐标反变换获得三相交流电机的控制量。磁链定向矢量控制可以实现定子电流励磁分量和转矩分量的解耦控制。当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。此时，转子磁链调节器力图使转子磁链恒定，而转速调节器则调节电路的转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响最后达到平衡，实现转速ω跟踪定值ω*。此时转速闭环控制能够通过调节电流转矩分量来抑制转子磁链波动所引起的电磁转矩变化，但这种调节只有当转速发生变化后才起作用，导致系统动态性能较差。为此需要在上述控制策略的基础上加入了转矩闭环控制，实现三相电机控制系统的最优动态性能和稳态性能的运行状态。通过将MAT-LAB软件引入到电机控制实验中，在无须硬件配套的基础上使学生掌握三相电机运行控制的原理和操作流程。
4 结束语
经过一个学期的实践教学证明，将虚拟仿真技术引入到智能低压电器实验教学中，不但可以解决实验室场地和硬件条件上的限制，还能提升实验设置和操作的灵活性，教学效果得到很大提高。
参考文献：
[1]王环.智能低压电器实验课程的探索与实践[J].电脑知识与技术，2010，6（12）：3002-3003.
[2]许文良，周英姿，陈正馨，et al.低压电器数字化仿真设计发展和应用[J].电器与能效管理技术，2013（14）：1-4.
[3]李佳宣，李鹏宇，陈庚，等.基于MATLAB/Simulink的变频电机系统能耗实用模型[J].电机与控制应用，2017，44（5）：84-89.
[4]张璐，毛伟伟，梁青，等.足式机器人小腿减振控制研究[J].计算机工程，2018，44（1）：30-34.
[5]肖乐，张玉生，殷晨波.仿人机器人双足行走模型研究[J].计算机工程，2011，37（12）：173-175.
[6]吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus仿真在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79-83.
[7]陈昌明，黄刚，刘勇.一种基于模式匹配法的窄带Iris波导滤波器设计[J].电子器件，2016，39（3）：517-521.
[8]池伟，石庆均，陈宏伟，等.基于双PWM变换器的永磁直驱风电系统控制策略研究[J].机电工程，2012，29（4）：434-438.
[9]谢卫东，程德福，张贤涛，等.基于DSP控制的三相交流电机变频调速系统[J].电力电子技术，2007，41（7）：64-66.
【通联编辑：梁书】
收稿日期：2019-09-25
基金项目：浙江省自然科学基金重点项目（LZ16E050002）
作者简介：王环（1983-），男，浙江温州人，实验师，博士，主要研究方向电力电子技术、新能源发电;叶爱芬（1982-），女，浙江永嘉人，硕士，讲师，主要研究方向为机器学习，自动控制;吴烈（1969-），男，浙江温州人，讲师，博士，主要研究方向为电气工程。
关键词：智能低压电器;虚拟仿真技术;实验教学;MATLAB;电机控制
中图分类号：V211.48文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）35-0258-02
1 概述
当前背景下普通地方高校都致力于提升人才培养与区域发展的契合度和支撑度，将自身的专业建设发展与地方经济的建设发展紧密融合，实现双方的相互适应和共谋发展。温州大学作为一所地方综合性大学，坚持“佑启乡邦”，深入实施“面向地方、面向一流”工程，努力走“产学研”结合的发展之路，积极提升服务地方经济建设发展的能力。目前，低压电器仍是温州的支柱产业之一，也是温州的第一产业集群，仅在乐清就集中了3000余家中小企业和30余家大型企业集团[1]。但当前的温州低压电器行业在快速发展的背后隐藏着一个薄弱环节，那就是产品档次低、技术含量低等问题，产业升级一直难以突破困局。为此，温州大学通过开设《智能低压电器》课程，为低压电器行业培养急需的专业技术人才，实现学校产教融合，服务地方经济发展的教学目标。《智能低压电器》作为一门对实操要求很高的课程，需要通过合理设置实验课程来提升学生对低压电器的感性认识和应用能力。智能低压电器实验课程对硬件条件要求高，实验过程中实验耗材消耗大，如在断路器延时保护特性测试实验中需要配置能产生高达上千安培的实验装置，并对断路器进行长时间的开闭动作，极易造成断路器的损坏。此外，智能低压电器实验对场地、硬件设施要求高也导致学生在课余时间无法进行自主实验。随着软件开发技术的不断提高，高精度虚拟仿真技术在低压电器领域得到了越来越广泛的应用[2]。因此将虚拟仿真技术应用到智能低压电器的实验教学中，可以有效解决上述问题，使得学生得到智能低压电器开发的系统训练，为智能电压电器实验教学提供强有力的支撑。
