“电机学”中量化概念教学方法探讨

陈浈斐　马宏忠

摘要：针对“电机学”课程中电磁关系复杂、理论概念抽象、分析方法灵活多变的情况，提出量化概念的教学方法。并以变压器等效电路一节内容为例，通过融入参数量级区分、实际例题示范等方法，加强学生对变压器参数量级大小的概念，提高学生灵活运用不同等效电路解决问题的能力。

关键词：电机学；量化概念；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）30-0192-02

“电机学”是我国电气工程及其自动化专业必修的一门课程，其内容涉及变压器、旋转电机等多种核心电力设备工作原理和分析方法，是后续学习电力系统分析、电力系统继电保护、发电厂电气设备和自动控制等专业课的前提和基础，在本科教学的课程设置里面具有重要地位[1-3]。“电机学”课程的学习需要有扎实的“电”和“磁”方面的知识，但由于“磁”学概念抽象，铁磁材料饱和等非线性特性的影响，使其成为老师难教、学生难学的课程之一[4-6]。

一、课程特点

在“电机学”课程的教学中，考虑到本科生的接受能力，教师需要将部分复杂的问题进行简化，将不熟悉的“磁”学知识转化为学生们熟悉的“电”学知识来进行教学，降低学习难度。其中，最具代表性的就是变压器和异步电机等效电路的学习。等效电路是分析变压器和异步电机工作特性的重要方法之一，因其简捷、直观，在工程中应用较为广泛，也是“电机学”课程教授的重点内容。但经过多次教学实践发现，用电路代替磁路虽然便于理解，但不能完全替代磁路的所有特性。一方面，部分学生会单纯地将变压器和旋转电机看成一个电路，以电路的思路去分析问题，忽略设备本身磁路特性，导致对这部分知识的理解出现偏差；另一方面，部分学生考虑磁场特性较为全面，在利用简化等效电路分析问题时往往不能理解，导致思考过于复杂，不能灵活应用所学知识解决问题。

二、量化教学方法

针对上述问题，经过深入分析发现，学生对变压器等效电路只有定性认识，而对其各个参数的量值大小没有概念，因此往往会等同对待，忽略各参数数值的影响。而在教学时，根据分析问题的难易，课本中往往会采用不同的分析方法（如不同的等效电路）进行分析，若学生对不同方法采用的先决条件和之间的差别不能准确把握，往往造成思路混乱，难以达到较好的教学效果。笔者根据多年教学经验，以变压器几种等效电路的教学为例，拟进行量化概念的教学方法改革，以加强学生对这部分内容的理解。本文以“电机学”中变压器等效电路这部分内容为例，说明量化教学方法的实施过程。教师首先在介绍变压器工作原理和电磁关系的基础上，通过绕组折算得到T形等效电路；继而，在对T形等效电路参数进行说明时，增加电阻与电抗量级关系、励磁电抗与漏电抗量级关系、励磁电抗与负载阻抗量级关系以及铁心饱和对电阻各阻抗的影响的说明，让学生对T形等效电路各支路阻抗量级大小进行区分；基于量级大小关系，进一步进行电路简化，获得Γ形等效电路和一字形等效电路；通过具体可计算的示例让学生利用三种不同的等效电路自行计算变压器的各方面的电磁特性；最后通过对比分析示例中的实际数据，让学生对变压器六个阻感元件参数有定量的理解，从而帮助学生理解三种电路的误差大小和优缺点，便于他们今后分析问题时选择合理的等效电路进行计算。

三、教学示例

在“变压器”这一章的教学当中，如何利用T形等效电路、Γ形等效电路和一字形等效电路三种不同的等效电路来分析问题和解决问题是重要的教学内容之一。学生若按照电路中理论去思考，三种等效电路图很显然完全不同。而大多老师在介绍这部分内容时往往会进行简单说明，由于I1（R1+jX1）<

因此，在进行这部分教学时，若能通过实例进行辅助讲解，让学生对各变量有定性概念之后再进行总结说明，则更为清晰。下文以一台单相变压器为例进行示例：一台单相变压器，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，根据三种等效电路分别计算变压器的电流、功率、效率、功率因数等性能。由于变压器铁心不饱和时，励磁电抗远远大于变压器其他参数和二次侧负载，采用三种等效电路计算的结果相差不大，三者效率均为93.63%左右，功率因数也均为0.79。而采用简化等效电路可以大大简化计算过程，更便于工程实际中应用。继而，考虑铁心饱和对变压器性能的影响。由于铁心进入饱和区后导致励磁电抗Xm减小，保持其他参数不变的情况下，令励磁电抗变为Xm=1990.4Ω，计算变压器效率和功率因数。可以发现，此时三者功率因数相近，均为0.79。T形等效电路和Γ形等效电路的效率均为93.06%，而一字形等效电路的效率为93.63%，存在一定误差。当铁心饱和加剧，励磁电抗Xm进一步减小，令励磁电抗变为Xm=199.04Ω，并利用三种电路计算变压器各性能。可以发现，此时T形等效电路的功率因数为0.78，Γ形等效电路和一字形等效电路的功率因数为0.79，仍然比较相近。但效率方面，T形等效电路的效率为71.19%，Γ形等效电路的效率均为71.37%，一字形等效电路的效率仍为93.63%。可见一字形等效电路忽略了励磁支路，存在较大的计算误差。此外，通过对比不同饱和程度时的变压器性能变化，可以发现随着饱和程度加强，励磁电抗逐渐减小，需要的励磁电流Im增大，励磁损耗增加，输入功率增加，输出功率降低，导致电机效率减小。综合对比三种情况下变压器的性能可以发现，当变压器铁心饱和不严重时，采用一字形等效电路可以大大简化计算，计算结果也与其他两种等效电路相近。但随着铁心逐渐饱和，励磁电抗的减小，Γ形等效电路与T形等效电路的计算结果误差逐渐增大，但整体来说基本相近。但一字形等效电路由于忽略了励磁支路，无法反映励磁电抗减小带来的问题，因此在变压器铁心饱和现象严重的时候与T形和Γ形等效电路计算结果相差较大，不能用来进行变压器性能分析。

四、结束语

“电机学”作为电气工程专业的主干课程之一，不仅理论性较强，还与工程实践密切相关。因此，在教学过程当中，应注意理论联系实际，通过引用实际示例和数据对相关理论进行解释说明，对部分知识进行量化教学，这样可以帮助学生建立层次分明的知识框架，加深对理论知识的理解，实现高素质工科人才的培养。

参考文献：

[1]马宏忠，方瑞明，王建辉.电机学[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].第2版.武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]肖金凤，盛义发，汪普林.满足创新创业能力诉求的电机学实践教学改革研究[J].中国电力教育，2013，（31）：153-158.

[4]朱显辉，师楠，苏勋文，康红明.关于提高电机学教学质量的思考[J].中国电力教育，2014，（33）：50-51.

[5]刘群英，王冰峰，陈树恒，张昌华，张榆平.基于三结合模式的电机与拖动教学实践探索[J].教育教学论坛，2017，7（28）：123-124.

[6]夏益辉，张俊洪，赵镜红，高嵬，王铁军，方芳.《电机学》模块化教學探讨[J].教育教学论坛，2016，2（7）：150-151.