摘 要 為切實解決三相交流異步電動機(jī)實驗危險性高、操作復(fù)雜等教學(xué)難點(diǎn)，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)沉浸感強(qiáng)、交互性好、輔助抽象思考的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計與開發(fā)一套三相交流異步電動機(jī)控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統(tǒng)。作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的延伸與拓展，該系統(tǒng)集成演示驗證、設(shè)計探究和綜合應(yīng)用等多種實驗形式，使學(xué)生能夠獨(dú)立、系統(tǒng)地參與實驗，提高其解決工程實際問題的能力。

關(guān)鍵詞 三相交流異步電動機(jī)；虛擬仿真實驗；實訓(xùn)；虛擬仿真實驗系統(tǒng)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0050-05

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動控制的需求提升，需要對拖動生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)起動、停車、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速等進(jìn)行控制。與其他電機(jī)相比，三相交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護(hù)便捷，并且具備高效和優(yōu)越的工作性能，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1-3]。三相交流異步電動機(jī)的繼電控制及故障診斷成為工科電氣工程類和非電類專業(yè)開設(shè)的電氣自動控制、電工技術(shù)和電工電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程的重要教學(xué)內(nèi)容，涵蓋三相交流異步電動機(jī)和電氣控制兩個章節(jié)，而三相交流異步電動機(jī)繼電控制實驗也因此成為這三門課程的主要實驗項目之一。

三相交流異步電動機(jī)的電氣控制實驗通常是在電工實驗室電工綜合實驗臺上進(jìn)行，存在的問題有：

1）三相交流電存在安全隱患，學(xué)生有時帶電操作；

2）由于實驗臺集成化，學(xué)生看不到電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動作執(zhí)行過程；

3）實驗中主要是學(xué)生接線，發(fā)生故障的概率比較低，故障原因大多為接線錯誤，學(xué)生能了解的故障有限，無法適應(yīng)實際工程應(yīng)用需求；

4）學(xué)生機(jī)械化連線，缺少理論聯(lián)系實際的能力，實驗缺少對學(xué)生相關(guān)知識掌握情況的考核。

針對這一現(xiàn)狀，開發(fā)三相交流異步電動機(jī)繼電控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統(tǒng)（以下簡稱虛擬仿真實驗系統(tǒng)），以便學(xué)生能夠了解三相交流異步電動機(jī)、交流接觸器、熱繼電器等常用電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉三相交流異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)和電氣控制原理，能夠進(jìn)行多種故障診斷排查。同時通過知識點(diǎn)測試進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的測驗，進(jìn)一步加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的掌握。此外，該系統(tǒng)也可以作為線下實驗的預(yù)習(xí)工具，幫助學(xué)生提前熟悉實驗內(nèi)容和操作流程。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)

1.1 知識目標(biāo)

了解三相交流異步電動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部連線方式；理解交流接觸器、熱繼電器和按鈕的結(jié)構(gòu)及其在控制電路中的應(yīng)用；掌握三相交流異步電動機(jī)基本控制電路的接線方式、自鎖和互鎖的概念；掌握萬用表檢查控制電路的方法。

1.2 能力目標(biāo)

能夠分析復(fù)雜工程實際問題中抽象出來的電氣控制線路模型，并具備發(fā)現(xiàn)、分析和解決電氣控制線路故障的能力。

1.3 素質(zhì)目標(biāo)

養(yǎng)成安全用電意識，增強(qiáng)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)過程

1）參照三相交流異步電動機(jī)控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統(tǒng)的操作說明書，掌握該系統(tǒng)的基本操作與相關(guān)功能，以及每個模塊功能的操作步驟和要求。

2）通過對三相交流異步電動機(jī)和控制電氣基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，了解并掌握三相交流異步電動機(jī)和控制電氣的組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、功能原理等知識。

3）掌握三相交流異步電動機(jī)及控制電器的正確拆卸步驟與規(guī)范。

4）通過對三相交流異步電動機(jī)直接起動、正反轉(zhuǎn)控制電路的接線練習(xí)，掌握在實驗臺上進(jìn)行接線的正確步驟及注意事項，如交流接觸器的主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)的連接等。

5）通過控制電路故障診斷模塊的練習(xí)，了解并掌握控制電路檢修的常規(guī)工具及方法，會熟練使用電氣儀表，并強(qiáng)化三相交流異步電動機(jī)的控制原理及電氣所起的作用等知識。

