三相交流異步電動機控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統設計與應用

摘 要 為切實解決三相交流異步電動機實驗危險性高、操作復雜等教學難點，充分發揮虛擬仿真技術沉浸感強、交互性好、輔助抽象思考的優點，設計與開發一套三相交流異步電動機控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統。作為傳統實驗教學的延伸與拓展，該系統集成演示驗證、設計探究和綜合應用等多種實驗形式，使學生能夠獨立、系統地參與實驗，提高其解決工程實際問題的能力。

關鍵詞 三相交流異步電動機；虛擬仿真實驗；實訓；虛擬仿真實驗系統

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0050-05

0 引言

隨著工農業生產自動控制的需求提升，需要對拖動生產機械的電動機起動、停車、正反轉和調速等進行控制。與其他電機相比，三相交流異步電動機結構簡單、價格低廉、維護便捷，并且具備高效和優越的工作性能，被廣泛應用于各個領域[1-3]。三相交流異步電動機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開設的電氣自動控制、電工技術和電工電子技術基礎等課程的重要教學內容，涵蓋三相交流異步電動機和電氣控制兩個章節，而三相交流異步電動機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行，存在的問題有：

1）三相交流電存在安全隱患，學生有時帶電操作；

2）由于實驗臺集成化，學生看不到電氣設備的內部結構和動作執行過程；

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

4）學生機械化連線，缺少理論聯系實際的能力，實驗缺少對學生相關知識掌握情況的考核。

針對這一現狀，開發三相交流異步電動機繼電控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統（以下簡稱虛擬仿真實驗系統），以便學生能夠了解三相交流異步電動機、交流接觸器、熱繼電器等常用電氣設備的內部結構，熟悉三相交流異步電動機的銘牌數據和電氣控制原理，能夠進行多種故障診斷排查。同時通過知識點測試進行相關知識點的測驗，進一步加深學生對所學理論知識的掌握。此外，該系統也可以作為線下實驗的預習工具，幫助學生提前熟悉實驗內容和操作流程。

1 虛擬仿真實驗教學目標

1.1 知識目標

了解三相交流異步電動機的內部結構和外部連線方式；理解交流接觸器、熱繼電器和按鈕的結構及其在控制電路中的應用；掌握三相交流異步電動機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

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

1.3 素質目標

養成安全用電意識，增強創新意識，培養認真嚴謹的工作作風。

2 虛擬仿真實驗教學過程

1）參照三相交流異步電動機控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統的操作說明書，掌握該系統的基本操作與相關功能，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和控制電氣基礎知識的學習，了解并掌握三相交流異步電動機和控制電氣的組成結構、技術參數、功能原理等知識。

3）掌握三相交流異步電動機及控制電器的正確拆卸步驟與規范。

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

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

3 虛擬仿真實驗系統模塊設計

虛擬仿真實驗系統采用引導學生學習與虛擬實訓操作相結合的實驗教學方法，讓學生在虛擬仿真實驗過程中獲得更加直觀、真實的實驗體驗，既可以加深學生對專業知識和實訓操作的理解，又可以培養學生的創新意識[4-6]。

虛擬仿真實驗系統包含理論學習、虛擬實訓和知識測驗三個模塊，如圖1所示。理論學習模塊包括結構認知和動畫演示，方便學生回顧和掌握相關電氣設備的理論知識。虛擬實訓以沉浸式人機交互的形式，讓學生在虛擬的環境和實驗設備上進行操作，包括實操模擬和挑戰度。實操模擬是在虛擬實驗臺上進行控制線路連接，包括識讀、起動、高階三個子模塊，在該模式下系統提供文字、3D高亮、邏輯約束等標識，引導學生完成實驗。挑戰度即故障排查模式，該模式引導學生進行逆向思維，讓學生發現問題、分析故障原因、嘗試解決問題并進行故障解決方案的驗證等，系統地培養學生的工程意識和解決復雜工程問題能力[7-8]。知識測驗模塊通過判斷和選擇等客觀題型，對該實驗所涉及的相關知識點進行測驗，以幫助學生鞏固和加深理解所學知識。

該虛擬仿真實驗系統涵蓋理論知識學習、基礎驗證型實驗、綜合設計型實驗和研究探索型實驗。理論知識學習和基礎驗證型實驗以學生自學為主。綜合設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行電路檢修，引導學生以全局的觀點進行故障排查和驗證，提高學生的知識應用和綜合分析能力。