2 基于虚拟仿真的智能低压电器实验内容
实验教学内容的设置是否合理直接决定了实验最终效果。引入虚拟仿真技术使得智能低压电器的实验内容能够摆脱硬件平台等方面的限制。智能低压电器实验内容的优化，不但能够激发学生的学习兴趣，还能使学生能够掌握更加贴近行业需求的技术。优化后的实验内容如下：
1）常用低压电器的认识与使用：通过该实验使学生了解常用低压电器，包括断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等;认识各种低压电器的标牌及标牌上参数的意义;掌握常用低压电器的使用方法。
2）低压电器控制电路实验：通过该实验使学生了解电机电路的原理和连接方法，包括电机控制电路、电机保护电路、电机正反转控制电路等;掌握三相电机智能软启动器的工作原理，利用Simulink设计并优化两种常用电机控制方式[3]：定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制、转矩闭环控制的矢量控制。
3）断路器延时保护特性的测试：通过该实验使学生掌握断路器的工作原理;理解延时保护特性的概念;掌握断路器延时保护的原理和延时保护特性的测试方法;掌握使用等效法测试断路器延时保护特性。引入机械系统动力学自动分析软件（ADAMS： Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）对断路器的延时保护的机械结构进行优化设计[4]。
4）断路器瞬时保护特性的测试：通过该实验使学生理解断路器瞬时保护特性的概念;掌握断路器瞬时保护的原理和瞬时保护特性的测试方法。利用有限元分析软件（ANSYS）和AD-AMS对断路器的瞬时保护的机械结构进行优化设计[5]。
5）断路器智能控制器的设计：该实验是设计性、综合性实验，通过该实验使学生理解断路器智能控制器的工作原理;利用Protues软件设计断路器智能控制器系统[6]，包括系统的硬件和软件;利用MATLAB设计智能断路器系统的平滑滤波算法[7]。
3 教学案例研究：MATLAB软件在电机控制实验中的应用教学实践
MATLAB的含义是矩阵实验室，为Matrix Laboratory的缩写。该软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要用于智能算法开发、数据可视化、数值分析、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、电力电子、电机控制等领域，大体分为MATLAB和Simulink两部分。其中Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是面向系统结构图的方便的仿真工具。Simulink的主要特点就是实时工作，即画出系统图的同时就可得到相应的语言代码，对系统的控制、信号处理和动态系统的算法都可以通过开发模块图自动实现，其结果可在MATLAB工作空间中输出。Simulink支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，及具有多种采样频率的系统，以仿真较大、较复杂的系统。因此，MATLAB中的Simulink完全符合电机控制实验虚拟仿真的需求。
