章曉眉

(浙江科技學院工程訓練中心，杭州310023)

電工電子實習是全國各綜合性及理工科高校學生一門必修的實踐性技術基礎課，是工程訓練課程五大模塊之一，是理工科有關專業(yè)教學計劃中重要的實踐教學環(huán)節(jié)之一。電工電子實習充分體現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)的特點，在內(nèi)容上注意了廣泛性、先進性和實用性［1］。在保留實用的傳統(tǒng)工藝的基礎上，增加了對新器件、新技術的介紹。以操作工藝為主線，培養(yǎng)學生的工程意識、動手能力與分析解決工程實際問題的能力，以及工程設計能力和創(chuàng)新精神，提高學生的綜合素質(zhì)。要求學生通過訓練，掌握常用電工工具和常用電工電子測試儀器儀表的使用方法，掌握現(xiàn)代電氣、電子設備制造的工藝流程及操作工藝，會讀圖，會看圖裝配，初步具備小型電動機、變壓器、常用機床電氣控制線路、電子線路等的故障分析與處理能力。

在實施過程中以實踐教學為主，安排學生進行獨立操作，并輔以講解及示范［2-3］。學生通過實習獲得電子電氣的基本知識，形成電子電氣制造生產(chǎn)過程的概念;具有運用電子線路知識的能力和從事電子產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的技能，為進一步學習專業(yè)知識和專業(yè)技能，更好地適應工作崗位打下一定的基礎。

1 調(diào)研階段

對電工電子實習模塊化教學進行社會調(diào)研，對現(xiàn)高校電動機控制電路實訓教學項目進行調(diào)研與引入。

1.1 模塊化教學的意義

電工電子實習模塊化教學按照實習內(nèi)容及任務的不同，分解為各個實習模塊，將整個實習內(nèi)容進行重新構建［4-5］。它不但使學生的學習時間更加靈活和自由，也使課程教學更加靈活，使電工電子實習不但可以作為必修課程，也可以作為選修課程，讓更多的學生根據(jù)自己的專業(yè)、學習興趣、學習基礎、學習能力來更合理地選擇實習內(nèi)容。

通過學生自主選擇實習模塊，更能突出模塊化教學是以學生為主體的教學方式。根據(jù)各高校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃提出的模塊化教學改革，國內(nèi)許多高校已經(jīng)嘗試在電工電子實習課程中進行模塊化教學［6-7］。

1.2 教學現(xiàn)狀

浙江科技學院電工電子實習課程面向大一與大二的學生，按照專業(yè)不同，根據(jù)各專業(yè)培養(yǎng)計劃要求將實習時間安排為1周(非電類工科專業(yè)學生)或2周(電類專業(yè)學生)。在實習的1周或2周中學生暫停所有其他課程，以接受比較全面的工程訓練實踐性教育。為響應學校提出的電工電子實習模塊化教學改革，筆者主要針對電動機雙向轉動控制電路制作與調(diào)試實習項目的模塊化教學進行研究。按照實習內(nèi)容與任務，結合對高校電動機控制電路實訓教學項目的教學現(xiàn)狀的調(diào)研，將整個實習內(nèi)容進行重新構建，分解為4個實習模塊，即主電路、測量電路、接觸器點動和自鎖控制電路、指示電路。

2 實習內(nèi)容設計與構建階段

三相異步電機啟動控制電路設計制作主要是針對電工類和電子類開設的實習內(nèi)容之一［8-9］。通過課程的實踐教學，學生應達到下列教學目標:掌握電工操作規(guī)程，安全用電;熟悉繼電器控制電路的基本元件及特性;掌握簡單繼電器控制電路的基本設計方法，學習實現(xiàn)三相異步電機啟動系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)的保護措施及控制原理;了解電動機啟動的基本原理;掌握根據(jù)原理圖繪制接線圖的方法;掌握基本的電工作業(yè)技能。

電動機雙向轉動控制電路的制作與調(diào)試實習項目原為16學時，每天8學時，兩天連續(xù)實習完成。實習內(nèi)容為電動機雙向轉動控制的主電路、測量電路、控制電路和指示電路制作與調(diào)試。電工電子實習模塊化教學后，學生實習時間分散，每次4學時，原連續(xù)兩天實習的教學任務必然無法完成。因此將實習項目調(diào)整為三相異步電動機的單向啟動控制電路，包括接觸器點動控制電路和接觸器自鎖控制連續(xù)運行控制電路。學時分配為主電路4學時、測量電路4學時、控制電路4學時、指示電路4學時。構建的電動機控制電路實訓教學內(nèi)容體系，包括低壓電器、電路原理電路連接、電路檢查調(diào)試等，設備元件表如表1所示。

表1 設備元件表Table 1 Device component table

三相異步電動機單向啟動控制電路的電源采用380 V的交流電源，由電源開關QF1引入。輸入接線端用來外接電源，即總電路的電源進線端;輸出接線端外接負載，即三相異步電動機。電路需要具有短路、過載、斷相以及電流不平衡的保護功能，有電壓和電流監(jiān)測功能。

