高玄怡, 葉 勤, 馬 玲

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院, 北京 100081)

自制儀器在電工強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)課中的使用

高玄怡, 葉 勤, 馬 玲

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院, 北京 100081)

介紹了3項(xiàng)自制儀器在電工課的演示效果,尤其針對強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)演示裝置,演示的是實(shí)驗(yàn)和生活中很少遇到事故發(fā)生的現(xiàn)象,警示性更強(qiáng),更直觀和印象深刻。自制儀器具有超前性和獨(dú)創(chuàng)性,把工業(yè)先進(jìn)技術(shù)引入,使學(xué)生盡早接觸電工技術(shù)的前沿知識,拓寬了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

自制儀器; 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 透明結(jié)構(gòu); 警示作用

電工電子學(xué)課程最重要的培養(yǎng)目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際能力和創(chuàng)新能力[1-2]。強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)歷來是該實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn),因?yàn)樯婕?20 V和380 V強(qiáng)電,存在極大的安全隱患,為此想通過自制儀器的創(chuàng)新構(gòu)造以解決其安全問題。一臺好的自制儀器既是師生進(jìn)行教學(xué)、科研的成果,也是集科學(xué)知識、實(shí)際應(yīng)用、創(chuàng)造發(fā)明、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)于一體的體現(xiàn)[3]。

自制教儀具有很強(qiáng)的針對性,因?yàn)榻處煻际轻槍虒W(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)等研究制作的教具,彌補(bǔ)教具種類的不足[4-5]。自制儀器具有先進(jìn)性,能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的特殊需要[6],能把現(xiàn)代新科技融合到實(shí)驗(yàn)中,讓學(xué)生接受最新的科技成果。

為此,我們自主開發(fā)研制了幾項(xiàng)強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)演示儀器,并已投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)3年,取得了很好的效果,拓展了學(xué)生的思維和領(lǐng)略新知識新技術(shù)的應(yīng)用。

1 空氣斷路器演示裝置

目前,在國內(nèi)外的電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,尚缺少專門的短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。由于短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)屬于高壓、強(qiáng)電和破壞性的實(shí)驗(yàn),具有一定風(fēng)險(xiǎn)。這部分內(nèi)容以課堂講授為主，缺少身臨其境的體驗(yàn),學(xué)生缺少直觀認(rèn)識,影響學(xué)習(xí)效果。為了使學(xué)生很好地理解課堂上所學(xué)的知識,教師在自制儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)思上貫穿了直觀逼真的思想,直觀性很強(qiáng)[7]。借助本實(shí)驗(yàn)裝置在課堂演示,不僅豐富課堂教學(xué)手段,還能使學(xué)生深刻體會空氣斷路器的作用和動作原理。提升“學(xué)以致用”的教學(xué)理念,增強(qiáng)理論課程的實(shí)用性。

1.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的空氣斷路器演示裝置,采用塑殼透明結(jié)構(gòu),直觀明了,可以看清器件內(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu)；并且將220 V電壓轉(zhuǎn)換成低壓弱電(6 V),然后增大驅(qū)動電流,增加工作有效性,確保了安全。電壓降至6 V,再應(yīng)用升流器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換,驅(qū)動電流達(dá)到60 A,大于空氣斷路器額定電流40 A,能達(dá)到動作要求；巧妙地把大電壓低電流轉(zhuǎn)換成低電壓大電流,保證了安全性，還可以在0～60 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流,實(shí)現(xiàn)對應(yīng)空氣開關(guān)不同時間動作,可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)作用。

該空氣斷路器示意裝置包括熔斷器、控制開關(guān)、調(diào)壓器、升流器、顯示電流表、空氣斷路器。

1.2 使用方法

打開電源控制開關(guān),緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器的旋鈕,觀察電流表顯示的電流；當(dāng)電流達(dá)到50 A(大于空氣斷路器的動作電流40 A)時,發(fā)生短路現(xiàn)象,對應(yīng)的空氣斷路器切斷時間約5 s,實(shí)際的空氣斷路器的切斷時間約0.2 s,演示過程引導(dǎo)學(xué)生通過透明的面板結(jié)構(gòu)觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動作,以及切斷時的巨大聲響,給學(xué)生以很好的警示作用。圖1為空氣斷路器演示裝置圖。

圖1 空氣斷路器實(shí)驗(yàn)演示裝置

1.3 效果

空氣斷路器演示裝置為電工學(xué)實(shí)驗(yàn)課程提供了一種形象直觀的教學(xué)工具，采用將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓、增大驅(qū)動電流的技術(shù)思路,確保了設(shè)備在教學(xué)使用中的安全,避免了對儀器的破壞。該裝置主要結(jié)構(gòu)的透明化設(shè)計(jì)保證了教學(xué)演示中的直觀性,警示性更強(qiáng),能高度吸引學(xué)生的注意力,引發(fā)學(xué)生思考,有利于學(xué)生主動參與,并將知識具體化,便于學(xué)生對知識的理解和掌握。在電工與電子技術(shù)課程3年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得很好效果。此裝置目前已申請專利。

2 熱繼電器演示實(shí)驗(yàn)裝置

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在購買的教學(xué)儀器越來越高級,越來越集成化,也越來越封閉[8-9]。工業(yè)用的熱繼電器都是密閉的,看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對其原理的掌握。為此基于教學(xué)需要研制了放大版透明的熱繼電器演示裝置。

2.1 設(shè)計(jì)思路

電路設(shè)計(jì)要有控制電流選擇:1倍,1.5倍,2倍額定電流3個檔位,通過計(jì)時器能夠觀測不同電流倍率下熱繼電器的動作時間,同時配有電流表顯示電流值的大小。通過電流值選擇和對應(yīng)切斷電源時間的不同,讓學(xué)生理解熱繼電器與空氣斷路器的區(qū)別及熱繼電器電流參數(shù)選擇的意義。圖2為熱繼電器演示裝置前面板圖。