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)模塊設(shè)計

虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與虛擬實訓(xùn)操作相結(jié)合的實驗教學(xué)方法，讓學(xué)生在虛擬仿真實驗過程中獲得更加直觀、真實的實驗體驗，既可以加深學(xué)生對專業(yè)知識和實訓(xùn)操作的理解，又可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識[4-6]。

虛擬仿真實驗系統(tǒng)包含理論學(xué)習(xí)、虛擬實訓(xùn)和知識測驗三個模塊，如圖1所示。理論學(xué)習(xí)模塊包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知和動畫演示，方便學(xué)生回顧和掌握相關(guān)電氣設(shè)備的理論知識。虛擬實訓(xùn)以沉浸式人機(jī)交互的形式，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境和實驗設(shè)備上進(jìn)行操作，包括實操模擬和挑戰(zhàn)度。實操模擬是在虛擬實驗臺上進(jìn)行控制線路連接，包括識讀、起動、高階三個子模塊，在該模式下系統(tǒng)提供文字、3D高亮、邏輯約束等標(biāo)識，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗。挑戰(zhàn)度即故障排查模式，該模式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行逆向思維，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析故障原因、嘗試解決問題并進(jìn)行故障解決方案的驗證等，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和解決復(fù)雜工程問題能力[7-8]。知識測驗?zāi)K通過判斷和選擇等客觀題型，對該實驗所涉及的相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行測驗，以幫助學(xué)生鞏固和加深理解所學(xué)知識。

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)涵蓋理論知識學(xué)習(xí)、基礎(chǔ)驗證型實驗、綜合設(shè)計型實驗和研究探索型實驗。理論知識學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)驗證型實驗以學(xué)生自學(xué)為主。綜合設(shè)計型實驗和研究探索型實驗包括大量交互性操作、手動布線方式，每步都有可視化操作和正確布線方式的提示。故障排查則是從全局進(jìn)行電路檢修，引導(dǎo)學(xué)生以全局的觀點(diǎn)進(jìn)行故障排查和驗證，提高學(xué)生的知識應(yīng)用和綜合分析能力。

1）理論知識學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)驗證型實驗。理論知識學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)驗證型實驗共有三個子模塊，即圖1所示的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、動畫演示和識讀，各子模塊的內(nèi)容和作用如下。

①結(jié)構(gòu)認(rèn)知：了解三相交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制電路組成及其各電氣元件的作用。三相交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)以及定子、轉(zhuǎn)子各部分元件的作用，是了解三相交流異步電動機(jī)工作原理和進(jìn)行電路分析、起動、制動和調(diào)速的基礎(chǔ)[9]。

②動畫演示：演示基礎(chǔ)驗證型實驗。各控制元件在常態(tài)和保護(hù)狀態(tài)時的動作是不一樣的，因此需要了解其工作原理。在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，通過動畫演示的形式給出各控制元件工作時的動作，以幫助學(xué)生理解元件在控制回路中的作用。

③識讀：識別三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)。看懂三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)是正確使用電動機(jī)的基礎(chǔ)。

2）綜合設(shè)計型實驗和研究探索型實驗。起動子模塊屬于綜合設(shè)計型實驗，包括三相異步電動機(jī)點(diǎn)動控制、聯(lián)動控制，即按照順序連接直接起動控制電路的連線。研究探索型實驗包括故障排查和正反轉(zhuǎn)控制。由于三相異步電動機(jī)的控制電路涉及的電氣元件較多且線路復(fù)雜，因此，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，需要進(jìn)行故障診斷。故障有很多種，包括接觸器不動作；接觸器動作，但吸合不上；接觸器噪聲大；接觸器線圈冒煙；電動機(jī)不轉(zhuǎn)動等[10]。

