“電機學”中量化概念教學方法探討

陳湞斐　馬宏忠

摘要：針對“電機學”課程中電磁關系復雜、理論概念抽象、分析方法靈活多變的情況，提出量化概念的教學方法。并以變壓器等效電路一節內容為例，通過融入參數量級區分、實際例題示范等方法，加強學生對變壓器參數量級大小的概念，提高學生靈活運用不同等效電路解決問題的能力。

關鍵詞：電機學；量化概念；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）30-0192-02

“電機學”是我國電氣工程及其自動化專業必修的一門課程，其內容涉及變壓器、旋轉電機等多種核心電力設備工作原理和分析方法，是后續學習電力系統分析、電力系統繼電保護、發電廠電氣設備和自動控制等專業課的前提和基礎，在本科教學的課程設置里面具有重要地位[1-3]。“電機學”課程的學習需要有扎實的“電”和“磁”方面的知識，但由于“磁”學概念抽象，鐵磁材料飽和等非線性特性的影響，使其成為老師難教、學生難學的課程之一[4-6]。

一、課程特點

在“電機學”課程的教學中，考慮到本科生的接受能力，教師需要將部分復雜的問題進行簡化，將不熟悉的“磁”學知識轉化為學生們熟悉的“電”學知識來進行教學，降低學習難度。其中，最具代表性的就是變壓器和異步電機等效電路的學習。等效電路是分析變壓器和異步電機工作特性的重要方法之一，因其簡捷、直觀，在工程中應用較為廣泛，也是“電機學”課程教授的重點內容。但經過多次教學實踐發現，用電路代替磁路雖然便于理解，但不能完全替代磁路的所有特性。一方面，部分學生會單純地將變壓器和旋轉電機看成一個電路，以電路的思路去分析問題，忽略設備本身磁路特性，導致對這部分知識的理解出現偏差；另一方面，部分學生考慮磁場特性較為全面，在利用簡化等效電路分析問題時往往不能理解，導致思考過于復雜，不能靈活應用所學知識解決問題。

二、量化教學方法

針對上述問題，經過深入分析發現，學生對變壓器等效電路只有定性認識，而對其各個參數的量值大小沒有概念，因此往往會等同對待，忽略各參數數值的影響。而在教學時，根據分析問題的難易，課本中往往會采用不同的分析方法（如不同的等效電路）進行分析，若學生對不同方法采用的先決條件和之間的差別不能準確把握，往往造成思路混亂，難以達到較好的教學效果。筆者根據多年教學經驗，以變壓器幾種等效電路的教學為例，擬進行量化概念的教學方法改革，以加強學生對這部分內容的理解。本文以“電機學”中變壓器等效電路這部分內容為例，說明量化教學方法的實施過程。教師首先在介紹變壓器工作原理和電磁關系的基礎上，通過繞組折算得到T形等效電路；繼而，在對T形等效電路參數進行說明時，增加電阻與電抗量級關系、勵磁電抗與漏電抗量級關系、勵磁電抗與負載阻抗量級關系以及鐵心飽和對電阻各阻抗的影響的說明，讓學生對T形等效電路各支路阻抗量級大小進行區分；基于量級大小關系，進一步進行電路簡化，獲得Γ形等效電路和一字形等效電路；通過具體可計算的示例讓學生利用三種不同的等效電路自行計算變壓器的各方面的電磁特性；最后通過對比分析示例中的實際數據，讓學生對變壓器六個阻感元件參數有定量的理解，從而幫助學生理解三種電路的誤差大小和優缺點，便于他們今后分析問題時選擇合理的等效電路進行計算。

三、教學示例

在“變壓器”這一章的教學當中，如何利用T形等效電路、Γ形等效電路和一字形等效電路三種不同的等效電路來分析問題和解決問題是重要的教學內容之一。學生若按照電路中理論去思考，三種等效電路圖很顯然完全不同。而大多老師在介紹這部分內容時往往會進行簡單說明，由于I1（R1+jX1）<

