“電工技術(shù)”課程工程教學(xué)案例設(shè)計實例

劉鳳春，陳希有，牟憲民

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連116023)

為了配合我校實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，筆者在電工電子基礎(chǔ)核心課程建設(shè)過程中，開發(fā)了系列工程教學(xué)案例，試行了以案例教學(xué)為主要教學(xué)方法的研究型教學(xué)模式。教學(xué)案例不僅能培養(yǎng)學(xué)生的主動思考和學(xué)習(xí)精神，而且能起到應(yīng)用理論知識的強(qiáng)化作用。筆者基于教學(xué)案例設(shè)計的一些基本原則［1］，在“電工技術(shù)”課程教學(xué)中，設(shè)計了許多工程教學(xué)案例。通過近幾年的教學(xué)實踐，檢驗了這些案例在研究型教學(xué)過程中所起到的重要作用。

1 直流電路教學(xué)案例

直流電路是“電工技術(shù)”的入門章節(jié)，一般教材只是將此章作為承上啟下的教學(xué)內(nèi)容，注重理論體系的建立和理想化電路模型的分析求解［2，3］。但因在一定程度上忽視了本課程的工程應(yīng)用性，導(dǎo)致學(xué)生面對一個簡單的應(yīng)用實例，也感覺難以下手分析。

教學(xué)案例可以彌補(bǔ)上述不足。通過分析工程應(yīng)用實例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)怎樣從一個應(yīng)用實例建立物理(電路)模型，進(jìn)而分析計算。為此，筆者設(shè)計了一個煙霧報警器的教學(xué)案例。

1)案例介紹

火災(zāi)事故是常見的安全事故。及時報警可以減少事故發(fā)生，降低事故帶來的生命威脅和經(jīng)濟(jì)損失?；馂?zāi)報警器的原理有多種，但每一種原理的報警器都有一定的使用環(huán)境限制。例如，基于紅外線檢測的報警器，只有在燃燒體的溫度已經(jīng)明顯升高且距離燃燒體較近時才能產(chǎn)生報警;基于空氣中化學(xué)成份檢測的報警器，它只對某種特定的燃燒物能夠起到報警作用，對其它物質(zhì)燃燒毫無報警用途。

圖1所示是基于光學(xué)原理和光電原理的煙霧報警器的結(jié)構(gòu)示意圖。煙霧的產(chǎn)生可能是吸煙所致，也可能是某種物質(zhì)燃燒所致。當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)時就會發(fā)出聲光報警信號。

圖1 煙霧報警器結(jié)構(gòu)示意圖

2)授課方案

本教學(xué)案例可以在“直流電路”一章授課的最后給出，如下的三個步驟可以幫助學(xué)生提高對電路的分析和計算能力。

(1)建立電路模型—為了分析報警器的工作原理，首先需要建立如圖2所示的實際煙霧報警器的電路模型，以此幫助學(xué)生理解實際系統(tǒng)與電路模型的關(guān)系。

圖2 煙霧報警器原理示意圖

(2)電路的定性分析—電路分析涉及到的知識點包括:光敏電阻特性、電阻的串聯(lián)與并聯(lián)等效、電橋平衡原理等。此步驟需要增加光敏電阻與繼電器兩方面的預(yù)備知識。在介紹無源元件電阻器模型時，可讓學(xué)生自行查閱光敏電阻的相關(guān)知識。繼電器是后續(xù)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，可以在此先簡單介紹一下工作原理。

(3)電路的定量計算—給出各個元器件的具體參數(shù)，計算各支路的電流和電壓。計算涉及到支路電流法和戴維寧或諾頓定理等解題方法的應(yīng)用。

3)拓展知識與問題

(1)電路設(shè)計—電路設(shè)計時所需要的條件:給定直流電壓源的電壓和容量，提出報警器的煙霧濃度靈敏度和繼電器KA 產(chǎn)生動作所需要的最小電流，選擇各元件參數(shù)，并使靜態(tài)功耗最小。另外，在此案例中，還沒有給出報警電路。該問題可以延伸到學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)時再解決。

(2)電路改進(jìn)—如果將直流電源改成交流電源，電路應(yīng)該做哪些修改?解釋直流電源供電和交流電源供電的優(yōu)缺點。該問題可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)交流電路時再解決。

(3)節(jié)能思考—如果燈泡長期點亮，將耗費電能。如果燈泡采用間歇發(fā)光方式，則可大大降低燈泡的功率損耗，并延長使用壽命。

(4)靈敏度思考—對繼電器KA 部分進(jìn)行改進(jìn):增加電壓放大環(huán)節(jié)，可增加靈敏度，降低電橋部分的靜態(tài)功耗。該問題可延伸到學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)的放大電路一章時再解決。

2 暫態(tài)電路教學(xué)案例

暫態(tài)電路分析是“電工技術(shù)”重要的一章，多數(shù)教材的教學(xué)內(nèi)容基本局限在理論分析計算的層面。而實際應(yīng)用中，有很多利用暫態(tài)過程實現(xiàn)所需功能的設(shè)備，電焊機(jī)就是很好的一例。

