虚拟仿真技术在电器学课程实验教学中的推广与应用

虚拟仿真技术在电器学课程实验教学中的推广与应用
作者：李阳蔡燕金亮肖朝霞张献
来源：《科技创新导报》 2013年第32期
李阳蔡燕金亮肖朝霞张献
(天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津 300387)
摘?要：该文针对电器学实验教学中实验设备难短缺的问题，提出将虚拟仿真技术引入到电器学实验教学中。

文中具体论述了在电器学实验中利用MATLAB仿真实现对电弧特性的研究，总结了该技术在电器学实验应用中的具体体会。

关键词：虚拟仿真技术电器学实验教学
中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)11(b)-0106-01
1 将虚拟仿真技术引入电器学实验课程教学的必要性
虚拟仿真技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术[1],它涵盖了网络技术、并行处理技术、多媒体技术、传感器技术、教学图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、高效能的计算技术等多种技术，具有强大的三维显示能力和丰富、方便的人机交互手段,实时交流具有自主性、探索性等特点[2]。

电器学课程属于专业必修课，教学对象为电气工程及其自动化专业本科生。

主要讲授开关
电器的基础理论、基本原理和基本计算方法。

通过本课程的学习，使学生掌握电器的电磁机构
理论、电接触理论、电弧理论和电器发热与电动力理论；掌握电弧的基本特性、熄灭原理；掌
握电器的发热计算、电动力计算、电磁系统计算的基本原理和基本方法。

多年来电器基础理论一直是学习难度较大的专业课程之一，而且该学科是一个多学科交叉
的产物。

教学内容中涉及到的电弧理论、电接触理论等均是抽象的理论，不仅公式推导繁琐，
而且难于理解，因此仅靠课堂教学学生难以深入理解，需要通过实验来配合，方能达到较好教
学效果。

然而目前市面上没有现成的电器学实验台可以购买，如果委托企业单独设计电器学实
验台不但难度较大，而且价格昂贵。

电器学实验是学生理解电器理论、培养创新精神的重要教学形式，借助虚拟仿真技术探索
真实世界中的电器理论定律，既能突破课堂实验教学的制约，又能发挥学生利用适合的时间在
本地计算机上完成实验过程，也没有任何物理实验时空条件的限制。

相对于传统实验模式，虚
拟仿真实验更加容易揭示物理实验的现象与内在规律，也能提供给学生独立创新实验的平台。

因此，虚拟仿真技术引入到电器学的实验教学具有重要意义，值得我们探索和推广。

这不仅是
电器学课程教学内容改革的需要，而且是培养社会主义市场经济急需科技人才的重要组成都分。

2 电器学实验的虚拟仿真
在电器学实验教学大纲中规定的实验项目有：典型电器结构、原理及应用的实验：电器空
心绕组的温升与温升分布；交流电弧特性；直流电弧伏--安特性；交直流磁系统磁通分布的研究。

本文重点介绍利用利用MATLAB软件对开关电器电弧开断进行仿真计算，阐述利用MATLAB
软件平台上构建电弧模型的原理与方法，最后使用自己搭建的电弧数学模型，借助MATLAB的Simulink环境对开关电器电弧开断的定性分析。

以MATLAB软件为平台，利用Simulink／PSB（电力系统模块库）中的元件建立的通用电弧
模型如图１所示。

电弧模型由电压控制的电流源、微分方程编辑器、定值检测、阶跃信号、电
压测量等模块组成。

其中DEE模块属性设置如下图2所示，图中根据Mayr电弧方程进行描述，并按照DEE语法格式要求进行书写。

在仿真模块中将仿真停止时间设置为0.04，求解器选择ode23tb，同时设置好相对误差和
绝对误差并点击确定。

最后点击菜单栏上的开始仿真按钮，如果仿真过程中没有报错即表示搭
建的Mayr模型基本正确。

3 虚拟仿真技术在电器学实验教学中应用的体会
经过不断的教学与实践，有以下几点：
(1)应用虚拟仿真技术,可以丰富教学内容,突破时空限制,恰如其分地演示一些复杂、抽象、不便直接观察的自然过程和现象,全方位、多角度地展示科学内涵。

(2)采用虚拟仿真技术,可构成开放性的教学环境，提供给学生充分发挥想象力的空间。

以
通过验证型、测试型、设计型、纠错型和创新型等不同形式的训练,培养学生的分析、应用能力和创新能力。

(3)将虚拟仿真技术运用于实验教学,将改变以教师为中心的传授式教学模式。

参考文献
[1] 陈守满,姜建国.虚拟现实技术在教学中的应用[J].计算机应用,2002(4):111-112.
[2] 周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2008,22(5):106-109.。