因此，在進行這部分教學時，若能通過實例進行輔助講解，讓學生對各變量有定性概念之后再進行總結說明，則更為清晰。下文以一臺單相變壓器為例進行示例：一臺單相變壓器，SN=1000kVA，U1N/U2N=10/6.3kV，fN=50Hz，Rm=196Ω，Xm=19904Ω，R1=R2′=0.7Ω，X1=X2′=2.5Ω，ZL′=（80+j54）Ω，根據三種等效電路分別計算變壓器的電流、功率、效率、功率因數等性能。由于變壓器鐵心不飽和時，勵磁電抗遠遠大于變壓器其他參數和二次側負載，采用三種等效電路計算的結果相差不大，三者效率均為93.63%左右，功率因數也均為0.79。而采用簡化等效電路可以大大簡化計算過程，更便于工程實際中應用。繼而，考慮鐵心飽和對變壓器性能的影響。由于鐵心進入飽和區后導致勵磁電抗Xm減小，保持其他參數不變的情況下，令勵磁電抗變為Xm=1990.4Ω，計算變壓器效率和功率因數?？梢园l現，此時三者功率因數相近，均為0.79。T形等效電路和Γ形等效電路的效率均為93.06%，而一字形等效電路的效率為93.63%，存在一定誤差。當鐵心飽和加劇，勵磁電抗Xm進一步減小，令勵磁電抗變為Xm=199.04Ω，并利用三種電路計算變壓器各性能?？梢园l現，此時T形等效電路的功率因數為0.78，Γ形等效電路和一字形等效電路的功率因數為0.79，仍然比較相近。但效率方面，T形等效電路的效率為71.19%，Γ形等效電路的效率均為71.37%，一字形等效電路的效率仍為93.63%?？梢娨蛔中蔚刃щ娐泛雎粤藙畲胖?，存在較大的計算誤差。此外，通過對比不同飽和程度時的變壓器性能變化，可以發現隨著飽和程度加強，勵磁電抗逐漸減小，需要的勵磁電流Im增大，勵磁損耗增加，輸入功率增加，輸出功率降低，導致電機效率減小。綜合對比三種情況下變壓器的性能可以發現，當變壓器鐵心飽和不嚴重時，采用一字形等效電路可以大大簡化計算，計算結果也與其他兩種等效電路相近。但隨著鐵心逐漸飽和，勵磁電抗的減小，Γ形等效電路與T形等效電路的計算結果誤差逐漸增大，但整體來說基本相近。但一字形等效電路由于忽略了勵磁支路，無法反映勵磁電抗減小帶來的問題，因此在變壓器鐵心飽和現象嚴重的時候與T形和Γ形等效電路計算結果相差較大，不能用來進行變壓器性能分析。

四、結束語

“電機學”作為電氣工程專業的主干課程之一，不僅理論性較強，還與工程實踐密切相關。因此，在教學過程當中，應注意理論聯系實際，通過引用實際示例和數據對相關理論進行解釋說明，對部分知識進行量化教學，這樣可以幫助學生建立層次分明的知識框架，加深對理論知識的理解，實現高素質工科人才的培養。

參考文獻：

[1]馬宏忠，方瑞明，王建輝.電機學[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學[M].第2版.武漢：華中科技大學出版社，2005.

[3]肖金鳳，盛義發，汪普林.滿足創新創業能力訴求的電機學實踐教學改革研究[J].中國電力教育，2013，（31）：153-158.

[4]朱顯輝，師楠，蘇勛文，康紅明.關于提高電機學教學質量的思考[J].中國電力教育，2014，（33）：50-51.

[5]劉群英，王冰峰，陳樹恒，張昌華，張榆平.基于三結合模式的電機與拖動教學實踐探索[J].教育教學論壇，2017，7（28）：123-124.

[6]夏益輝，張俊洪，趙鏡紅，高嵬，王鐵軍，方芳.《電機學》模塊化教學探討[J].教育教學論壇，2016，2（7）：150-151.