1)案例介紹

電焊機(jī)的點焊過程就是利用大電流通過工件壓接點的接觸電阻時，接觸點瞬時發(fā)熱而熔接金屬的。根據(jù)焊接理論和經(jīng)驗可知，使焊點的瞬間熔接需要大約50J 的能量。因為點焊是在幾毫秒內(nèi)完成的，瞬時功率可達(dá)上千瓦甚至更大，體積為1mm3的點焊區(qū)域內(nèi)溫升可超過金屬的熔點。

現(xiàn)代新型便攜式焊機(jī)的體積小重量輕，由于是手工操作的設(shè)備，必須使用低于50V 的安全電壓供電。那么，怎樣在低壓小容量供電電源的情況下，獲得很大的瞬時功率?

電容器的儲能容易，而且可以瞬間釋放能量，人們設(shè)計了如圖3所示的點焊機(jī)電源電路。供電采用24 伏電池;儲能電容器由三個電容量為105μF 的大電容器C1－C3并聯(lián)組成。該組電容器能夠在低電壓條件下存儲足夠的能量。S 為單刀雙擲開關(guān)，充電限流電阻R1的阻值5Ω，電阻R2是開關(guān)S 的等效內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻的總和，大約為5mΩ;電阻RL為焊點介質(zhì)的接觸電阻，可以將其理解為焊接負(fù)載，大約有20mΩ。

圖3 點焊機(jī)的充電放電模型

當(dāng)開關(guān)S 撥到左邊時，電容被充電儲能。當(dāng)開關(guān)S 撥到右邊時，電容放電瞬間釋放能量。因此，點焊機(jī)操作過程對應(yīng)著電容的充電和放電兩個過程。

2)授課方案

本案例將涉及到暫態(tài)電路的初始值、時間常數(shù)、零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)、瞬時功率和平均功率等RC 電路暫態(tài)分析中的基本問題?？梢詫⒋死鳛橐?，來展開講解RC 電路暫態(tài)響應(yīng)的各種概念，推導(dǎo)電容充放電的規(guī)律，并以本例的實際參數(shù)值進(jìn)行定量計算。除了計算常規(guī)的初始值、時間常數(shù)、零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)外，還應(yīng)對充放電的功率、效率以及電容儲能進(jìn)行計算。

通過定量計算得到結(jié)論:大容量電容器能夠儲存很高的電能，瞬間放電電流極大。正因為電容具有這樣的充放電特性，才能實現(xiàn)點焊功能。

在課堂分析過程中還應(yīng)指出，由于理想電源是不存在的，因此R1中還包括了電源的內(nèi)阻?？紤]到電源內(nèi)阻是很小的，故需要接外串電阻，使該支路的電阻值達(dá)到幾個歐姆。我們可讓學(xué)生思考:為什么要外串電阻?R1阻值選多大較為合適?過大或過小會有什么影響?

3)拓展知識與問題

圖3只是利用儲能電容的充放電特性作為點焊電源的電路模型，實際的點焊機(jī)電源還應(yīng)考慮以下問題。

(1)電路中的轉(zhuǎn)換開關(guān)S 可否采用普通閘刀開關(guān)?普通閘刀開關(guān)能否通過近千安培的瞬時電流?答案:采用的是無觸點電子開關(guān)，即專用大功率集成開關(guān)芯片，由手動按鍵和專門設(shè)計的電路控制它的切換，從而實現(xiàn)電容充電和點焊。

(2)探索提高充電效率的方法—通過前述定量計算，可知電容充電電路的效率較低。采用電池供電的電路需有較高效率。否則，點焊幾次電池就將耗盡電能。理論證明:采用分段式充電或直線型電壓源充電方法，可大大提高RC 電路的充電效率［4］。

3 交流磁路教學(xué)案例

交流磁路的系列知識是學(xué)習(xí)變壓器和電機(jī)等電工設(shè)備的理論基礎(chǔ)，功率損耗是交流磁路重要的概念。眾所周知，鐵磁材料在被交變磁化時要產(chǎn)生渦流損耗，該損耗使鐵心發(fā)熱，因此，渦流損耗在變壓器和電動機(jī)等電工設(shè)備中有害無益。事物都是一分為二的，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活中也有不少利用渦流原理來工作的設(shè)備和器具，電磁灶就是典型的一例。

1)案例介紹

電磁灶是利用電磁感應(yīng)渦流加熱原理制成的現(xiàn)代烹飪灶具。圖4是電磁灶的基本原理示意圖。

圖4 電磁灶

電磁灶是由高頻感應(yīng)加熱線圈(即勵磁線圈)、高頻電力轉(zhuǎn)換裝置和控制器等部分組成，并配置具有鐵磁材料鍋底的炊具。電磁灶的核心是位于電磁灶的耐熱陶瓷面板下方的高頻感應(yīng)線圈。電力轉(zhuǎn)換裝置可將工頻50Hz 交流電流變換為15 ～30kHz高頻交變電流通入感應(yīng)線圈中，線圈周圍便產(chǎn)生高頻交變磁場，磁場的磁力線通過導(dǎo)磁的鍋體后產(chǎn)生大量渦流，該渦流致使鍋體發(fā)熱，從而產(chǎn)生烹飪所需的溫度。

