“电工技术”课程工程教学案例设计实例

2013-07-05刘凤春陈希有牟宪民

电气电子教学学报 2013年1期

刘凤春，陈希有，牟宪民

(大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116023)

为了配合我校实施“卓越工程师教育培养计划”，笔者在电工电子基础核心课程建设过程中，开发了系列工程教学案例，试行了以案例教学为主要教学方法的研究型教学模式。教学案例不仅能培养学生的主动思考和学习精神，而且能起到应用理论知识的强化作用。笔者基于教学案例设计的一些基本原则［1］，在“电工技术”课程教学中，设计了许多工程教学案例。通过近几年的教学实践，检验了这些案例在研究型教学过程中所起到的重要作用。

1 直流电路教学案例

直流电路是“电工技术”的入门章节，一般教材只是将此章作为承上启下的教学内容，注重理论体系的建立和理想化电路模型的分析求解［2，3］。但因在一定程度上忽视了本课程的工程应用性，导致学生面对一个简单的应用实例，也感觉难以下手分析。

教学案例可以弥补上述不足。通过分析工程应用实例，引导学生学习怎样从一个应用实例建立物理(电路)模型，进而分析计算。为此，笔者设计了一个烟雾报警器的教学案例。

1)案例介绍

火灾事故是常见的安全事故。及时报警可以减少事故发生，降低事故带来的生命威胁和经济损失。火灾报警器的原理有多种，但每一种原理的报警器都有一定的使用环境限制。例如，基于红外线检测的报警器，只有在燃烧体的温度已经明显升高且距离燃烧体较近时才能产生报警;基于空气中化学成份检测的报警器，它只对某种特定的燃烧物能够起到报警作用，对其它物质燃烧毫无报警用途。

图1所示是基于光学原理和光电原理的烟雾报警器的结构示意图。烟雾的产生可能是吸烟所致，也可能是某种物质燃烧所致。当烟雾浓度超标时就会发出声光报警信号。

图1 烟雾报警器结构示意图

2)授课方案

本教学案例可以在“直流电路”一章授课的最后给出，如下的三个步骤可以帮助学生提高对电路的分析和计算能力。

(1)建立电路模型—为了分析报警器的工作原理，首先需要建立如图2所示的实际烟雾报警器的电路模型，以此帮助学生理解实际系统与电路模型的关系。

图2 烟雾报警器原理示意图

(2)电路的定性分析—电路分析涉及到的知识点包括:光敏电阻特性、电阻的串联与并联等效、电桥平衡原理等。此步骤需要增加光敏电阻与继电器两方面的预备知识。在介绍无源元件电阻器模型时，可让学生自行查阅光敏电阻的相关知识。继电器是后续章节的教学内容，可以在此先简单介绍一下工作原理。

(3)电路的定量计算—给出各个元器件的具体参数，计算各支路的电流和电压。计算涉及到支路电流法和戴维宁或诺顿定理等解题方法的应用。

3)拓展知识与问题

(1)电路设计—电路设计时所需要的条件:给定直流电压源的电压和容量，提出报警器的烟雾浓度灵敏度和继电器KA 产生动作所需要的最小电流，选择各元件参数，并使静态功耗最小。另外，在此案例中，还没有给出报警电路。该问题可以延伸到学生学习电子技术时再解决。