1）理論知識學習和基礎驗證型實驗。理論知識學習和基礎驗證型實驗共有三個子模塊，即圖1所示的結構認知、動畫演示和識讀，各子模塊的內容和作用如下。

①結構認知：了解三相交流異步電動機的結構、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的結構以及定子、轉子各部分元件的作用，是了解三相交流異步電動機工作原理和進行電路分析、起動、制動和調速的基礎[9]。

②動畫演示：演示基礎驗證型實驗。各控制元件在常態和保護狀態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的銘牌數據。看懂三相異步電動機的銘牌數據是正確使用電動機的基礎。

2）綜合設計型實驗和研究探索型實驗。起動子模塊屬于綜合設計型實驗，包括三相異步電動機點動控制、聯動控制，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控制。由于三相異步電動機的控制電路涉及的電氣元件較多且線路復雜，因此，當線路出現故障時，需要進行故障診斷。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；電動機不轉動等[10]。

4 虛擬仿真實驗系統的教學應用過程

三相異步電動機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，涵蓋實際實驗操作中的所有步驟，將實驗中用到的電氣設備都詳細解釋說明，可以讓學生完整地體驗實驗過程，也可以指導學生的實際操作實驗，提高準確率和完成度。三相異步電動機控制及故障診斷虛擬仿真實驗系統擁有后臺支持，可以管理賬號和記錄測驗分數。與同類型仿真實驗系統相比，本系統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，能讓非電專業學生輕松完成實驗操作，并對實驗內容印象深刻。

學生在首界面登錄成功后，進入實驗模塊選擇頁面，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

學生進入元件拆解界面后，可以選擇控制元件中的三個復雜設備及元件，即三相交流異步電動機、熱繼電器和交流接觸器，了解其內部結構以及觀看其動作演示。圖2所示為三相交流異步電動機內部結構拆解圖。

4.2 控制連接分模塊

學生進入控制連接界面后，界面左側會有控制連接步驟指引，界面下側有詳細的步驟說明，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

系統內置16種常見故障，每次隨機出現一種，學生通過觀察電機出現的各種故障現象，預判故障原因，之后檢查各個電器設備和線路，找到正確的故障原因。在該過程中，學生不僅可以提高處理故障的能力，還可以加深對電路系統各個環節功能的理解。因此，通過不斷地故障排查預演，可以極大地提高學生處理電路故障的能力。界面下側有操作指引，在左側故障篩查的指引下進行故障排查，如圖4所示。

排查結束后，需要提交故障原因，系統會根據預設選項確定學生是否已找到正確的故障原因，并給出提示。

4.4 考核測試

主要對學生的理論知識掌握程度、三相異步電動機內部結構、直接起動布線、正反轉控制、故障診斷等方面進行考核。從系統庫中隨機抽取20道客觀題讓學生作答，系統根據預設的結果給出測試結果，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應用效果

5.1 內容設計豐富合理，注重知識學習、能力培養和素質提升的有機結合

系統采用引導學生自主學習與虛擬實訓操作相結合的實驗教學方法，學生可以在虛擬實驗操作過程中進行知識學習和設備操作，在虛擬仿真實驗中獲得更加直觀、真實的實驗體驗，既可以提升對專業知識的理解和實訓操作的技能，又可以培養的邏輯思維能力和創新意識，還可以增強安全用電意識。

5.2 實驗模塊層次分明，先易后難、先理論后實踐，過程循序漸進

在理論教學方面，通過虛實結合、虛實互補的方法進行教學，通過虛擬仿真技術掌握基本理論和基本操作，提高學生的專業基礎知識掌握水平。在實訓操作教學方面，以虛擬仿真實訓操作為主，讓學生掌握三相交流異步電動機的控制電路連接以及故障診斷的相關技術。當學生操作熟練后，可以通過實驗室操作對知識進行驗證與鞏固。

5.3 實驗效果評價體系規范合理，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數。三相交流異步電動機控制及故障診斷虛擬仿真實驗是綜合實訓項目，原理部分可以通過虛擬環境中的選擇題考核學生掌握程度，實操部分通過實訓檢驗學生操作是否規范、熟練以及應急處理等能力。

6 參考文獻

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[10] 秦慶霞.三相異步電動機故障診斷[J].防爆電機， 2020，55（2）：52-54.