自制儀器在電工強電實驗課中的使用

高玄怡, 葉 勤, 馬 玲

(北京理工大學 信息與電子學院, 北京 100081)

自制儀器在電工強電實驗課中的使用

高玄怡, 葉 勤, 馬 玲

(北京理工大學 信息與電子學院, 北京 100081)

介紹了3項自制儀器在電工課的演示效果,尤其針對強電實驗演示裝置,演示的是實驗和生活中很少遇到事故發生的現象,警示性更強,更直觀和印象深刻。自制儀器具有超前性和獨創性,把工業先進技術引入,使學生盡早接觸電工技術的前沿知識,拓寬了學生的學術視野。

自制儀器; 實驗教學; 透明結構; 警示作用

電工電子學課程最重要的培養目標之一是培養學生的理論聯系實際能力和創新能力[1-2]。強電實驗歷來是該實驗課的重點,因為涉及220 V和380 V強電,存在極大的安全隱患,為此想通過自制儀器的創新構造以解決其安全問題。一臺好的自制儀器既是師生進行教學、科研的成果,也是集科學知識、實際應用、創造發明、教學經驗于一體的體現[3]。

自制教儀具有很強的針對性,因為教師都是針對教學的重點和難點等研究制作的教具,彌補教具種類的不足[4-5]。自制儀器具有先進性,能夠滿足實驗室的特殊需要[6],能把現代新科技融合到實驗中,讓學生接受最新的科技成果。

為此,我們自主開發研制了幾項強電實驗演示儀器,并已投入實驗教學3年,取得了很好的效果,拓展了學生的思維和領略新知識新技術的應用。

1 空氣斷路器演示裝置

目前,在國內外的電工技術實驗教學中,尚缺少專門的短路保護實驗教學裝置。由于短路保護實驗屬于高壓、強電和破壞性的實驗,具有一定風險。這部分內容以課堂講授為主，缺少身臨其境的體驗,學生缺少直觀認識,影響學習效果。為了使學生很好地理解課堂上所學的知識,教師在自制儀器設備的設計構思上貫穿了直觀逼真的思想,直觀性很強[7]。借助本實驗裝置在課堂演示,不僅豐富課堂教學手段,還能使學生深刻體會空氣斷路器的作用和動作原理。提升“學以致用”的教學理念,增強理論課程的實用性。

1.1 設計思路

設計的空氣斷路器演示裝置,采用塑殼透明結構,直觀明了,可以看清器件內部的真實結構；并且將220 V電壓轉換成低壓弱電(6 V),然后增大驅動電流,增加工作有效性,確保了安全。電壓降至6 V,再應用升流器進行電流轉換,驅動電流達到60 A,大于空氣斷路器額定電流40 A,能達到動作要求；巧妙地把大電壓低電流轉換成低電壓大電流,保證了安全性，還可以在0～60 A范圍內調節電流,實現對應空氣開關不同時間動作,可以實現短路保護作用。

該空氣斷路器示意裝置包括熔斷器、控制開關、調壓器、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,緩慢旋轉調壓器的旋鈕,觀察電流表顯示的電流；當電流達到50 A(大于空氣斷路器的動作電流40 A)時,發生短路現象,對應的空氣斷路器切斷時間約5 s,實際的空氣斷路器的切斷時間約0.2 s,演示過程引導學生通過透明的面板結構觀察內部結構的動作,以及切斷時的巨大聲響,給學生以很好的警示作用。圖1為空氣斷路器演示裝置圖。

圖1 空氣斷路器實驗演示裝置

1.3 效果

空氣斷路器演示裝置為電工學實驗課程提供了一種形象直觀的教學工具，采用將高電壓轉換成低電壓、增大驅動電流的技術思路,確保了設備在教學使用中的安全,避免了對儀器的破壞。該裝置主要結構的透明化設計保證了教學演示中的直觀性,警示性更強,能高度吸引學生的注意力,引發學生思考,有利于學生主動參與,并將知識具體化,便于學生對知識的理解和掌握。在電工與電子技術課程3年的實驗教學中取得很好效果。此裝置目前已申請專利。

2 熱繼電器演示實驗裝置

隨著電子技術的發展,現在購買的教學儀器越來越高級,越來越集成化,也越來越封閉[8-9]。工業用的熱繼電器都是密閉的,看不到內部結構，不利于學生對其原理的掌握。為此基于教學需要研制了放大版透明的熱繼電器演示裝置。

2.1 設計思路

電路設計要有控制電流選擇: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切斷電源時間的不同,讓學生理解熱繼電器與空氣斷路器的區別及熱繼電器電流參數選擇的意義。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 結構特點及效果

