虛擬仿真技術在智能低壓電器實驗教學中應用研究
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摘要：智能低壓電器實驗課程的教學改革對促進電氣專業建設發展、提升高校服務地方經濟能力等方面都具有積極的意義。為提升實驗教學效果，課程組將虛擬仿真技術應用到智能低壓電器的實驗教學中，并對智能低壓電器實驗課程內容進行優化調整。文章最后詳細闡明了如何將MATLAB軟件應用到電機控制實驗中。實踐教學證明，將虛擬仿真技術引入到智能低壓電器實驗教學中，不但可以解決實驗室場地和硬件條件上的限制，還能提升實驗設置和操作的靈活性，教學效果得到很大提高。
關鍵詞：智能低壓電器;虛擬仿真技術;實驗教學;MATLAB;電機控制
中圖分類號：V211.48文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2019）35-0258-02
1 概述
當前背景下普通地方高校都致力于提升人才培養與區域發展的契合度和支撐度，將自身的專業建設發展與地方經濟的建設發展緊密融合，實現雙方的相互適應和共謀發展。溫州大學作為一所地方綜合性大學，堅持“佑啟鄉邦”，深入實施“面向地方、面向一流”工程，努力走“產學研”結合的發展之路，積極提升服務地方經濟建設發展的能力。目前，低壓電器仍是溫州的支柱產業之一，也是溫州的第一產業集群，僅在樂清就集中了3000余家中小企業和30余家大型企業集團[1]。但當前的溫州低壓電器行業在快速發展的背后隱藏著一個薄弱環節，那就是產品檔次低、技術含量低等問題，產業升級一直難以突破困局。為此，溫州大學通過開設《智能低壓電器》課程，為低壓電器行業培養急需的專業技術人才，實現學校產教融合，服務地方經濟發展的教學目標?！吨悄艿蛪弘娖鳌纷鳛橐婚T對實操要求很高的課程，需要通過合理設置實驗課程來提升學生對低壓電器的感性認識和應用能力。智能低壓電器實驗課程對硬件條件要求高，實驗過程中實驗耗材消耗大，如在斷路器延時保護特性測試實驗中需要配置能產生高達上千安培的實驗裝置，并對斷路器進行長時間的開閉動作，極易造成斷路器的損壞。此外，智能低壓電器實驗對場地、硬件設施要求高也導致學生在課余時間無法進行自主實驗。隨著軟件開發技術的不斷提高，高精度虛擬仿真技術在低壓電器領域得到了越來越廣泛的應用[2]。因此將虛擬仿真技術應用到智能低壓電器的實驗教學中，可以有效解決上述問題，使得學生得到智能低壓電器開發的系統訓練，為智能電壓電器實驗教學提供強有力的支撐。
2 基于虛擬仿真的智能低壓電器實驗內容
實驗教學內容的設置是否合理直接決定了實驗最終效果。引入虛擬仿真技術使得智能低壓電器的實驗內容能夠擺脫硬件平臺等方面的限制。智能低壓電器實驗內容的優化，不但能夠激發學生的學習興趣，還能使學生能夠掌握更加貼近行業需求的技術。優化后的實驗內容如下：
1）常用低壓電器的認識與使用：通過該實驗使學生了解常用低壓電器，包括斷路器、互感器、接觸器、繼電器、按鈕開關等;認識各種低壓電器的標牌及標牌上參數的意義;掌握常用低壓電器的使用方法。
2）低壓電器控制電路實驗：通過該實驗使學生了解電機電路的原理和連接方法，包括電機控制電路、電機保護電路、電機正反轉控制電路等;掌握三相電機智能軟啟動器的工作原理，利用Simulink設計并優化兩種常用電機控制方式[3]：定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環控制的矢量控制、轉矩閉環控制的矢量控制。
3）斷路器延時保護特性的測試：通過該實驗使學生掌握斷路器的工作原理;理解延時保護特性的概念;掌握斷路器延時保護的原理和延時保護特性的測試方法;掌握使用等效法測試斷路器延時保護特性。引入機械系統動力學自動分析軟件（ADAMS： Automatic Dynamic Analysis Mechanical System）對斷路器的延時保護的機械結構進行優化設計[4]。
4）斷路器瞬時保護特性的測試：通過該實驗使學生理解斷路器瞬時保護特性的概念;掌握斷路器瞬時保護的原理和瞬時保護特性的測試方法。利用有限元分析軟件（ANSYS）和AD-AMS對斷路器的瞬時保護的機械結構進行優化設計[5]。
5）斷路器智能控制器的設計：該實驗是設計性、綜合性實驗，通過該實驗使學生理解斷路器智能控制器的工作原理;利用Protues軟件設計斷路器智能控制器系統[6]，包括系統的硬件和軟件;利用MATLAB設計智能斷路器系統的平滑濾波算法[7]。
3 教學案例研究：MATLAB軟件在電機控制實驗中的應用教學實踐