4 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用過程

三相異步電動機(jī)控制及故障診斷虛擬仿真實驗通過三維交互、圖片、文字和視頻等多種形式，完整地將實驗流程仿真再現(xiàn)，涵蓋實際實驗操作中的所有步驟，將實驗中用到的電氣設(shè)備都詳細(xì)解釋說明，可以讓學(xué)生完整地體驗實驗過程，也可以指導(dǎo)學(xué)生的實際操作實驗，提高準(zhǔn)確率和完成度。三相異步電動機(jī)控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統(tǒng)擁有后臺支持，可以管理賬號和記錄測驗分?jǐn)?shù)。與同類型仿真實驗系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有更好的用戶體驗、簡約的操作界面、貼心的步驟指引提示，能讓非電專業(yè)學(xué)生輕松完成實驗操作，并對實驗內(nèi)容印象深刻。

學(xué)生在首界面登錄成功后，進(jìn)入實驗?zāi)K選擇頁面，該頁面包括元件拆解、控制連接、故障排查和考核測試。

4.1 元件拆解

學(xué)生進(jìn)入元件拆解界面后，可以選擇控制元件中的三個復(fù)雜設(shè)備及元件，即三相交流異步電動機(jī)、熱繼電器和交流接觸器，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及觀看其動作演示。圖2所示為三相交流異步電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解圖。

4.2 控制連接分模塊

學(xué)生進(jìn)入控制連接界面后，界面左側(cè)會有控制連接步驟指引，界面下側(cè)有詳細(xì)的步驟說明，界面右上角有“返回”按鈕可以返回到模塊選擇界面，如圖3所示。

4.3 故障排查

系統(tǒng)內(nèi)置16種常見故障，每次隨機(jī)出現(xiàn)一種，學(xué)生通過觀察電機(jī)出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象，預(yù)判故障原因，之后檢查各個電器設(shè)備和線路，找到正確的故障原因。在該過程中，學(xué)生不僅可以提高處理故障的能力，還可以加深對電路系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)功能的理解。因此，通過不斷地故障排查預(yù)演，可以極大地提高學(xué)生處理電路故障的能力。界面下側(cè)有操作指引，在左側(cè)故障篩查的指引下進(jìn)行故障排查，如圖4所示。

排查結(jié)束后，需要提交故障原因，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)選項確定學(xué)生是否已找到正確的故障原因，并給出提示。

4.4 考核測試

主要對學(xué)生的理論知識掌握程度、三相異步電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、直接起動布線、正反轉(zhuǎn)控制、故障診斷等方面進(jìn)行考核。從系統(tǒng)庫中隨機(jī)抽取20道客觀題讓學(xué)生作答，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的結(jié)果給出測試結(jié)果，每題得分和總計分值顯示在右上角。

5 虛擬仿真實驗的特色和教學(xué)應(yīng)用效果

5.1 內(nèi)容設(shè)計豐富合理，注重知識學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升的有機(jī)結(jié)合

系統(tǒng)采用引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與虛擬實訓(xùn)操作相結(jié)合的實驗教學(xué)方法，學(xué)生可以在虛擬實驗操作過程中進(jìn)行知識學(xué)習(xí)和設(shè)備操作，在虛擬仿真實驗中獲得更加直觀、真實的實驗體驗，既可以提升對專業(yè)知識的理解和實訓(xùn)操作的技能，又可以培養(yǎng)的邏輯思維能力和創(chuàng)新意識，還可以增強(qiáng)安全用電意識。

5.2 實驗?zāi)K層次分明，先易后難、先理論后實踐，過程循序漸進(jìn)

在理論教學(xué)方面，通過虛實結(jié)合、虛實互補(bǔ)的方法進(jìn)行教學(xué)，通過虛擬仿真技術(shù)掌握基本理論和基本操作，提高學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握水平。在實訓(xùn)操作教學(xué)方面，以虛擬仿真實訓(xùn)操作為主，讓學(xué)生掌握三相交流異步電動機(jī)的控制電路連接以及故障診斷的相關(guān)技術(shù)。當(dāng)學(xué)生操作熟練后，可以通過實驗室操作對知識進(jìn)行驗證與鞏固。

5.3 實驗效果評價體系規(guī)范合理，采用痕跡式管理

虛擬仿真實驗有后臺支持，可以管理賬號和記錄測驗分?jǐn)?shù)。三相交流異步電動機(jī)控制及故障診斷虛擬仿真實驗是綜合實訓(xùn)項目，原理部分可以通過虛擬環(huán)境中的選擇題考核學(xué)生掌握程度，實操部分通過實訓(xùn)檢驗學(xué)生操作是否規(guī)范、熟練以及應(yīng)急處理等能力。

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