(2)电路改进—如果将直流电源改成交流电源，电路应该做哪些修改?解释直流电源供电和交流电源供电的优缺点。该问题可以让学生在学习交流电路时再解决。

(3)节能思考—如果灯泡长期点亮，将耗费电能。如果灯泡采用间歇发光方式，则可大大降低灯泡的功率损耗，并延长使用寿命。

(4)灵敏度思考—对继电器KA 部分进行改进:增加电压放大环节，可增加灵敏度，降低电桥部分的静态功耗。该问题可延伸到学生学习电子技术的放大电路一章时再解决。

2 暂态电路教学案例

暂态电路分析是“电工技术”重要的一章，多数教材的教学内容基本局限在理论分析计算的层面。而实际应用中，有很多利用暂态过程实现所需功能的设备，电焊机就是很好的一例。

1)案例介绍

电焊机的点焊过程就是利用大电流通过工件压接点的接触电阻时，接触点瞬时发热而熔接金属的。根据焊接理论和经验可知，使焊点的瞬间熔接需要大约50J 的能量。因为点焊是在几毫秒内完成的，瞬时功率可达上千瓦甚至更大，体积为1mm3的点焊区域内温升可超过金属的熔点。

现代新型便携式焊机的体积小重量轻，由于是手工操作的设备，必须使用低于50V 的安全电压供电。那么，怎样在低压小容量供电电源的情况下，获得很大的瞬时功率?

电容器的储能容易，而且可以瞬间释放能量，人们设计了如图3所示的点焊机电源电路。供电采用24 伏电池;储能电容器由三个电容量为105μF 的大电容器C1－C3并联组成。该组电容器能够在低电压条件下存储足够的能量。S 为单刀双掷开关，充电限流电阻R1的阻值5Ω，电阻R2是开关S 的等效内阻和导线电阻的总和，大约为5mΩ;电阻RL为焊点介质的接触电阻，可以将其理解为焊接负载，大约有20mΩ。

图3 点焊机的充电放电模型

当开关S 拨到左边时，电容被充电储能。当开关S 拨到右边时，电容放电瞬间释放能量。因此，点焊机操作过程对应着电容的充电和放电两个过程。

2)授课方案

本案例将涉及到暂态电路的初始值、时间常数、零状态响应、零输入响应、瞬时功率和平均功率等RC 电路暂态分析中的基本问题。可以将此例作为引例，来展开讲解RC 电路暂态响应的各种概念，推导电容充放电的规律，并以本例的实际参数值进行定量计算。除了计算常规的初始值、时间常数、零状态响应和零输入响应外，还应对充放电的功率、效率以及电容储能进行计算。

通过定量计算得到结论:大容量电容器能够储存很高的电能，瞬间放电电流极大。正因为电容具有这样的充放电特性，才能实现点焊功能。

在课堂分析过程中还应指出，由于理想电源是不存在的，因此R1中还包括了电源的内阻。考虑到电源内阻是很小的，故需要接外串电阻，使该支路的电阻值达到几个欧姆。我们可让学生思考:为什么要外串电阻?R1阻值选多大较为合适?过大或过小会有什么影响?

3)拓展知识与问题

图3只是利用储能电容的充放电特性作为点焊电源的电路模型，实际的点焊机电源还应考虑以下问题。

(1)电路中的转换开关S 可否采用普通闸刀开关?普通闸刀开关能否通过近千安培的瞬时电流?答案:采用的是无触点电子开关，即专用大功率集成开关芯片，由手动按键和专门设计的电路控制它的切换，从而实现电容充电和点焊。

(2)探索提高充电效率的方法—通过前述定量计算，可知电容充电电路的效率较低。采用电池供电的电路需有较高效率。否则，点焊几次电池就将耗尽电能。理论证明:采用分段式充电或直线型电压源充电方法，可大大提高RC 电路的充电效率［4］。

3 交流磁路教学案例

交流磁路的系列知识是学习变压器和电机等电工设备的理论基础，功率损耗是交流磁路重要的概念。众所周知，铁磁材料在被交变磁化时要产生涡流损耗，该损耗使铁心发热，因此，涡流损耗在变压器和电动机等电工设备中有害无益。事物都是一分为二的，现代工业生产和生活中也有不少利用涡流原理来工作的设备和器具，电磁灶就是典型的一例。