2.1 主電路

主電路包括接觸器、輸入輸出接線端、過流及短路保護器件。從接觸器的特性可知，接觸器具有通斷電路的功能，所以可以利用接觸器使電機的進線端得到或失去電源(可控制電機的啟動與否)。輸入接線端用來外接電源，即總電路的電源進線端。輸出接線端外接負載(即電機)用來向電機提供電源，并可通過控制改變輸出接線端上的電壓狀況(有無電壓或何種電壓的相序)來控制電機的運行狀態(tài)。通過控制裝置可使進線端電源在不變的情況下，在輸出端得到所需的電壓。過流及短路保護器件選用的是自動空氣開關和熱繼電器，空氣開關具有短路及過流保護作用，但過流保護相對來而言不是很靈敏，可用來作為整個電路及負載的保護。熱繼電器適用于電機的過流保護，而且動作電流可調(diào)，作為負載的過流保護，可接在輸出接線端之前。主電路的器件位置從進線端到出線端的順序如下:輸入接線端→空氣開關→接觸器→熱繼電器→輸出接線端。

2.2 測量回路

實驗只測量電壓及電流。由于電動機在正常運行時，三相電流強度相同，所以只需測量一相電流強度即可。在工廠實際使用中，在電流較大的情況下，測量電流時電流表不能直接接入主回路，而是利用電流互感器，使電流表處于電流互感器的次級，構成測量電流的二次回路。如果電流表接入主回路，電流表也可以測量電流，但當負載電流很大時，電流表同樣承受很大的電流;當電流過大或其他原因使電流表損壞，則電流表開路，主電路也被斷開。此種接法測量裝置的損壞會影響主回路的工作。

電壓的測量相對簡單，由于電壓表的理論工作狀態(tài)是處于開路狀態(tài)，所以只需讓電壓表的兩端處于所需測試的線路上即可。當電壓表損壞后開路，并不影響主回路的工作。

2.3 控制電路

控制電路的主要作用是控制主電路接觸器的狀態(tài)。從接觸器的特性可知，決定接觸器狀態(tài)的唯一因素是，接觸器的線圈是否承受額定電壓。整個控制裝置的操作部分只有一綠(如圖1中的SB)或一紅一綠(如圖2中的SB1和SB2)的按鈕，所以只需利用按鈕常開及常閉開關來控制接觸器線圈的供電回路，即可控制接觸器的工作狀態(tài)，從而達到控制回路的目的。在實際使用電路中是一種稱為自鎖的連接，如圖2虛線部分所示，通過利用接觸器的一對常開觸點來達到自鎖的目的;當啟動按鈕SB2按下，SB2上的常開開關變?yōu)槌ｉ]開關即SB2導通，接觸器上的輔助常開觸點KM1閉合，當SB2復位，SB2斷開;但接觸器的供電回路仍然是導通的，因為接觸器線圈得電后KM1(圖2虛線部分中的KM1)常開開關變?yōu)槌ｉ]開關。

圖1 接觸器點動控制電路Fig.1 Contactor jog control circuit

圖2 接觸器自鎖控制連續(xù)運行控制電路及指示電路Fig.2 Contactor self-locking control continuous operation control circuit and indicating circuit

2.4 指示電路

指示電路的主要作用是顯示電動機的運轉狀態(tài)。指示燈HL1為電動機停止指示燈，通過交流接觸器KM1的輔助常閉觸點控制;指示燈HL2為電動機運轉指示燈，通過交流接觸器KM1的輔助常開觸點控制。

3 教學實踐階段

主電路電源采用380 V的三相交流電源，由電源開關QF1引入U、V、W三根火線(如圖1～2所示)?？刂齐娐冯娫床捎?20 V的單相交流電源，由電源開關QF2引入W1、N(如圖1～2所示)。因?qū)嵙曈玫碾妱訖C功率只有1.5 kW，故將熱繼電器的整定值設置為最小，即2.5 A，如圖3所示。

3.1 點動控制線路

按圖1點動控制線路進行安裝接線［10］，步驟如下。1)接主電路:主電路采用380 V三相五線制電源，3根火線1根零線1根地線，接入接線端子X1，由低壓斷路器三相空氣開關QF1引入U、V、W;再經(jīng)交流接觸器KM1的主觸頭，熱繼電器FR的熱元件到電動機M的3個線端，用1 mm的電路導線依次串聯(lián)起來。2)主電路連接完畢檢查無誤后，再連接測量電路:測量電路分為電壓測量電路及電流測量電路。電壓測量電路，由接線端子X1的L1、L2、L3開始，經(jīng)萬能轉換開關再接電壓表。電流測量電路是將電流表并聯(lián)在電流互感器上，利用電流互感器使電流表處于電流互感器的次級，構成測量電流的二次回路。3)測量電路連接完畢檢查無誤后，再連接控制電路:控制電路電源采用220 V的單相交流電源，由接線端子X1的第4端(零線N)和三相空氣開關QF1的第3輸出端(W1)接入單項空氣開關(帶漏電保護)QF2開始，經(jīng)過熱繼電器FR的常閉觸頭，按鈕開關SB的常開觸頭，交流接觸器KM1的線圈，最后回到QF2的零線端。

