“电机学”课程研究型教学探讨

张 岭，邵天章，栗彦辉，杨润生

(军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003)

本文从电气工程专业能力素质结构和要求出发，说明了课程内容设置要求改革的必要性;我们以“电机学”课程中自激异步发电的教学实施作为切入点，对课程教学环节如何体现专业特色，实施研究型教学，提高学生的科研学术能力和装备技术能力作了有益探讨。

野战电力支持系统是一个典型的有限容量独立供电系统，有别于地方高等院校电力系统及其自动化专业的无限大容量电源系统。根据解决问题对象的不同，笔者在教学实施过程中，部分基础课教学内容采用了不同的侧重点。以“电机学”课程中自激异步发电部分的教学为例，地方高等院校教学要求较低，只需了解所涉及问题的物理概念，了解与问题直接有关的物理意义，能利用公式计算较简单问题即可。而我们则应本着面向装备教学的思想，从提高学生的科研学术能力和装备技术能力出发，对于可作为独立电力系统中发电模块的异步发电机的教学提出更高要求。

1 自激异步发电教学环节设计

1.1 工作原理与等值电路

我们简单介绍异步电机作为独立发电模块的优势，从电机可逆运行原理的角度向学生说明异步发电机运行方式的理论依据。在机端并联电容后，由于容性电流产生的定子磁动势的增磁作用而建压，等值电路的推导过程详见文献［1］，其等值电路如图1所示。

图1 异步发电机等值电路

上图中f1为实际运行时定子电流频率的标么值;RL+jXL为负载每相的电阻和电抗;和iL为定子边频率 f1时的相电势和相电流;异步发电机机端电压;R1为定子每相电阻;X1为基值频率下的定子每相电抗;XC为基值频率下的端电容容抗;n为转子转速标么值;为转子边频率对应的相电流折算值;R2为转子每相电阻折算值;X'2为基值频率下转子每相电抗折算值;Xm为激磁电抗。

1.2 自励电容值的选择

自激异步发电机的频率和电压与电机转速、机端电容和负荷关系密切。异步发电机端电压的建立是其稳定运行的基础，建压电容值的确定则为电压建立之关键。内燃机驱动的自激异步发电系统稳态运行时转速变化较小，因此定子频率的变化范围很小，不考虑定子频率而只根据设定的端电压有效值来确定电容值有着实际的意义。计算建压电容值通常是从发电机的等值电路出发，令等值电路回路阻抗或节点导纳的实部和虚部分别为零，联立方程求解。

(1)以特定运行情况(空载和纯电感负载)的电容求解为例进行说明，同时给出截止转速的概念。

(2)优化法求解建立给定电压时的自励电容:以等值电路为基础，选择合适的目标函数，在满足约束条件下通过优化方法计算电容值，这有别于通过求解高次方程求电容值的常规方法。向学生介绍优化法求解自励电容的程序框图。

2 自激异步发电研究型教学

自激异步发电研究型教学的实施对教师提出了较高要求，要求他们拓展教学和科研思路，善于把科研成果融入到教学实践中去。笔者将基金项目“柔性配电技术在军用供电系统中的应用仿真研究”中的部分研究成果，引入到自激异步发电的教学环节中，实现了教学科研的良性互动。

2.1 内燃机驱动的自激异步发电系统

(1)异步发电机建模仿真理论与实现

我们基于Matlab软件建立了异步发电机仿真模型。Matlab中SimPowerSystems库中的异步电机模型的核心是d-q坐标系下的异步电机的状态方程，电机参数为常数时不变，不适合于异步发电机系统的仿真。自激异步发电机通过建立状态空间方程可以得到较好的描述。两相静止坐标系下的异步发电机带感性负载时的通用状态方程参见文献［2］。

