科教融合的《電機與拖動》的課堂教學

宿州學院機械與電子工程學院 曹吉花 溫 艷 李 彪 朱 光 胡 旋

文章首先闡述了電機與拖動的課程內容，而后介紹了直流電機三種調速方法的仿真研究與實驗研究，并探討了直流電機雙閉環調速系統所涉及的教學內容，最后結合自己的研究課題，將相關研究熱點融入到電機與拖動的課堂教學中，增加學生的學習興趣，提高教學效果。

科教融合這一理念最早是由德國的教育學家洪堡提出的，他第一次在大學內部確立了科研與教育統一的思想，他提出科學應建立在寬宏的人文主義關懷之上，提倡在高等教育中教育與科研有機結合，科教融合成為世界一流大學的核心辦學理念。我國高等教育從科教并重轉向科教融合則是高等教育強國建設的必然選擇?？平倘诤现荚诎呀處煹目蒲谐晒c相關課程的教學內容相融合，以科學探究的方法組織課堂教學活動，提高學生的學習興趣，開闊學生的視野。本人在《電機與拖動》的課堂教學中，結合自己的科研項目，把自己的研究內容、知識和方法等貫穿到《電機與拖動》的課堂教學中去，重塑課程體系和教學方法，提高學生的學習興趣。

1 《電機與拖動》教學內容

《電機與拖動》課程是自動化、電氣工程及其自動化等電類專業普遍開設的一門重要的專業基礎課，該課程的實踐性和理論性都很強，學生在學習過程中需要理解許多抽象概念，既要具有電路的基礎知識又要有磁路的基礎知識，同時還需要掌握電機的起動、調速和制動等應用方法。為了更好的掌握電機的使用方法，學生需要做一些關于電機和變壓器的實驗，由于實驗時電壓比較高，電流比較大，學生對實驗的操作都存在一定的畏懼心理。對于電動機的堵轉、變壓器的短路等具有一定危險性的實驗，學生在操作時更是戰戰兢兢，老師在上課時也是提心吊膽，總擔心學生操作時失誤傷害到學生或者損毀設備。因此《電機與拖動》的理論課和實踐課的教學與學習都具有一定的難度。同時《電機與拖動》又是電氣工程、自動化等專業必修的專業基礎課，電動機更是各種控制方式的研究對象，因此學生必須學好這門課程。本人在《電機與拖動》的教學過程中根據電氣工程、自動化等專業學生將來就業的方向以及當前的研究熱點，注重從直流電機的調速方法研究入手，進行科教融合，把自己的科研成果融入到課堂教學中，明確該課程的發展方向、激發學生對這門課程的學習熱情，提高學生的學習興趣。

2 “科教融合”下的教學內容研究

電機與拖動課程的教學內容較多，根據電氣工程、自動化等專業學生將來就業的方向以及當前的研究熱點，結合本人的科研項目內容，注重從直流電機和交流電機調速方法研究入手，整合教學內容，打破常規的課堂講授教學方式，采用學生自主討論、專業軟件仿真及實驗驗證的方式，使學生掌握直流、交流電機的調速方法。電機的調速是指在負載一定的條件下，根據需要人為改變電機的轉速。直流電機與交流電機的結構不同，其調速的方式也不同。

2.1 直流電機調速方法仿真研究

直流電動機有比較好的調速性能，且應用廣泛。直流電動機的轉速表達式是：

從轉速的表達式可以看出，要改變電動機的轉速有三種方法：（1）降低電樞繞組的電壓Ua；（2）轉子繞組串電阻；（3）改變勵磁電流。

向學生介紹了直流電機的三種調速方法后，為了使學生對電機的調速方法有更直觀的理解，結合PSIM仿真軟件向學生介紹三種調速方法的仿真結果。直流電動機的仿真原理圖如圖1所示，圖2是電樞電壓為220v和180v時直流電動機的轉速仿真波形，從仿真波形可以看出，220V電壓時電機的轉速是1016轉/分鐘，180V電壓時電機的轉速是824轉/分鐘，隨著電樞電壓的降低，直流電動機的轉速降低，降壓調速是向下調速的。同樣可以仿真得到電樞串1Ω電阻和1.5Ω電阻時電動機的轉速波形，串1Ω電阻時，電動機的轉速接近535轉/分鐘，串1.5Ω電阻時電動機的轉速接近294轉/分鐘，隨著電樞串電阻阻值的增加，電動機的轉速降低，調速方向也是向下調。利用PSIM軟件對改變勵磁電流時電動機的轉速進行仿真，2A的勵磁電流時，電動機的轉速是1373轉/分鐘，1.5A的勵磁電流時，電動機的轉速是1630轉/分鐘，隨著勵磁電流的減小，電動機的轉速增加，調速方向是向上的。

