自制仪器在电工强电实验课中的使用

高玄怡, 叶 勤, 马 玲

(北京理工大学 信息与电子学院, 北京 100081)

自制仪器在电工强电实验课中的使用

高玄怡, 叶 勤, 马 玲

(北京理工大学 信息与电子学院, 北京 100081)

介绍了3项自制仪器在电工课的演示效果,尤其针对强电实验演示装置,演示的是实验和生活中很少遇到事故发生的现象,警示性更强,更直观和印象深刻。自制仪器具有超前性和独创性,把工业先进技术引入,使学生尽早接触电工技术的前沿知识,拓宽了学生的学术视野。

自制仪器; 实验教学; 透明结构; 警示作用

电工电子学课程最重要的培养目标之一是培养学生的理论联系实际能力和创新能力[1-2]。强电实验历来是该实验课的重点,因为涉及220 V和380 V强电,存在极大的安全隐患,为此想通过自制仪器的创新构造以解决其安全问题。一台好的自制仪器既是师生进行教学、科研的成果,也是集科学知识、实际应用、创造发明、教学经验于一体的体现[3]。

自制教仪具有很强的针对性,因为教师都是针对教学的重点和难点等研究制作的教具,弥补教具种类的不足[4-5]。自制仪器具有先进性,能够满足实验室的特殊需要[6],能把现代新科技融合到实验中,让学生接受最新的科技成果。

为此,我们自主开发研制了几项强电实验演示仪器,并已投入实验教学3年,取得了很好的效果,拓展了学生的思维和领略新知识新技术的应用。

1 空气断路器演示装置

目前,在国内外的电工技术实验教学中,尚缺少专门的短路保护实验教学装置。由于短路保护实验属于高压、强电和破坏性的实验,具有一定风险。这部分内容以课堂讲授为主，缺少身临其境的体验,学生缺少直观认识,影响学习效果。为了使学生很好地理解课堂上所学的知识,教师在自制仪器设备的设计构思上贯穿了直观逼真的思想,直观性很强[7]。借助本实验装置在课堂演示,不仅丰富课堂教学手段,还能使学生深刻体会空气断路器的作用和动作原理。提升“学以致用”的教学理念,增强理论课程的实用性。

1.1 设计思路

设计的空气断路器演示装置,采用塑壳透明结构,直观明了,可以看清器件内部的真实结构；并且将220 V电压转换成低压弱电(6 V),然后增大驱动电流,增加工作有效性,确保了安全。电压降至6 V,再应用升流器进行电流转换,驱动电流达到60 A,大于空气断路器额定电流40 A,能达到动作要求；巧妙地把大电压低电流转换成低电压大电流,保证了安全性，还可以在0～60 A范围内调节电流,实现对应空气开关不同时间动作,可以实现短路保护作用。

该空气断路器示意装置包括熔断器、控制开关、调压器、升流器、显示电流表、空气断路器。

1.2 使用方法

打开电源控制开关,缓慢旋转调压器的旋钮,观察电流表显示的电流；当电流达到50 A(大于空气断路器的动作电流40 A)时,发生短路现象,对应的空气断路器切断时间约5 s,实际的空气断路器的切断时间约0.2 s,演示过程引导学生通过透明的面板结构观察内部结构的动作,以及切断时的巨大声响,给学生以很好的警示作用。图1为空气断路器演示装置图。

图1 空气断路器实验演示装置

1.3 效果

空气断路器演示装置为电工学实验课程提供了一种形象直观的教学工具，采用将高电压转换成低电压、增大驱动电流的技术思路,确保了设备在教学使用中的安全,避免了对仪器的破坏。该装置主要结构的透明化设计保证了教学演示中的直观性,警示性更强,能高度吸引学生的注意力,引发学生思考,有利于学生主动参与,并将知识具体化,便于学生对知识的理解和掌握。在电工与电子技术课程3年的实验教学中取得很好效果。此装置目前已申请专利。

2 热继电器演示实验装置

随着电子技术的发展,现在购买的教学仪器越来越高级,越来越集成化,也越来越封闭[8-9]。工业用的热继电器都是密闭的,看不到内部结构，不利于学生对其原理的掌握。为此基于教学需要研制了放大版透明的热继电器演示装置。

2.1 设计思路

电路设计要有控制电流选择:1倍,1.5倍,2倍额定电流3个档位,通过计时器能够观测不同电流倍率下热继电器的动作时间,同时配有电流表显示电流值的大小。通过电流值选择和对应切断电源时间的不同,让学生理解热继电器与空气断路器的区别及热继电器电流参数选择的意义。图2为热继电器演示装置前面板图。

图2 热继电器演示装置前面板图

2.2 结构特点及效果

热继电器采用透明结构(见图3),能清楚看到双金属片、黄色连杆和各触点等内部结构,并能够观察到双金属片弯曲和连杆带动触点的动作过程。220 V电源经过变压器输出6 V和24 V电压,24 V电压给中间继电器提供电压,控制起动开关的动作；6 V电压给热继电器电路供电；通过转换开关分别接电阻R1(4 Ω)、R2(3 Ω)、R3(2.4 Ω)控制电流1倍、1.5倍、2倍额定电流(电流表显示)3个档位。当电路接通时能分别观察对应3个档位时热继电器的动作:不动作和分别经过26 s、1.56 s的热继电器脱扣动作,在计时器上显示时间出来。每次动作完成后按下计时器的按钮可以使计时器清零。