电机采用如下参数:2.2kW，三相四极，50Hz，415V，4.5A，Y 接法，1440rpm，Rs=3.84Ω ，Rr=2.88Ω，Xls=4.46Ω，Xlr=4.46Ω ，阻抗基值 53.24Ω 。当发电机的磁路饱和程度不同时，定转子绕组之间的Lm互感 数值将会发生变化，即互感是励磁电流的函数［3］。该函数关系为

其中励磁电流可以用定转子电流来表示，im=，通过编写M文件实现上述函数关系，建立模型。

(2)内燃机建模仿真实现

内燃机模型采用节气门控制的调速系统，按照四冲程火花点火汽油机工作原理可知，模型由进气冲程、压缩冲程和转矩产生与加速(燃烧冲程)三部分构成，如图2 所示［4］。

图2 小型内燃机模型

(3)异步发电机与内燃机接口实现

我们先将内燃机的输出角速度直接作为异步电机的输入;然后计算异步电机输出功率，根据T=(P×9.55)/n得到负载转矩，在内燃机的加速度计算模块中，根据N=(Teng－Tload)/J，积分后得到内燃机的转速。以内燃机为原动机的自激异步发电系统的整体仿真图如图3所示。

图3 内燃机驱动自激异步发电系统模型

(4)仿真演示实验

我们以已建立的内燃机驱动的自激异步发电系统为例，向学生演示对投入阻性变化负荷时的原动机转速、转矩和异步发电机的电压、电流和功率的变化情况并对比有无原动机时电压的变化情况，详见文献［5］。

2.2 研究型教学方法探讨

(1)基于验证的研究型教学

本文以院基金项目的科研成果“内燃机驱动的自激异步发电系统”为学员生的仿真实验平台，指导他们完成参考文献中已有结论的验证工作。

(2)基于前沿跟踪交流的研究型教学

随着电力电子技术的迅猛发展，出现了在电站中采用无功补偿器与异步发电机相结合代替同步发电机的方案，相比于机端电容的建压方式，在改善自激异步发电系统中的电压调节能力方面具有巨大优势。我们在负荷变化时为了维持机端电压采用优化法计算所需无功容量的大小和对应的电容值的方法，详见文献［7］。我们指导学生进行了深层次的应用研究。

3 结语

本文针对我校面向野战电力支持系统所具有的有限容量独立电源供电的特点，指出专业基础课程部分教学环节要求有别于地方高等院校的必要性。创新教学模式和教学手段多样化对从事专业技术教学的教员提出了更高要求。我们以内燃机驱动的自激异步发电系统为仿真实验平台，将已有科研成果融入到教学环节，实现了教学、科研良性互动。本文还探讨了基于验证的和基于前沿跟踪交流的研究型教学方法，指导学生查找国内外相关文献深入学习研究，激发了学生学习的主动性和积极性，增强了学生的科研学术能力和装备技术能力。

［1］ 刘天璋.自励三相异步发电机稳态运行性能的研究［D］.青岛:青岛大学.2005

［2］ P.C.Krause，Analysis of Electrical Machinery.New York:McGraw-Hill，1986

［3］ S.N.Mah6ato，M.P.Sharma，S.P.Singh.Analysis of Transient Behavior of a Single-Phase Self-Regulated Self-Excited Induction Generator using a Three-Phase Machine［J］.Proceedings of IEEE，2006

［4］ 郭军华，张敏，罗挺等.小型汽油机调速系统建模与仿真研究［J］.北京:计算机仿真.Vol 22(3)，pp.74-77 2004.05

［5］ 张岭，邵天章，栗彦辉等.内燃机驱动的自激异步发电系统建模仿真研究.［J］.常州:工矿自动化.2011.05

［6］ Alolah A L，AlkanhalM A.Optimization-Based Steady State Analysis of Three Phase Self-Excited Induction Generator［J］.IEEE Trans on EC，2000，15(1):61-65

［7］ Bhim Singh，S.S.Murthy，Sushma Gupta.Analysis and Design of STATCOM-Based Voltage Regulator for Self-Excited Induction Generators［J］.IEEE Trans on EC，2004，19(4):783-790