電機學實驗教學設備改造

王智琦，林立，陳瑋

（1.邵陽學院電氣工程學院，湖南邵陽，422000；2.多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽，422000）

0 引言

《電機與拖動》與《電機學》需利用電機學實驗設備進行實驗教學，在進行直流電機和交流電機實驗教學中，學生需要對電源、儀器儀表、電機進行接線。實驗過程中，首先由老師進行設備參數設置、接線與上電流程示范，隨后再由學生進行實驗，但在學生實驗過程中仍難避免因錯誤操作而使設備故障的情況發生，且老式電機學實驗設備由于使用年限過久與長期處于故障-維修-再故障循環中，設備保護基本失效，應此必須對老式電機學實驗設備的交流與直流供電系統進行改造。

本文利用直流電源模塊對原直流供電系統進行替換，利用直流電源模塊自帶的短路保護與限流功能降低設備故障頻率；并設計具有交流過流檢測自鎖功能的交流保護器，對原交流供電系統進行電流信號采樣與過流保護。

1 電機學實驗教學中遇到的問題

電機學實驗教學中，一般采用3-4人為一組，一次實驗課程授課人數為24-30人，以三人一組為例，學生需要負責接線、上電、電壓電阻調節、實驗數據記錄等工作；電機學實驗平臺如圖1所示，實驗過程中問題表現在以下方面。

圖1 電機學實驗平臺

(1)在課程開設過程中難免會有個別組在實驗完成后，沒有對實驗平臺進行恢復，如電源開關、電壓調節旋鈕等；下組實驗送電時，直接大電壓加載設備上，導致設備啟動電流過高，對實驗設備有損傷且有一定安全風險。

(2)學生進行設備接線時存在接線錯誤，具體如將直流電源正負極短接；將交流電流表與直流電流表混用；用并聯方式接電流表；功率表同名端接錯；電阻接線錯等現象。

(3)對儀表指針讀數不敏感，如電流表指針讀數明顯超過正常范圍卻繼續進行實驗直到設備出現明顯故障現象。

(4)進行實驗操作調節電阻時，沒有觀察相應回路的電流表讀數變化，電阻串并聯接線混亂。

鑒于以上現象難以杜絕，且由于老式電機學實驗設備經過長期使用存在設備老化等問題，其中電樞電源過壓過流保護、交流過流保護基本失效，應此可以對實驗臺交直流供電與保護系統進行改造。

2 直流供電系統改造

2.1 直流供電系統更新

教學用直流電機額定電壓為220V，設備原有電樞電源電壓調節范圍為40~250V，采用單個功率管GT25Q101進行整流輸出，現替換為如圖2所示直流電源模塊，直流電壓輸出0~220V可調，電流過流保護0~3A可調，原有高壓電源板用銅柱支撐其上電路無需更改。原有設備線路改造如圖3所示，直流電源模塊輸出0~220V可調電壓，正極經過電樞回路保險絲送往電樞電源開關，負極與電樞電源開關連接，同時正極與負極送往電壓顯示開關進行電壓顯示；電樞電源開關輸出分別送往電樞電源負極端口與電樞電源正極端口輸出；電源模塊調壓電位器進行電壓輸出調節。

圖2 電樞電源模塊

改造完成后實驗設備前面板如圖4所示，其中電壓指示切換為圖3中電壓顯示開關，電樞電源為電源模塊開關，電壓調節旋鈕為電源模塊電位器，使用3A保險絲，電樞電壓改造后為0~220V可調輸出，帶有短路保護與過流保護，原有過壓、工作、過流與復位功能因老化失效被替換。

圖3 設備后面板

圖4 設備前面板

2.2 直流供電系統測試

電機學實驗開設中電樞電源正常使用時其電流通常不會超過1.2A，故進行改造前會將電樞電源電流限幅調整至1.2A。為測試直流電源模塊過流保護的可靠性，將直流電源、電流表與電阻組成串聯回路，通過調壓電位器將電壓設置為100V，通過滑動變阻器將電阻初始值設置為144Ω，送電后電流顯示為0.79A。減小回路電阻，電流表示數續增大至1.2A后保持不變，此時繼續減小回路電阻，電壓開始減小，即通過降壓來達到過流保護的目的；將電樞電源輸出端正負極通過電流表短接，送電后電壓顯示0V且電流表示數為0A，此時電樞電源無輸出，達到了短路保護的目的。