圖1 他勵直流電動機的仿真原理圖

圖2 220V與180V電樞電壓時電動機的轉速

2.2 直流電機調速方法實驗研究

利用學院現有的實驗設備對直流電機的三種調速方法進行實驗驗證，直流電機的參數為：Uf =Ua=220V，Rf=75Ω，Ra=0.2Ω，CEΦ=0.175，T=83.56Nm，改變電樞電壓、電樞串電阻、減小勵磁電流調速時電機的轉速如表1所示。

表1 改變電樞電壓、電樞串電阻、減小勵磁電流調速時電機的轉速

2.3 直流電機調速方法的深入研究

直流電動機的調速方法有三種，降低電樞繞組的電壓調速是直流電動機首選的調速方式，這種調速方式調速范圍比較寬，調速的平滑性和穩定性都比較好。但是需要用到可調的直流電源，目前電壓的變化采用PWM技術，通過DSP28335產生需要的PWM波形從而改變直流電動機的電壓，進而改變電動機的轉速。

從電動機的調速仿真波形可以看出，電動機在啟動時轉速波動較大，經過較長的時間才能達到穩定，而且速度受負載擾動較大，為了解決這些問題，工業生產中直流電動機的調速常常采用雙閉環形式，即速度調節器和電流調節器，這兩個調節器采用PI調節器，兩者之間串行連接，電流調節器的最大給定電壓由轉速調節器的最大輸出電壓所決定的，同是它也決定了晶閘管整流器的最大輸出電壓，雙閉環直流調速系統起動過程是接近理想的啟動過程。

直流電機的雙閉環調速是目前研究的熱點，也是工農業生產中常采用的調速方式。結合雙閉環調速的電路原理圖向學生講授電流調節器、速度調節器組成，帶著學生回顧所學過的模擬電子技術的知識，通過PWM調節器、直流斬波電路向學生介紹電力電子技術的知識。通過雙閉環的反饋控制向學生介紹自動控制課程的相關知識。

2.4 科研項目與教學內容融合方案

本人主持了安徽省高校自然科學研究項目：《基于SCADA的煤礦通風機在線監控系統研究》和《基于WinCC及PLC的無極繩連續牽引車綜保系統研究》?！痘赟CADA的煤礦通風機在線監控系統研究》項目主要研究礦用通風機運行時的在線監控，煤礦主通風機是煤礦生產的主要設備之一，擔任著向井下提供新鮮風流，沖淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性氣體和粉塵，防止發生各種傷害和爆炸事故的任務。通風機的運行狀態直接影響整個生產系統的正常運行和安全生產，一旦發生故障將造成巨大的停產損失和安全問題。通風機變頻調速系統利用觸摸屏、PLC、變頻器、主通風機及傳感器組成閉環控制系統?！痘赪inCC及PLC的無極繩連續牽引車綜保系統研究》主要研究煤礦井下無極繩連續牽引車的安全運行，為了使無極繩連續牽引車安全穩定運行，需要添加綜合保護系統，對電機的保護主要有短路保護、過載保護及欠壓保護等。本項目中所用到的電機調速采用PWM控制的調壓調速，其中PWM波形則采用DSP28335產生，即采用數字控制技術，數字控制技術涉及自動控制、單片機技術、數字信號處理、DSP技術等多門課程，是多學科交叉性研究課題。近年來，由于單片機技術的發展，以單片機為控制器的數字控制器在許多的場合取代了模擬控制器，對電動機這一被控對象進行控制。在以上兩個項目完成的過程中，對電機的運行特性、調速及保護都進行了相關的研究，發表了5篇論文，對自己開發的源程序申請了2項軟件著作權保護。

結合自己的2項研究課題向學生介紹電機在工農業生產中的應用，在實際使用中電機調速方法的實現，及為了對電機進行調速所需要學習的其他的課程知識。例如為了使電機穩定運行，快速響應需要用到自動控制的相關內容，為了實現閉環控制需要用到模擬電子技術、傳感器等相關內容，為了產生PWM波形需要用到DSP技術、電力電子技術等相關內容。

3 總結

科研活動與教學過程相融合是一種向學生傳授知識，激發其科研興趣的過程。本人在完成科研項目的過程中，對電動機的調速及保護進行了研究?！峨姍C與拖動》課程的重點是直流電動機、交流電動機的調速，結合自己的研究經歷與研究成果，向學生介紹電機調速系統的研究，激發學生學習興趣，提高教學效果。