MATLAB的含義是矩陣實驗室，為Matrix Laboratory的縮寫。該軟件是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，主要用于智能算法開發、數據可視化、數值分析、工程與科學繪圖、控制系統的設計與仿真、數字圖像處理、數字信號處理、通訊系統設計與仿真、電力電子、電機控制等領域，大體分為MATLAB和Simulink兩部分。其中Simulink是MATLAB軟件的擴展，是用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，是面向系統結構圖的方便的仿真工具。Simulink的主要特點就是實時工作，即畫出系統圖的同時就可得到相應的語言代碼，對系統的控制、信號處理和動態系統的算法都可以通過開發模塊圖自動實現，其結果可在MATLAB工作空間中輸出。Simulink支持連續與離散系統以及連續離散混合系統，也支持線性與非線性系統，及具有多種采樣頻率的系統，以仿真較大、較復雜的系統。因此，MATLAB中的Simulink完全符合電機控制實驗虛擬仿真的需求。
實驗首先需要利用Simulink搭建三相交流電機控制電路。三相交流電機控制電路的核心為變頻器，其主要完成電能的兩項變換功能：一是改變對負載的供電頻率;二是改變對負載的供電電壓。變頻器的工作原理為先將固定頻率和電壓的交流電整流為直流電，而后再將直流電逆變為頻率和電壓符合電機工作需求的交流電，即變頻器工作在交流一直流一交流的模式中[8]。其中，變頻器將固定頻率、電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，需要根據變頻器控制輸出電壓的算法來確定。整流后的脈動直流量需要通過電容濾波器變成平直的直流量。變頻器所接的濾波器讓脈動的直流量變成平直的直流量，可以對直流電壓濾波，也可以對直流電流濾波，根據負載的使用要求和變頻器的控制方式而定。為了能夠驅動電機運動，還需要通過逆變的方式將平直的直流量轉換成特定頻率的交流量。逆變的調制方式一般采用SVPWM調制。為了提高電機的動態性能，三相電機控制策略采用轉矩外環結合電流內環的矢量控制系統的轉矩控制方式[9]，其簡易控制結構框圖如圖1所示。 而后需要設計實現結構框圖中的控制器拓撲。圖1中ASR為轉速調節器，AψR為轉子磁鏈調節器，ACMR為定子電流勵磁分量調節器，ACTR為定子電流轉矩分量調節器，FBS為轉速傳感器。為提高系統動態性能，三相交流電機常采用矢量控制系統的轉矩控制方式，該方式是在電機矢量控制的基礎增加轉矩閉環控制來實現的。首先，系統需要采樣輸出電流后進行坐標變換，然后再通過轉子磁鏈定向同步旋轉正交變換獲得等效的直流電機模型，然后對直流電機模型中的電磁轉矩和磁鏈進行控制，最后對控制器輸出量進行坐標反變換獲得三相交流電機的控制量。磁鏈定向矢量控制可以實現定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦控制。當轉子磁鏈發生波動時，將影響電磁轉矩，進而影響電動機轉速。此時，轉子磁鏈調節器力圖使轉子磁鏈恒定，而轉速調節器則調節電路的轉矩分量，以抵消轉子磁鏈變化對電磁轉矩的影響最后達到平衡，實現轉速ω跟蹤定值ω*。此時轉速閉環控制能夠通過調節電流轉矩分量來抑制轉子磁鏈波動所引起的電磁轉矩變化，但這種調節只有當轉速發生變化后才起作用，導致系統動態性能較差。為此需要在上述控制策略的基礎上加入了轉矩閉環控制，實現三相電機控制系統的最優動態性能和穩態性能的運行狀態。通過將MAT-LAB軟件引入到電機控制實驗中，在無須硬件配套的基礎上使學生掌握三相電機運行控制的原理和操作流程。
4 結束語
經過一個學期的實踐教學證明，將虛擬仿真技術引入到智能低壓電器實驗教學中，不但可以解決實驗室場地和硬件條件上的限制，還能提升實驗設置和操作的靈活性，教學效果得到很大提高。
參考文獻：
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【通聯編輯：梁書】
收稿日期：2019-09-25
基金項目：浙江省自然科學基金重點項目（LZ16E050002）
作者簡介：王環（1983-），男，浙江溫州人，實驗師，博士，主要研究方向電力電子技術、新能源發電;葉愛芬（1982-），女，浙江永嘉人，碩士，講師，主要研究方向為機器學習，自動控制;吳烈（1969-），男，浙江溫州人，講師，博士，主要研究方向為電氣工程。
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