3 交流保護系統改造

3.1 交流保護器設計

交流保護器如圖5所示，采用霍爾電流傳感器對交流供電系統輸出電流進行信號采集，三相電流經過電流傳感器將三路電流信號送往LM393與設定保護值進行比較，如過流則LM393輸出高電平給74H32進行邏輯運算，之后由74H32輸出高電平給繼電器線圈并進行自鎖，繼電器常閉觸點串入電機學實驗設備交流接觸器線圈使線圈失電從而切斷交流主電路供電。

圖5 交流保護器

其中霍爾電流傳感器5V供電0-16A可測，輸出信號為2.5±0.625/5V；繼電器線圈內阻40Ω，用40Ω電阻模擬，其觸點耐壓250V，滿足主電路接觸器220V線圈信號電壓，LM393為電壓比較器、74H32為邏輯或芯片采用直插式方便后期維修。

具體電路仿真如圖6所示，R1與R2提供過流保護信號參考電平；R3、R4模擬過流檢測信號；R5作為LM393輸出引腳上拉；R6、R7對Q2基極起限流作用；R8、R9提供Q1基極電壓信號；Q1、Q2分別為PNP、NPN三極管用于過流信號自鎖；S1為復位開關，通過斷開自鎖電路實現復位。仿真圖中R1、R2、R3、R5、R6、R7、R9為10kΩ，R4為20kΩ電位器，R8為2kΩ。

圖6 交流保護電路仿真（1）

圖6所示狀態中，模擬過流信號未達2.5V，LM393輸出低電平，Q2基極為63.9mV低電平，處于截止狀態，Q1基極為5V高電平，處于截止狀態，此時繼電器線圈電壓為低電平，其常閉觸點經主電路接觸器形成回路正常工作；當模擬過流信號為3V時，如圖7所示，LM393輸出3.57V高電平，此時Q2導通，VCC經R9、R8、Q2到GND形成回路，Q2導通壓降0.7V，R9、R8對VCC分壓后得到Q1基極電壓小于集電極與發射極電壓，使Q1處于飽和導通狀態，Q1集電極為4.82V高電平信號，經過S1、R7使Q2持續導通完成自鎖，同時通過繼電器線圈，使繼電器常閉觸點斷開，從而切斷主接觸器線圈回路斷開主電路供電；主電路失電LM393輸出低電平，但由于自鎖電路使繼電器線圈處于工作狀態，主電路無法合閘，需通過S1斷開自鎖電路使Q1、Q2處于截止狀態才可重新進行主電路上電操作。

圖7 交流保護電路仿真（2）

3.2 交流保護系統測試

經過電路設計、PCB制板焊接后得到過流保護器成品，其中保護信號參考電平設置為3.4V，電流傳感器繞線圈數為3圈，即當主電路電流達到2A時，電流傳感器檢測信號為2.5±6*0.625/5V。如圖8所示將過流保護器中三路電流傳感器接入調壓器輸出回路中，將繼電器常閉觸點接入接觸器線圈回路中進行測試，在主電路電流達到2A時接觸器斷開且需復位才能重新吸合，達到所需過流保護效果。

圖8 實驗接線

4 結論

本文對老式的電機學實驗教學設備進行了改造，將電樞電源替換成了帶有過流、短路保護的直流電源，電壓可調范圍由原來的40~250V合理優化為0~220V，且設計制作出交流保護器對實驗臺交流供電系統進行過流保護并進行了實驗測試，測試結果表明，直流過流能將電流限制在指定電流內，交流過流將直接切斷接觸器供電，均能實現過流保護，增強了設備的安全可靠性能，有效的降低了設備的故障率。