电机学实验教学设备改造

王智琦，林立，陈玮

（1.邵阳学院电气工程学院，湖南邵阳，422000；2.多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南邵阳，422000）

0 引言

《电机与拖动》与《电机学》需利用电机学实验设备进行实验教学，在进行直流电机和交流电机实验教学中，学生需要对电源、仪器仪表、电机进行接线。实验过程中，首先由老师进行设备参数设置、接线与上电流程示范，随后再由学生进行实验，但在学生实验过程中仍难避免因错误操作而使设备故障的情况发生，且老式电机学实验设备由于使用年限过久与长期处于故障-维修-再故障循环中，设备保护基本失效，应此必须对老式电机学实验设备的交流与直流供电系统进行改造。

本文利用直流电源模块对原直流供电系统进行替换，利用直流电源模块自带的短路保护与限流功能降低设备故障频率；并设计具有交流过流检测自锁功能的交流保护器，对原交流供电系统进行电流信号采样与过流保护。

1 电机学实验教学中遇到的问题

电机学实验教学中，一般采用3-4人为一组，一次实验课程授课人数为24-30人，以三人一组为例，学生需要负责接线、上电、电压电阻调节、实验数据记录等工作；电机学实验平台如图1所示，实验过程中问题表现在以下方面。

图1 电机学实验平台

(1)在课程开设过程中难免会有个别组在实验完成后，没有对实验平台进行恢复，如电源开关、电压调节旋钮等；下组实验送电时，直接大电压加载设备上，导致设备启动电流过高，对实验设备有损伤且有一定安全风险。

(2)学生进行设备接线时存在接线错误，具体如将直流电源正负极短接；将交流电流表与直流电流表混用；用并联方式接电流表；功率表同名端接错；电阻接线错等现象。

(3)对仪表指针读数不敏感，如电流表指针读数明显超过正常范围却继续进行实验直到设备出现明显故障现象。

(4)进行实验操作调节电阻时，没有观察相应回路的电流表读数变化，电阻串并联接线混乱。

鉴于以上现象难以杜绝，且由于老式电机学实验设备经过长期使用存在设备老化等问题，其中电枢电源过压过流保护、交流过流保护基本失效，应此可以对实验台交直流供电与保护系统进行改造。

2 直流供电系统改造

2.1 直流供电系统更新

教学用直流电机额定电压为220V，设备原有电枢电源电压调节范围为40~250V，采用单个功率管GT25Q101进行整流输出，现替换为如图2所示直流电源模块，直流电压输出0~220V可调，电流过流保护0~3A可调，原有高压电源板用铜柱支撑其上电路无需更改。原有设备线路改造如图3所示，直流电源模块输出0~220V可调电压，正极经过电枢回路保险丝送往电枢电源开关，负极与电枢电源开关连接，同时正极与负极送往电压显示开关进行电压显示；电枢电源开关输出分别送往电枢电源负极端口与电枢电源正极端口输出；电源模块调压电位器进行电压输出调节。

图2 电枢电源模块

改造完成后实验设备前面板如图4所示，其中电压指示切换为图3中电压显示开关，电枢电源为电源模块开关，电压调节旋钮为电源模块电位器，使用3A保险丝，电枢电压改造后为0~220V可调输出，带有短路保护与过流保护，原有过压、工作、过流与复位功能因老化失效被替换。

图3 设备后面板

图4 设备前面板

2.2 直流供电系统测试

电机学实验开设中电枢电源正常使用时其电流通常不会超过1.2A，故进行改造前会将电枢电源电流限幅调整至1.2A。为测试直流电源模块过流保护的可靠性，将直流电源、电流表与电阻组成串联回路，通过调压电位器将电压设置为100V，通过滑动变阻器将电阻初始值设置为144Ω，送电后电流显示为0.79A。减小回路电阻，电流表示数续增大至1.2A后保持不变，此时继续减小回路电阻，电压开始减小，即通过降压来达到过流保护的目的；将电枢电源输出端正负极通过电流表短接，送电后电压显示0V且电流表示数为0A，此时电枢电源无输出，达到了短路保护的目的。

3 交流保护系统改造

3.1 交流保护器设计

交流保护器如图5所示，采用霍尔电流传感器对交流供电系统输出电流进行信号采集，三相电流经过电流传感器将三路电流信号送往LM393与设定保护值进行比较，如过流则LM393输出高电平给74H32进行逻辑运算，之后由74H32输出高电平给继电器线圈并进行自锁，继电器常闭触点串入电机学实验设备交流接触器线圈使线圈失电从而切断交流主电路供电。

图5 交流保护器

其中霍尔电流传感器5V供电0-16A可测，输出信号为2.5±0.625/5V；继电器线圈内阻40Ω，用40Ω电阻模拟，其触点耐压250V，满足主电路接触器220V线圈信号电压，LM393为电压比较器、74H32为逻辑或芯片采用直插式方便后期维修。

具体电路仿真如图6所示，R1与R2提供过流保护信号参考电平；R3、R4模拟过流检测信号；R5作为LM393输出引脚上拉；R6、R7对Q2基极起限流作用；R8、R9提供Q1基极电压信号；Q1、Q2分别为PNP、NPN三极管用于过流信号自锁；S1为复位开关，通过断开自锁电路实现复位。仿真图中R1、R2、R3、R5、R6、R7、R9为10kΩ，R4为20kΩ电位器，R8为2kΩ。

图6 交流保护电路仿真（1）

图6所示状态中，模拟过流信号未达2.5V，LM393输出低电平，Q2基极为63.9mV低电平，处于截止状态，Q1基极为5V高电平，处于截止状态，此时继电器线圈电压为低电平，其常闭触点经主电路接触器形成回路正常工作；当模拟过流信号为3V时，如图7所示，LM393输出3.57V高电平，此时Q2导通，VCC经R9、R8、Q2到GND形成回路，Q2导通压降0.7V，R9、R8对VCC分压后得到Q1基极电压小于集电极与发射极电压，使Q1处于饱和导通状态，Q1集电极为4.82V高电平信号，经过S1、R7使Q2持续导通完成自锁，同时通过继电器线圈，使继电器常闭触点断开，从而切断主接触器线圈回路断开主电路供电；主电路失电LM393输出低电平，但由于自锁电路使继电器线圈处于工作状态，主电路无法合闸，需通过S1断开自锁电路使Q1、Q2处于截止状态才可重新进行主电路上电操作。

图7 交流保护电路仿真（2）

3.2 交流保护系统测试

经过电路设计、PCB制板焊接后得到过流保护器成品，其中保护信号参考电平设置为3.4V，电流传感器绕线圈数为3圈，即当主电路电流达到2A时，电流传感器检测信号为2.5±6*0.625/5V。如图8所示将过流保护器中三路电流传感器接入调压器输出回路中，将继电器常闭触点接入接触器线圈回路中进行测试，在主电路电流达到2A时接触器断开且需复位才能重新吸合，达到所需过流保护效果。

图8 实验接线

4 结论

本文对老式的电机学实验教学设备进行了改造，将电枢电源替换成了带有过流、短路保护的直流电源，电压可调范围由原来的40~250V合理优化为0~220V，且设计制作出交流保护器对实验台交流供电系统进行过流保护并进行了实验测试，测试结果表明，直流过流能将电流限制在指定电流内，交流过流将直接切断接触器供电，均能实现过流保护，增强了设备的安全可靠性能，有效的降低了设备的故障率。