实验首先需要利用Simulink搭建三相交流电机控制电路。三相交流电机控制电路的核心为变频器，其主要完成电能的两项变换功能：一是改变对负载的供电频率;二是改变对负载的供电电压。变频器的工作原理为先将固定频率和电压的交流电整流为直流电，而后再将直流电逆变为频率和电压符合电机工作需求的交流电，即变频器工作在交流一直流一交流的模式中[8]。其中，变频器将固定频率、电压的交流电能整流为直流电能，可以是不可控的，也可以是可控的，需要根据变频器控制输出电压的算法来确定。整流后的脉动直流量需要通过电容滤波器变成平直的直流量。变频器所接的滤波器让脉动的直流量变成平直的直流量，可以对直流电压滤波，也可以对直流电流滤波，根据负载的使用要求和变频器的控制方式而定。为了能够驱动电机运动，还需要通过逆变的方式将平直的直流量转换成特定频率的交流量。逆变的调制方式一般采用SVPWM调制。为了提高电机的动态性能，三相电机控制策略采用转矩外环结合电流内环的矢量控制系统的转矩控制方式[9]，其简易控制结构框图如图1所示。 而后需要设计实现结构框图中的控制器拓扑。图1中ASR为轉速调节器，AψR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，FBS为转速传感器。为提高系统动态性能，三相交流电机常采用矢量控制系统的转矩控制方式，该方式是在电机矢量控制的基础增加转矩闭环控制来实现的。首先，系统需要采样输出电流后进行坐标变换，然后再通过转子磁链定向同步旋转正交变换获得等效的直流电机模型，然后对直流电机模型中的电磁转矩和磁链进行控制，最后对控制器输出量进行坐标反变换获得三相交流电机的控制量。磁链定向矢量控制可以实现定子电流励磁分量和转矩分量的解耦控制。当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。此时，转子磁链调节器力图使转子磁链恒定，而转速调节器则调节电路的转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响最后达到平衡，实现转速ω跟踪定值ω*。此时转速闭环控制能够通过调节电流转矩分量来抑制转子磁链波动所引起的电磁转矩变化，但这种调节只有当转速发生变化后才起作用，导致系统动态性能较差。为此需要在上述控制策略的基础上加入了转矩闭环控制，实现三相电机控制系统的最优动态性能和稳态性能的运行状态。通过将MAT-LAB软件引入到电机控制实验中，在无须硬件配套的基础上使学生掌握三相电机运行控制的原理和操作流程。
4 结束语
经过一个学期的实践教学证明，将虚拟仿真技术引入到智能低压电器实验教学中，不但可以解决实验室场地和硬件条件上的限制，还能提升实验设置和操作的灵活性，教学效果得到很大提高。
参考文献：
[1]王环.智能低压电器实验课程的探索与实践[J].电脑知识与技术，2010，6（12）：3002-3003.
[2]许文良，周英姿，陈正馨，et al.低压电器数字化仿真设计发展和应用[J].电器与能效管理技术，2013（14）：1-4.
[3]李佳宣，李鹏宇，陈庚，等.基于MATLAB/Simulink的变频电机系统能耗实用模型[J].电机与控制应用，2017，44（5）：84-89.
[4]张璐，毛伟伟，梁青，等.足式机器人小腿减振控制研究[J].计算机工程，2018，44（1）：30-34.
[5]肖乐，张玉生，殷晨波.仿人机器人双足行走模型研究[J].计算机工程，2011，37（12）：173-175.
[6]吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus仿真在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79-83.
[7]陈昌明，黄刚，刘勇.一种基于模式匹配法的窄带Iris波导滤波器设计[J].电子器件，2016，39（3）：517-521.
[8]池伟，石庆均，陈宏伟，等.基于双PWM变换器的永磁直驱风电系统控制策略研究[J].机电工程，2012，29（4）：434-438.
[9]谢卫东，程德福，张贤涛，等.基于DSP控制的三相交流电机变频调速系统[J].电力电子技术，2007，41（7）：64-66.
【通联编辑：梁书】
收稿日期：2019-09-25
基金项目：浙江省自然科学基金重点项目（LZ16E050002）
作者简介：王环（1983-），男，浙江温州人，实验师，博士，主要研究方向电力电子技术、新能源发电;叶爱芬（1982-），女，浙江永嘉人，硕士，讲师，主要研究方向为机器学习，自动控制;吴烈（1969-），男，浙江温州人，讲师，博士，主要研究方向为电气工程。