电气传动课程群教学方法探讨

郭丙君

（华东理工大学信息科学与工程学院，中国 上海 200237）

0 引言

电气工程及其自动化专业中一个重要的学科方向是电气传动，其核心课程为电路原理、电力电子技术、电力拖动基础及电力拖动控制系统四门课程， 电气传动课程群间的理论知识具有很强的关系和连续性，电路原理是整个电气传动课程群的基础课程， 电力电子技术和电力拖动基础是电力拖动控制系统的先修基础课程， 电力拖动控制系统课程是电力传动课程群的核心课程， 电力拖动控制系统主要介绍交流调速系统和直流调速系统，并以交流调速系统为主要内容。应该指出电力拖动控制系统还综合应用了自动控制理论，并应用了现代计算机技术进行交直流调速的系统设计，几门课程之间的衔接关系非常紧密， 并且形成了一个完整的理论体系。 在教学过程中如何把握知识之间的衔接，如何过渡是值得进行研究的问题[3]。另外，电气传动课程群在教学过程中由于教学时数的限制往往介绍的是稳态时内容，其过渡过程的内容很多学校是不介绍的，在教学过程将等效电路图的教学方法同样可以应用到实验教学过程中， 利用MATLAB /Simulink仿真技术或者积件库技术求解等效电路图方程，将过渡过程用仿真技术展现出来是很有意义的，开展线上虚拟仿真实验教学，有利于学生理解知识点，提高教学效果。

1 电气传动课程群知识点的认识

电气传动课程群主要由四门课程组成，其关系图如图1 所示，电气传动课程群知识点具有上下衔接关系，其基础是电路原理，主要的理论如替代定理、支路法、节点电压、回路电流、戴维南定理、特勒根定理、互易定理等。 而一个典型的电力传动系统的组成如图2所示。

图中电源部分就是电力电子技术课程，电动机部分就是电力拖动基础课程，控制设备就是现代计算机技术方面课程，也包括自动控制类课程，而电源、控制设备及电动机综合起来就是电力拖动控制系统的课程内容，传动和工作机构就是电气控制装置的机械部分，主要由相关的机械工程课程内容。 电气传动课程群的理论基础是电路原理课程，例如电力电子技术中的晶闸管和IGBT 的工作原理如图3 所示， 其工作原理就是电路理论的应用，电力电子技术中元器件及相应的四大变换电路也均是电路理论的应用。电力拖动基础和电力拖动控制系统课程中的变压器、电动机的等效电路图如图4 所示。同样其分析计算等完全可以应用电路知识来完成，在教学过程中要充分注意知识点的连贯性，强调基础课程在本专业中的重要性。

图1 电气传动课程群的关系图

图2 电力传动系统的组成

应该指出， 在电气传动课程群的教学过程中，目前广泛地应用了自动控制理论及计算机技术的成果，全数字控制的电气传动产品已经广泛地使用了，在电机控制方面出现过很多方案，如转速开环恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、交流电机的无源性控制、后退控制的交流电机控制、以微分几何控制理论为基础的线性化控制、基于逆系统理论的交流电机解耦控制、鲁棒控制。 智能控制在电力传动系统中的应用是其必然的发展趋势，目前已经出现了具有智能控制的交流变频器实际产品，适当地引用案例教学对于提高教学质量很有帮助。

图3 电力电子技术课程中的电力电子器件的等效电路图

2 线上线下实验教学在电气传动课程群教学中的应用

实验教学是电气传动课程群中一个非常重要的教学过程，实现线上实验目前主要有两种方法：（1）基于MATLAB 的仿真实验平台；（2）基于 Internet 的虚拟实验平台。

2.1 基于MATLAB 的仿真实验平台

要实现基于MATLAB 的仿真实验， 同样需要应用到等效电路图的方法，进一步写出微分方程，并进行数值计算来实现。 通过上述的等效电路图，可以进行相应的建模，就可以进行一系列的仿真教学，来加强学生对于电气传动课程群知识体系的认识。笔者在教学实践过程中针对电力电子技术课程开发了一些线上实验项目：晶闸管三相桥式整流器，基于PWM 技术逆变器、交流调压器和直流斩波器的仿真实验。 针对电力拖动控制系统课程开发的实验项目：直流调速系统中的单闭环无静差转速负反馈调速系统、双闭环及PWM 直流调速系统、 交流异步电动机转差功率消耗性调速系统、交流异步电机转差功率回馈型调速系统和交流异步电机转差功率不变形调速系统。

图4 电力拖动基础和电力拖动控制系统课程中的直流电动机、变压器及三相异步电动机等效电路图

2.2 基于Internet 的虚拟实验平台

目前基于Internet 的虚拟实验平台有很多实现方法，这里介绍一种基于积件库技术求解等效电路图方程的仿真方法。 同样是应用了等效电路图的方法，进一步写出微分方程，并进行数值计算来实现的。 将各个元件建立了积件库，提供给学生使用，并且是基于Internet 的虚拟实验平台。

由于本次疫情的关系，笔者在主讲电力拖动基础课程的过程中， 基于Internet 的虚拟实验平台开发了如下的实验项目：直流发电机的输出特性、直流电动机的机械特性、直流电动机的调速和制动、单相变压器的工作特性、三相异步电动机的机械特性、三相异步电动机的调速和制动等。

基于Internet 的虚拟实验平台保持了线上教学对时空的突破，同时学生获得更大的自由空间，并能及时观察到实验的结果是否符合预期，平台为教学效果的检测提供了便利， 也使整个网络实验教学形成了“教学—实验—评测”的闭环，彰显了学生作为学习的主体地位。应该指出学生不善于在课堂上进行面对面的讨论互动，而在网络上讨论是非常热烈的，应该充分发挥线上教学的有力工具，有利于提高教学质量。

应该指出， 实验教学要遵循能实不虚的原则，只有在实物实验有安全问题或者实物实验成本过高时采用虚拟实验， 要实现线上线下实验的混合教学，充分发挥学校现有的实验室资源和线上实验的资源，更加有利于提高电气传动课程群的教学效果。

3 总结

电气传动课程群的知识体系是一脉相承的，应用等效电路图教学是贯彻始终的电气传动课程群教学的一种有效方法， 充分体现了基础课程的重要性，在理论及实验教学过程中可以采用混合教学方法，对于提高电气传动学科的教学质量具有一定的参考价值。