变频调速实验教学改革与实践

摘要：提出了一种适用于以应用技术为主的专业课程的实验教学新思路，即以学习掌握工程应用设计为主要目标，以培养学生的创新能力为根本目的，重点掌握系统的设计思路、设计方法。通过变频调速实验教学实践证明，这种实验教学方法能够很好地提高学生的综合应用及设计能力。

关键词：变频调速；实验教学改革；设计思路

作者简介：魏艳红（1982-），女，山西朔州人，中国计量学院机电工程学院，实验员；许昌（1956-），男，浙江杭州人，中国计量学院机电工程学院，教授。（浙江 杭州 310018）

基金项目：本文系国家自然科学基金项目（项目批准号：61203113）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0104-02

随着变频调速系统在生产实际中的应用越来越广泛，在高等工科院校中加强这门应用技术的教学建设显得越来越重要。[1]变频调速是一门综合性很强的课程，其内容涉及多门专业基础课。例如：“电力电子技术”、“电机拖动”、“自动控制原理”等课程，学生们普遍认为比较难学。学生要想学习变频调速系统必须突出实验教学。[2]实验教学是教学过程中不可分割的重要组成部分，是培养学生理论联系实际，提高工程实践能力的重要实践环节。[3]如何更好地改进实验教学方法，完善实验内容，通过教学和实验环节使学生更好地掌握变频调速系统的工作原理、设计方法和控制技术，是一个值得研究和探讨的课题。

一、专业技术课程实验教学方法探讨

实验类型分为演示性实验、验证性实验、综合性实验、设计性实验四大类。[4]在实验教学中，应根据课程的特点设置不同的实验内容及教学方法。基础课程主要讲授基本原理，其实验内容应以演示性实验和验证性实验为主。专业课程以讲授应用技术为主，而以往许多实验内容的设置仍沿用基础课程的实验教学方法。[5]学生的注意力大多集中在如何按照教师的详细指导，照抄照搬地完成整个实验。一旦出现问题便直接请教教师，很少自己去分析、思考出现问题的原因。在整个实验过程中，学生处在一种被动、盲目的状态，使得学生的主动性和积极性难以得到充分的发挥。[6，7]

因此，在专业技术课程实验教学中应转变思路，一方面实验内容的设置应以设计性、综合性实验为主，把实验的重点放在培养学生的应用设计能力上，[8，9]另一方面应改革实验教学方法。在实验开始之前，实验教师不再讲授实验的具体操作步骤，而是介绍实验仪器设备的使用方法、实验的大致流程及实验的注意事项。其他问题全部交由学生自己思考，出现问题之后，实验教师也不再帮助学生逐一排查错误，而是引导学生自己分析问题，让学生自行去发现原因并解决问题。在每个实验完成之后，需要经过实验教师的确认，实验方算结束。对于在规定时间内不能顺利完成实验的学生，可以向教师申请额外的时间继续完成实验，直到实验结果正确为止。

二、变频调速实验教学内容的改革

教学内容的设计是实验教学最重要的因素之一，但并不是说传统的演示性、验证性实验应该完全摒弃，全部采用综合性或设计性实验。认识是创造的基础，传统的演示性、验证性实验为综合性或设计性实验奠定了坚实的基础。对于变频调速实验教学，笔者从实验装置、实验内容及实验教学方法三方面进行了大胆的尝试与改革。

1.实验装置

之前采用的变频调速装置是KBS-1型可控硅交流调速系统。该系统的主电路采用可控硅串联二极管型交—直—交逆变器，控制部分采用分立模块化设计。该系统的优点是可根据实际需要接成串级调速、电压控制变频调速和转差频率变频调速等多种不同的交流调速控制电路，通用性较强；同时对各个功能单元电路的输入、输出波形可用示波器进行监控，便于了解变频调速系统的结构组成及控制原理。但由于这套装置采用的是各种分立元件插件板式设计，与现在企业应用的变频调速系统相差较大，因此不利于学生掌握最新的变频调速控制技术。

目前在企业的生产实际中，变频调速系统的开发多是根据采购电机的容量、功率的不同选用不同型号的变频器。因此，变频调速实验装置不应再选用各种分立元件组成的控制装置，而应选用三菱FR-S500型变频器作为调速控制器，FX-2N型PLC作为控制核心构建的多电机调速系统。实验时，学生可以通过触摸屏设定运行参数，然后PLC通过D/A转换模块发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度运转，光电编码器将电机速度反馈给PLC模块并显示在触摸屏上。新的实验装置系统示意图如图1所示，该调速系统的选择，改变了过去纯粹原理性的学习，让学生能够学习、掌握先进的变频调速系统的设计方法。

2.实验内容

之前在实验指导书中给出了变频调速系统的电气控制图，实验内容主要包括按照电气控制图连接成各种不同的交流调速电路，并测试该系统的机械特性。这种实验内容的设置，有利于变频调速原理的学习，但与目前企业的实际应用系统有很大的距离。