1)案例介绍

电磁灶是利用电磁感应涡流加热原理制成的现代烹饪灶具。图4是电磁灶的基本原理示意图。

图4 电磁灶

电磁灶是由高频感应加热线圈(即励磁线圈)、高频电力转换装置和控制器等部分组成，并配置具有铁磁材料锅底的炊具。电磁灶的核心是位于电磁灶的耐热陶瓷面板下方的高频感应线圈。电力转换装置可将工频50Hz 交流电流变换为15 ～30kHz高频交变电流通入感应线圈中，线圈周围便产生高频交变磁场，磁场的磁力线通过导磁的锅体后产生大量涡流，该涡流致使锅体发热，从而产生烹饪所需的温度。

显然，电磁灶煮食的热源来自锅具底部而不是电磁灶本身发热后传导给锅具的。所以，电磁灶的热效率要比其它类型灶具的热效率高出近1 倍。而且，在加热过程中没有明火和烟尘，对周围环境不产生热辐射。因此，被誉为“绿色灶具”。

2)授课方案

本教学案例可以在讲解交流铁心的涡流损耗后提出来。通过该案例让学生深入思考:涡流损耗与哪些因素有关?若不采用导磁材料制成锅底的锅具，会有什么影响?若不采用平底锅，会有什么影响?如果电磁灶通电后不放置锅具，有什么危害?

3)拓展知识与问题

(1)有锅无锅检测。当灶上有锅或无锅时，分析该电磁系统的哪些物理量将发生明显变化，这就是有无锅具的检测依据。

(2)怎样进行功率调节?

(3)电磁灶工作时，其周边是否存在磁场?怎样防止磁场泄漏?

4 变压器与暂态电路综合教学案例

变压器是“电工技术”中重要的一章。学习本章后，一般学生的思维总局限于变压器在电力系统中的应用。而后续的电子技术教学内容中，也极少有应用变压器的例子。为了拓展学生的思维和知识面，笔者设计了照相机闪光灯电路的教学案例。

1)案例介绍

目前照相机已经集成在手机中，成了师生最常用的生活用品。除了专业相机外，一般相机都是内置闪光灯。如遇照相时现场光线较暗，就会自动闪光补足光线。喜爱思考的学生一定会想:小小闪光灯为什么会发出强光?

闪光灯分为普通型和自动调光式两种。图5所示的是简化的普通型闪光灯驱动电路。该电路由四部分组成:①由变压器T1和高速电子振荡开关S2组成的振荡升压电路;②由二极管D 和储能电容C1(220 ～500 μF)组成的储能电路;③由电阻R1和氖灯Ne 组成的电压指示电路;④由变压器T2、触发电容C2和闪光管Xe 等组成的脉冲触发闪光电路。

图5 闪光灯驱动电路

驱动电路在S2合闸时，升压变压器T1输出平均值约300V 的脉动电压;经二极管D 对C1和C2充电，当电压升高到330 ～350V 时，指示用Ne 灯点亮，指示充电就绪;当按下按钮SB 时，C2上的电压放电在T2的二次侧瞬间感应出高压触发脉冲(约6～10kV)，通过闪光管Xe 的触发极使管内氙气电离并导通，C1上储存的电能瞬间通过闪光管放电完成一次闪光。

2)授课方案

该案例可以在讲完变压器一章后提出来。要求学生完成如下进程。

(1)查阅资料，了解氖灯和闪光管的组成结构和工作原理;

(2)分析电路原理，解释电路中各元件的作用;

(3)为什么要使用高速通断的电子开关S2?

(4)脉冲变压器与工频变压器有什么不同?

(5)总结:驱动闪光管闪光所需的高压是怎样产生的?驱动闪光管发出强光的能量来自何处?

通过这个教学案例强化了以下概念:变压器不能变换恒定不变的电压;瞬间触发高压的产生，是依靠电感的暂态电压和变压器的升压双重作用;闪光管发出强光的能量只有从储能电容器上去获取;能量守恒，所有能量均来自供电电源。

3)拓展问题

振荡升压电路部分的电子振荡开关S2的组成以及工作原理留待电子技术相关章节继续讨论。