熱繼電器采用透明結構(見圖3),能清楚看到雙金屬片、黃色連桿和各觸點等內部結構,并能夠觀察到雙金屬片彎曲和連桿帶動觸點的動作過程。220 V電源經過變壓器輸出6 V和24 V電壓,24 V電壓給中間繼電器提供電壓,控制起動開關的動作；6 V電壓給熱繼電器電路供電；通過轉換開關分別接電阻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。當電路接通時能分別觀察對應3個檔位時熱繼電器的動作:不動作和分別經過26 s、1.56 s的熱繼電器脫扣動作,在計時器上顯示時間出來。每次動作完成后按下計時器的按鈕可以使計時器清零。

圖3 熱繼電器的透明結構

此實驗裝置能很好地讓學生了解到熱繼電器的工作過程和參數選定的意義。

3 PLC控制變頻器多速演示裝置

3.1 設計方案

通過PLC編程控制變頻器的調速,驅動三相異步電動機的運轉,觀察其不同轉速,讓學生能很好地理解變頻器改變頻率并控制轉速；讓PLC技術在工業控制領域的應用體現出來,使學生更直觀感受現代科技的應用,保證實驗教學的先進性。

3.2 結構及功能

該演示裝置包括變頻器、可編程邏輯器、開關控制、電動機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”手動控制變頻器的7段不同速度,對應地顯示三相異步電動機的7種轉速；

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

(3) 通過選擇“自動開關2”，操作變頻器的面板頻率旋鈕控制0～50 Hz頻率對應的電動機不同轉速運行。

3.3 效果

該裝置操作簡單、方便，安全可靠。不僅讓學生直觀觀測到變頻器的作用——變頻率變速,融入先進的科技產品——PLC和變頻器,也結合PLC讓學生體會到自動化控制在工業領域的應用,并形成系統控制概念。同時，可以讓學生獨立地安全操作,加深體會,激發學生的學習興趣。很好地體現了自制儀器具有的開拓性和創新性。自制儀器有助于改進教學方法和解決教學中的難點和重點,對激發學生的學習興趣,培養學生的創新意識和實踐能力有顯著的作用。

4 取得的效果和作用

提高實驗教學質量,始終是實驗教學永恒的主題[10].實驗教學是理論學習的外延,不僅是對理論知識的驗證,也是對知識探索的過程,是學生邏輯思維建立的過程,學習科研思想的過程[11]。研制的3項自制演示儀器,是教師按照實際教學需要創造性地研制出的合適的教學儀器,設計思路獨創,不僅符合科學性,更有創新性,是在市場上購買不到的獨特的產品,是教師針對教學的重點和難點研制的成果,其針對性強。在3年的實驗教學應用中取得了很好的收益和效果。通過自制教學儀器的使用,有助于學生直觀地看到所學理論能夠達到的實際效果,激發學生的學習興趣和創新意識,培養學生開發探索能力[12]。同時教師在設計和制作過程中也提高了自身的專業水平,促進了教學質量的提升。

References)

[1] 黎明, 付揚. 少學時電工電子學課程教學改革探究[J]. 實驗技術與管理, 2010,27(11):292-294.

[2] 那景芳, 徐小平, 段建民. 多層次內容循環漸進實踐教學模式的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2010, 27(2):107-109.

[3] 許林云. 自制實驗儀器設計及在課程教學中的應用[J]. 中國現代教育裝備, 2009(14):5-7.

[4] 張靜. 對自制教具的深層剖析[J]. 實驗教學與儀器, 2013, 30(2):47-48.

[5] 王小贊, 于宗仁. 自制實驗儀器在水文地質專業教學中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(4):73-76.

[6] 仲崇楠, 汪曣, 孫景. 加強自制儀器設備的管理,充分發揮設備的綜合效益[J]. 實驗室研究與探索, 2004, 23(9):99-100.

[7] 陳發堂, 熊慧萍, 陳東生. 加強自制儀器的研發實現創新能力的培養[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(2):46-47,51.

[8] 王長遠, 霍曉奎, 劉琦,等. 自制儀器對促進教學改革的作用[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(1):117-118.

[9] 許森東.自制儀器在高校實驗教學中的應用研究與實踐[J]. 中國教育技術裝備, 2013(6):128-129.

[10] 宋麗梅, 高艷艷, 王紅一,等. 自制教學儀器在研究生教學中的應用:以在機器視覺課程教學中的應用為例[J]. 中國教育技術裝備, 2015(24):48-49.

[11] 崔琳,蘇明.優化電工電子實驗教學提高實驗教學質量[J]. 科技信息, 2010(30):115.

[12] 李如琦,賀秋麗,王輯祥,等. 自制實驗教學儀器設備促進實驗教學改革[J]. 電氣電子教學學報, 2008(增刊1):71-74.

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

北京理工大學校級自制儀器立項項目

高玄怡(1968—),女,吉林長春,工學碩士,高級實驗師,主要從事電工學理論與實驗教學.

E-mail:gaoxuanyi@bit.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.021