圖3 熱繼電器Fig.3 Thermal relay

接線過程中遵照從上到下，從左到右的順序接線，以防漏線;導線接入元器件時要遵照上進下出的原則，一旦線路有誤可以快速找到錯誤。接好線路，學生使用萬用表按照指導教師講述的線路檢查方法自行檢查，經(jīng)教師檢測未短路后，才可以進行通電調(diào)試。調(diào)試過程如下。

1)將電源線接入接線端子，閉合空氣開關QF1、QF2測試插頭有無短路，未短路，斷開空氣開關QF1，插上電源插頭，閉合空氣開關QF1引入。

2)按住啟動按鈕開關SB，使按鈕開關SB的常開觸頭變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈得電，KM1的主觸頭由常開變?yōu)槌ｉ]，電動機M開始運行;松開按鈕開關SB，即恢復SB的常開狀態(tài)，交流接觸器KM1的線圈失電，KM1的主觸頭恢復常開，電動機M停止運行。

3)實驗完畢，斷開空氣開關QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。

3.2 自鎖控制電路與指示電路

進行自鎖線路接線，主電路與測量電路一致，控制電路經(jīng)過QF2和FR后，接按鈕開關SB1的常閉觸頭、按鈕開關SB2的常開觸頭，在SB2上并聯(lián)交流接觸器KM1的常開輔助觸頭，最后經(jīng)交流接觸器KM1的線圈，回到QF2的零線端。進行指示電路接線，電路經(jīng)過QF2后，接交流接觸器KM1的輔助常閉觸點和輔助常開觸點，KM1的輔助常閉觸點再接指示燈HL1，KM1的輔助常開觸點再接指示燈HL2，最后指示燈HL1、HL2的另一端接零線。接好線路，學生使用萬用表按照指導教師講述的線路檢查方法自行檢查，經(jīng)教師檢測未短路后，才可以進行通電調(diào)試。圖4為浙江科技學院2017級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生在實習過程中按圖2電路連接的實物圖。通電過程如下:

1)將電源線接入接線端子，閉合空氣開關QF1、QF2測試插頭有無短路，未短路，斷開空氣開關QF1，插上電源插頭，閉合空氣開關QF1引入，此時電動機M的停止指示燈HL1亮。

2)按啟動按鈕開關SB2，使按鈕開關SB2的常開觸頭變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈得電，KM1的主觸頭由常開變?yōu)槌ｉ]，電動機M開始運行;松開按鈕開關SB2，即恢復SB2的常開狀態(tài)，此時電動機M并未停止運行。因為KM1的線圈得電，KM1的常開輔助觸頭也由常開變?yōu)槌ｉ]。接觸器的供電回路仍然是導通的(通過接觸器本身的一對觸點)。再按SB2線路狀態(tài)不會改變，這就是稱為自鎖的連接電路［11-12］。此時電動機M的停止指示燈HL1滅，電動機運轉指示燈HL2亮。電動機啟動的瞬間電流達到1.5 A，運行后電流降至1.0 A。

3)按停止按鈕開關SB1，使按鈕開關SB1的常閉觸頭變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈失電，KM1的主觸頭恢復常開，電動機M停止運行。此時電動機運轉指示燈HL2滅，電動機M停止指示燈HL1亮。

4)斷開空氣開關QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。拆除控制回路中并聯(lián)在SB2上的自鎖觸頭KM1。測試未短路后，再接通380 V電源，此時電動機M停止指示燈HL1亮。按啟動按鈕開關SB2，電動機M開始運行;此時電動機M停止指示燈HL1滅，電動機運轉指示燈HL2亮;松開按鈕開關SB2，電動機M停止運行，此時電動機運轉指示燈HL2滅，電動機M停止指示燈HL1亮。對比過程2)與4)的現(xiàn)象可以驗證自鎖觸頭KM1的作用。

5)實驗完畢，斷開空氣開關QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。

圖4 電路實物圖Fig.4 Circuit physical map

4 結語

電工電子實習模塊化教學可以在必修課上先采用培訓的方式進行實踐教學，然后逐步推廣到相關專業(yè)的開放實驗、公共拓展等實踐教學。將模塊化教學在浙江科技學院2017級物聯(lián)網(wǎng)學生實習中模擬，教學中因為學生平時很少動手連接電路線路，實際操作中會出現(xiàn)各種問題，模塊化教學更容易找出學生在實踐中哪個模塊中出現(xiàn)問題。電工電子實習模塊化教學可以根據(jù)學生的基本情況進行分組，完成不同的實習模塊［13］。對于實習能力強、完成快的學生還可以根據(jù)情況完成課堂以外的訓練項目。例如三相異步電機啟動的項目，實習能力強的學生可以接著學習機械互鎖和電氣互鎖完成電動機雙向轉動控制電路，也可以讓這些學生指導實習能力較差的學生，這樣既可以促進學生之間的交流與合作，也可以提高學生查錯排故等綜合能力。電工電子實習模塊教學使學生實習靈活化，是一種以學生為主體的教學方式。

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