目前采用了三菱公司的实验装置以后，从实验内容上做了比较大的调整。实验内容总体上为：第一部分主要是相关的基础原理和基本技能训练实验，为验证性实验；第二部分主要设置为设计性和综合性实验。

第一部分主要是学习变频调速系统的电气原理和实际操作，训练学生掌握变频器的基本操作方法，包括变频调速系统的电气接线、控制原理及变频器参数的设置方法，多种变频调速方式以及系统运行状态的监控。

第二部分主要是学习变频调速的三种实现方案：D/A控制模式无级调速；多段速控制模式有级调速；通讯控制模式无级调速。根据上述实现方案分别设置了三个设计综合性实验，以培养学生专业知识的综合应用能力、创新能力，提高学生查阅资料与分析问题的能力，以及实验方法和技能掌握等各项专业能力等。通过该实验的学习，学生需达到以下要求：根据控制模式的不同设置相应的触摸屏界面；通过设置变频器的参数实现不同控制模式的切换；不同控制模式下，编写PLC程序实现相应的功能；记录并分析程序执行过程，观察运行结果是否符合预定要求；运用在线监控功能调试程序，排除故障，对电机运行进行监控。

3.实验教学方法的改革

实验教学在培养学生工程素质、科学素质和能力上具有独特的、不可替代的地位，尤其是对创新能力的培养具有重要的作用。[10]

为了彻底改变实验教学验证理论和学生模仿教师做实验的局面，实验教学方法也应大力改革。笔者尝试的新的实验教学方法是以学习掌握工程应用设计为主要目标，以培养学生的创新能力为根本目的，重点掌握系统的设计思路、设计方法。每一个实验都要有明确完成的总任务，并划分为几个子任务，指导教师通过对实验的每个环节进行把关，以确保实验的顺利进行。

实验前，实验用的程序包括触摸屏的程序、PLC程序等，均需在上机调试前准备好，同时需对相关的文献资料有一定程度的了解，如变频器的操作手册、PLC特殊功能模块的操作手册等。上机调试时，通过在线监控功能、使用强制指令等调试技巧对触摸屏程序、PLC程序中不合理的部分进行修改。同时在调试的过程中，对预习时不懂的地方，可监控其运行结果或请教指导教师，以加深对程序设计的理解。调试完毕后，请指导教师验收。验收时，指导教师需着重考虑程序中存在的问题或者可以完善的地方，以确保程序具有一定的科学性、可行性、创新性，即程序的设计合乎工程实际应用且融入了学生自己的想法。验收合格后，学生需将所编写的程序和文献资料整理成书面报告提交，作为实验成绩的一部分进行考核。

三、实验考核方案的改革

因学生对专业课程理论知识的掌握程度不同，为了提高学生在实验教学中的主动性和积极性，笔者加强了实验教学环节的考核，采用了如下措施：

第一，将现有学生分组，每组至少分配一个专业理论知识比较扎实的学生，负责整个实验项目的工作分工和难题突破，起带头的作用。

第二，各个小组分别预约不同的时间段到实验室独立完成实验项目的分析和设计。

第三，整个实验项目的进行分为三个阶段：熟悉变频调速系统的电气控制图和各个子模块资料，并进行讨论分析；通过小组讨论对实验项目现有的简单程序进行分析和初步的调试，以加深对实验程序的理解；小组独立编写程序，并上机调试。

第四，对各个小组的完成情况进行打分，根据各个小组的成绩和同一小组不同成员的表现，给予最终成绩。

因采用了小组评比的方式，学生的主动性增强；同时同一小组内，每个学生可以根据自己的专业特长和兴趣，自主选择在实验项目中所承担的工作，充分调动了学生学习的积极性；碰到有难题的地方时，学生可采取小组讨论的方式综合考虑系统的各个环节进行解决。这样改革实验考核之后，学生在学习的过程中会联系课堂的知识主动思考，用于解决实验中存在的问题。

四、结语

通过此次实验教学改革发现，学生在实验预习上比以往投入的时间更多；在实验过程中，学生的主动性增强，并且在程序的实际调试过程中学到了很多调试技巧，切实提高了学生的实际动手能力，另外，许多学生对实验的兴趣也有所提高。不过改革也带来了一个突出的问题，即实验学时极大地增加。因为触摸屏程序或PLC程序的调试占据了整个实验的大部分时间，如何灵活、有效的安排实验，是实验教学顺利进行的重要保障。总之，实验教学改革是一项系统工程，任重而道远。只有不断地推动实验教学改革，才能更好地培养学生的综合能力和创新能力。

参考文献：

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[2]李运堂，冯娟.机电一体化课程设计教学内容探索[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2009，（31）：17-18.

[3]胡兆勇，何汉武.“机电传动控制”实验教学改革的探索[J].广东工业大学学报（社会科学版），2006，（6）：153.

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[9]李海燕，赵汗青.实验教学创新的研究与探索[J].实验室研究与探索，2009，28（8）：115-116.

[10]史厚强.在实验教学中培养创新能力的思考[J].高教论坛，2006，（1）：82.