计算机仿真技术在直流电动机教学中的应用

万 力, 荣 军, 万军华, 安 琪

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

计算机仿真技术在直流电动机教学中的应用

万 力, 荣 军, 万军华, 安 琪

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

在电机与拖动课堂教学过程中, 学生普遍感觉教学内容复杂而且公式推导繁琐. 针对此现象, 笔者将计算机仿真软件引入课堂教学中, 在常规教学之后通过仿真软件验证课堂所学理论. 实践证明, 可以激发学生学习兴趣, 提高学生听课效率.

电机与拖动; 课堂教学; 直流电机; 起动电流; 起动转矩

引言

电机与拖动是电气工程及其自动化专业的一门主干专业课程, 教学内容广泛并且计算公式推导繁琐复杂, 导致学生学习起来难度比较大[1,2]. 如果教师在课堂教学中采用传统授课方式, 学生学习效果不佳,学习积极性也不会太高. 针对这种现象, 笔者将计算机仿真技术与常规教学结合起来, 在传统授课之后,通过仿真技术验证课堂所学理论知识, 教学效果明显优于常规教学.

1 电机与拖动课堂教学案例

在教材《电机与拖动》[3]第八章中指出: 直流电动机采用直接起动会导致起动电流和起动转矩非常大.对于这个知识点, 传统授课方式如下:

根据直流电机的电磁转矩和电动势计算公式推导(在这里以他励电动机为例), 直流电动机的电枢电压公式Ua为

直流电机在工作过程中, 电枢电压Ua与感应电动势E非常接近, 此时电枢电流Ia不大. 但当E=0时, 而电枢电阻Ra非常小, 因此Ua/Ra非常大, 此时直接起动电流Ia甚至可以达到电枢电流额定值的10～20倍. 电枢绕组的电流过大很容易导致绕组烧毁, 这是绝对不允许的. 另外关于起动转矩为什么也很大, 只要根据电磁转矩的计算公式就能知道, 其电磁转矩T计算公式为

由式(4)可知若电枢电流Ia在刚起动时为电流额定值的10～20倍, 则T也为额定转矩的10～20倍. 虽然直流电机在起动时希望起动转矩大一些好, 可以起动更加迅速, 从而电机拥有比较好的动态性能, 但是过大的起动转矩会使电动机转子轴承和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击, 从而导致电机和生产机械的损坏, 因此要极力避免. 这是在教师在讲直流电动机直接起动的第一个知识点, 需要学生弄清楚. 对于这个知识点学生一般能学懂, 没什么困难. 教师接着就要介绍直流电机的第二个知识点即直流电机的机械特性. 直流电机的感应电动势E的计算公式为

在他励直流电动机中, 当Ua、Ra和If保持不变时, 电动机转速n与电磁转矩T之间的关系称为机械特性, 如图1所示.

图1 直流电动机机械特性图

第三个知识点是讲解直流电动机在平稳运行的时候, 突然加载一个负载转矩, 电机转速如何变化？教学过程如下:

当电负载转矩TL突然增大, 此时由于输出转矩T小于负载转矩TL, 电机转速n如何变化. 对于这个知识点, 根据笔者多年教学经验, 百分之八十的学生能够坚持下来并听下去. 电机转速n下降只能沿着图1所示的直流电动机机械特性图向右移动, 从图1可以清楚看出输出转矩T会不断增大, 当T增大到跟负载转矩TL同样大的时候, 电机又恢复到匀速运行, 达到稳定状态, 只是电机此时的转速n小于原来的转速平稳运行.

对于第一个知识点前面三个公式推导不算太难, 当推导到第四个公式时, 由于要涉及到电动势常数CE, 其推导过程比较复杂, 这里没有给出其计算公式, 原因是怕学生由于其计算过程太过复杂, 而失去学习的耐心. 对于第二个知识点是顺着第一个知识推导下来, 计算公式也比较简单, 从而很容易得到电机的机械特性, 从而可以轻松掌握. 对于第三个知识点是由于据图分析电机在平稳运行时, 突然加负载的情况, 由于据图分析比计算公式推导更能够吸引学生听课, 学生听课兴趣以及理解程度相对较好. 此时到这里, 一般教师可以结束本堂课教学, 但是学生下课后没有兴趣继续学习后续知识的动力, 而且学习印象不够深刻, 教师接下来可将计算机仿真技术引入课堂教学,从而能够加深学生对课堂所学理论知识的印象.

2 教学过程设计

教师可在课堂中利用五分钟的时间在MATLAB/SIMULINK中建立直流电动机空载起动和加载的仿真模型, 如图2所示, 在0.5秒时设置负载为171.4N.m[4～6].

直流电动机直接起动和加负载起动的仿真模型搭建完毕后, 其仿真结果如图3～5所示. 其中图3所示的波形为直流电动机转速n仿真波形, 图4为转子电流Ia仿真波形, 图5为电磁转矩T仿真波形. 从图3～5所示的仿真波形, 可以得到以下结论: 直流电机在直接起动时, 起动电流Ia很大, 在0.25秒左右起动电流下降为零(空载起动),起动过程结束, 这时电动机转速n上升到最高值. 在起动0.5秒后加载为171.4N.m负载, 电动机的转速n立即下降,转子电流Ia增加, 原因在于电机要达到新的平稳状态时,其输出转矩T要增大, 直到等于负载转矩TL. 其中图5所示的电磁转矩仿真波形与图4所示电流仿真波形与电流仿真波形成比例, 与公式(4)完全一致.

图2 直流电动机空载起动和加载运行的仿真模型

图3 直流电动机转速n仿真波形

图4 直流电动机转子电流Ia仿真波形

图5 直流电动机电磁转矩T仿真波形

从上面的教学分析可知, 在理论讲解后, 将计算机仿真软件引入课堂教学, 可进一步加深学生对理论知识的理解, 从而提高课堂学习效果.

3 结论

经过笔者多年的电机与拖动课堂教学证明, 将计算机仿真软件引入课堂教学中, 可达到以下教学效果:

第一, 计算机仿真软件的引入, 可以激发学生学习兴趣, 提高课堂学习效果.

第二, 计算机仿真的引入可以达到实验教学目的, 相对于传统实验教学, 课堂上的仿真实验验证更加直接, 而且可显著降低实验成本.

第三, 学生在课后可以在宿舍, 利用计算机仿真软件对当天所学的理论知识进行验证, 比传统的课后复习, 更加有吸引力, 进一步加深课堂所学理论知识.

综上所述, 将计算机仿真技术引入电机与拖动课堂教学中, 可达到良好的教学效果, 值得推广.

[1] 刘素芳, 刘素芬. MATLAB仿真技术在电机与拖动基础教学的应用[J]. 张家口职业技术学院学报, 2008, 21(4): 61～63

[2] 王 枫, 侯媛彬. MATLAB在电机系统仿真中的应用[J]. 西安科技大学学报, 2004, 24(4): 507～510

[3] 唐 介. 电机与拖动[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007

[4] 汪明先, 荣 军, 吴祥营, 等. 基于MATLAB 的直流电动机启动仿真研究[J]. 电子技术, 2013, 7: 7～9

[5] 李建海, 皮之军, 张晨亮, 等. Matlab/Simulink仿真技术在电机实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2011, 28(8): 79～82

[6] 晁盛远, 王 凯, 刘富勇. 直流无刷电机系统的建模与仿真[J]. 计算技术与自动化, 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

湖南理工学院校级教研教改项目(2015B19)

万 力(1979− ), 男, 湖南岳阳人, 湖南理工学院信息与通信工程学院讲师. 主要研究方向: 智能控制技术