圖2 熱繼電器演示裝置前面板圖

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及效果

熱繼電器采用透明結(jié)構(gòu)(見圖3),能清楚看到雙金屬片、黃色連桿和各觸點(diǎn)等內(nèi)部結(jié)構(gòu),并能夠觀察到雙金屬片彎曲和連桿帶動觸點(diǎn)的動作過程。220 V電源經(jīng)過變壓器輸出6 V和24 V電壓,24 V電壓給中間繼電器提供電壓,控制起動開關(guān)的動作；6 V電壓給熱繼電器電路供電；通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別接電阻R1(4 Ω)、R2(3 Ω)、R3(2.4 Ω)控制電流1倍、1.5倍、2倍額定電流(電流表顯示)3個檔位。當(dāng)電路接通時能分別觀察對應(yīng)3個檔位時熱繼電器的動作:不動作和分別經(jīng)過26 s、1.56 s的熱繼電器脫扣動作,在計(jì)時器上顯示時間出來。每次動作完成后按下計(jì)時器的按鈕可以使計(jì)時器清零。

圖3 熱繼電器的透明結(jié)構(gòu)

此實(shí)驗(yàn)裝置能很好地讓學(xué)生了解到熱繼電器的工作過程和參數(shù)選定的意義。

3 PLC控制變頻器多速演示裝置

3.1 設(shè)計(jì)方案

通過PLC編程控制變頻器的調(diào)速,驅(qū)動三相異步電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),觀察其不同轉(zhuǎn)速,讓學(xué)生能很好地理解變頻器改變頻率并控制轉(zhuǎn)速；讓PLC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)出來,使學(xué)生更直觀感受現(xiàn)代科技的應(yīng)用,保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。

3.2 結(jié)構(gòu)及功能

該演示裝置包括變頻器、可編程邏輯器、開關(guān)控制、電動機(jī)4大部分。 變頻器選用SANCHS900系列變頻器,輸入電壓380 V,輸出電源三相0～460 V,輸出頻率0.1～400 Hz；PLC選用西門子S7-200系列。圖4為PLC控制變頻器多速演示裝置，圖5為其內(nèi)部接線圖。

圖4 PLC控制變頻器多速演示裝置

圖5 PLC控制變頻器多速演示裝置內(nèi)部接線圖

可演示3種不同控制方式下變頻器的7段不同速度:

(1) 通過選擇“手動開關(guān)”手動控制變頻器的7段不同速度,對應(yīng)地顯示三相異步電動機(jī)的7種轉(zhuǎn)速；

(2) 通過選擇“自動開關(guān)1”，由PLC編程控制變頻器7段速度帶動電機(jī)自動運(yùn)行；

(3) 通過選擇“自動開關(guān)2”，操作變頻器的面板頻率旋鈕控制0～50 Hz頻率對應(yīng)的電動機(jī)不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

3.3 效果

該裝置操作簡單、方便，安全可靠。不僅讓學(xué)生直觀觀測到變頻器的作用——變頻率變速,融入先進(jìn)的科技產(chǎn)品——PLC和變頻器,也結(jié)合PLC讓學(xué)生體會到自動化控制在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,并形成系統(tǒng)控制概念。同時，可以讓學(xué)生獨(dú)立地安全操作,加深體會,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。很好地體現(xiàn)了自制儀器具有的開拓性和創(chuàng)新性。自制儀器有助于改進(jìn)教學(xué)方法和解決教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn),對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力有顯著的作用。

4 取得的效果和作用

提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,始終是實(shí)驗(yàn)教學(xué)永恒的主題[10].實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論學(xué)習(xí)的外延,不僅是對理論知識的驗(yàn)證,也是對知識探索的過程,是學(xué)生邏輯思維建立的過程,學(xué)習(xí)科研思想的過程[11]。研制的3項(xiàng)自制演示儀器,是教師按照實(shí)際教學(xué)需要創(chuàng)造性地研制出的合適的教學(xué)儀器,設(shè)計(jì)思路獨(dú)創(chuàng),不僅符合科學(xué)性,更有創(chuàng)新性,是在市場上購買不到的獨(dú)特的產(chǎn)品,是教師針對教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)研制的成果,其針對性強(qiáng)。在3年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中取得了很好的收益和效果。通過自制教學(xué)儀器的使用,有助于學(xué)生直觀地看到所學(xué)理論能夠達(dá)到的實(shí)際效果,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)探索能力[12]。同時教師在設(shè)計(jì)和制作過程中也提高了自身的專業(yè)水平,促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。

References)

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Application of self-made instruments in electrical strong current experimental courses

Gao Xuanyi, Ye Qin, Ma Ling

(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The demonstration effects of the three self-made instruments in the electrical engineering courses are introduced. Especially for the strong current experimental demonstration device, what is demonstrated is the accident phenomena which rarely happen in the experiment and life, and it is more alert, more intuitive and more impressive. The self-made instruments are advanced and original. By introducing the industrial advanced technology, the students are able to learn the cutting-edge knowledge of electrical engineering, broadening the students’ academic vision.

self-made instrument; experimental teaching; transparent structure; warning function

G484

: B

: 1002-4956(2017)09-0082-03

2017-03-04

北京理工大學(xué)校級自制儀器立項(xiàng)項(xiàng)目

高玄怡(1968—),女,吉林長春,工學(xué)碩士,高級實(shí)驗(yàn)師,主要從事電工學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail:gaoxuanyi@bit.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.021