图3 热继电器的透明结构

此实验装置能很好地让学生了解到热继电器的工作过程和参数选定的意义。

3 PLC控制变频器多速演示装置

3.1 设计方案

通过PLC编程控制变频器的调速,驱动三相异步电动机的运转,观察其不同转速,让学生能很好地理解变频器改变频率并控制转速；让PLC技术在工业控制领域的应用体现出来,使学生更直观感受现代科技的应用,保证实验教学的先进性。

3.2 结构及功能

该演示装置包括变频器、可编程逻辑器、开关控制、电动机4大部分。 变频器选用SANCHS900系列变频器,输入电压380 V,输出电源三相0～460 V,输出频率0.1～400 Hz；PLC选用西门子S7-200系列。图4为PLC控制变频器多速演示装置，图5为其内部接线图。

图4 PLC控制变频器多速演示装置

图5 PLC控制变频器多速演示装置内部接线图

可演示3种不同控制方式下变频器的7段不同速度:

(1) 通过选择“手动开关”手动控制变频器的7段不同速度,对应地显示三相异步电动机的7种转速；

(2) 通过选择“自动开关1”，由PLC编程控制变频器7段速度带动电机自动运行；

(3) 通过选择“自动开关2”，操作变频器的面板频率旋钮控制0～50 Hz频率对应的电动机不同转速运行。

3.3 效果

该装置操作简单、方便，安全可靠。不仅让学生直观观测到变频器的作用——变频率变速,融入先进的科技产品——PLC和变频器,也结合PLC让学生体会到自动化控制在工业领域的应用,并形成系统控制概念。同时，可以让学生独立地安全操作,加深体会,激发学生的学习兴趣。很好地体现了自制仪器具有的开拓性和创新性。自制仪器有助于改进教学方法和解决教学中的难点和重点,对激发学生的学习兴趣,培养学生的创新意识和实践能力有显著的作用。

4 取得的效果和作用

提高实验教学质量,始终是实验教学永恒的主题[10].实验教学是理论学习的外延,不仅是对理论知识的验证,也是对知识探索的过程,是学生逻辑思维建立的过程,学习科研思想的过程[11]。研制的3项自制演示仪器,是教师按照实际教学需要创造性地研制出的合适的教学仪器,设计思路独创,不仅符合科学性,更有创新性,是在市场上购买不到的独特的产品,是教师针对教学的重点和难点研制的成果,其针对性强。在3年的实验教学应用中取得了很好的收益和效果。通过自制教学仪器的使用,有助于学生直观地看到所学理论能够达到的实际效果,激发学生的学习兴趣和创新意识,培养学生开发探索能力[12]。同时教师在设计和制作过程中也提高了自身的专业水平,促进了教学质量的提升。

References)

[1] 黎明, 付扬. 少学时电工电子学课程教学改革探究[J]. 实验技术与管理, 2010,27(11):292-294.

[2] 那景芳, 徐小平, 段建民. 多层次内容循环渐进实践教学模式的研究与实践[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(2):107-109.

[3] 许林云. 自制实验仪器设计及在课程教学中的应用[J]. 中国现代教育装备, 2009(14):5-7.

[4] 张静. 对自制教具的深层剖析[J]. 实验教学与仪器, 2013, 30(2):47-48.

[5] 王小赞, 于宗仁. 自制实验仪器在水文地质专业教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(4):73-76.

[6] 仲崇楠, 汪曣, 孙景. 加强自制仪器设备的管理,充分发挥设备的综合效益[J]. 实验室研究与探索, 2004, 23(9):99-100.

[7] 陈发堂, 熊慧萍, 陈东生. 加强自制仪器的研发实现创新能力的培养[J]. 实验室研究与探索, 2009, 28(2):46-47,51.

[8] 王长远, 霍晓奎, 刘琦,等. 自制仪器对促进教学改革的作用[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(1):117-118.

[9] 许森东.自制仪器在高校实验教学中的应用研究与实践[J]. 中国教育技术装备, 2013(6):128-129.

[10] 宋丽梅, 高艳艳, 王红一,等. 自制教学仪器在研究生教学中的应用:以在机器视觉课程教学中的应用为例[J]. 中国教育技术装备, 2015(24):48-49.

[11] 崔琳,苏明.优化电工电子实验教学提高实验教学质量[J]. 科技信息, 2010(30):115.

[12] 李如琦,贺秋丽,王辑祥,等. 自制实验教学仪器设备促进实验教学改革[J]. 电气电子教学学报, 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

北京理工大学校级自制仪器立项项目

高玄怡(1968—),女,吉林长春,工学硕士,高级实验师,主要从事电工学理论与实验教学.

E-mail:gaoxuanyi@bit.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.021