顯然，電磁灶煮食的熱源來自鍋具底部而不是電磁灶本身發(fā)熱后傳導(dǎo)給鍋具的。所以，電磁灶的熱效率要比其它類型灶具的熱效率高出近1 倍。而且，在加熱過程中沒有明火和煙塵，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射。因此，被譽為“綠色灶具”。

2)授課方案

本教學(xué)案例可以在講解交流鐵心的渦流損耗后提出來。通過該案例讓學(xué)生深入思考:渦流損耗與哪些因素有關(guān)?若不采用導(dǎo)磁材料制成鍋底的鍋具，會有什么影響?若不采用平底鍋，會有什么影響?如果電磁灶通電后不放置鍋具，有什么危害?

3)拓展知識與問題

(1)有鍋無鍋檢測。當(dāng)灶上有鍋或無鍋時，分析該電磁系統(tǒng)的哪些物理量將發(fā)生明顯變化，這就是有無鍋具的檢測依據(jù)。

(2)怎樣進(jìn)行功率調(diào)節(jié)?

(3)電磁灶工作時，其周邊是否存在磁場?怎樣防止磁場泄漏?

4 變壓器與暫態(tài)電路綜合教學(xué)案例

變壓器是“電工技術(shù)”中重要的一章。學(xué)習(xí)本章后，一般學(xué)生的思維總局限于變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。而后續(xù)的電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容中，也極少有應(yīng)用變壓器的例子。為了拓展學(xué)生的思維和知識面，筆者設(shè)計了照相機(jī)閃光燈電路的教學(xué)案例。

1)案例介紹

目前照相機(jī)已經(jīng)集成在手機(jī)中，成了師生最常用的生活用品。除了專業(yè)相機(jī)外，一般相機(jī)都是內(nèi)置閃光燈。如遇照相時現(xiàn)場光線較暗，就會自動閃光補(bǔ)足光線。喜愛思考的學(xué)生一定會想:小小閃光燈為什么會發(fā)出強(qiáng)光?

閃光燈分為普通型和自動調(diào)光式兩種。圖5所示的是簡化的普通型閃光燈驅(qū)動電路。該電路由四部分組成:①由變壓器T1和高速電子振蕩開關(guān)S2組成的振蕩升壓電路;②由二極管D 和儲能電容C1(220 ～500 μF)組成的儲能電路;③由電阻R1和氖燈Ne 組成的電壓指示電路;④由變壓器T2、觸發(fā)電容C2和閃光管Xe 等組成的脈沖觸發(fā)閃光電路。

圖5 閃光燈驅(qū)動電路

驅(qū)動電路在S2合閘時，升壓變壓器T1輸出平均值約300V 的脈動電壓;經(jīng)二極管D 對C1和C2充電，當(dāng)電壓升高到330 ～350V 時，指示用Ne 燈點亮，指示充電就緒;當(dāng)按下按鈕SB 時，C2上的電壓放電在T2的二次側(cè)瞬間感應(yīng)出高壓觸發(fā)脈沖(約6～10kV)，通過閃光管Xe 的觸發(fā)極使管內(nèi)氙氣電離并導(dǎo)通，C1上儲存的電能瞬間通過閃光管放電完成一次閃光。

2)授課方案

該案例可以在講完變壓器一章后提出來。要求學(xué)生完成如下進(jìn)程。

(1)查閱資料，了解氖燈和閃光管的組成結(jié)構(gòu)和工作原理;

(2)分析電路原理，解釋電路中各元件的作用;

(3)為什么要使用高速通斷的電子開關(guān)S2?

(4)脈沖變壓器與工頻變壓器有什么不同?

(5)總結(jié):驅(qū)動閃光管閃光所需的高壓是怎樣產(chǎn)生的?驅(qū)動閃光管發(fā)出強(qiáng)光的能量來自何處?

通過這個教學(xué)案例強(qiáng)化了以下概念:變壓器不能變換恒定不變的電壓;瞬間觸發(fā)高壓的產(chǎn)生，是依靠電感的暫態(tài)電壓和變壓器的升壓雙重作用;閃光管發(fā)出強(qiáng)光的能量只有從儲能電容器上去獲取;能量守恒，所有能量均來自供電電源。

3)拓展問題

振蕩升壓電路部分的電子振蕩開關(guān)S2的組成以及工作原理留待電子技術(shù)相關(guān)章節(jié)繼續(xù)討論。

5 結(jié)語

“電工技術(shù)”屬于應(yīng)用性學(xué)科，生產(chǎn)與生活中的工程應(yīng)用實例不勝枚舉。工程案例的教學(xué)設(shè)計就是要從眾多的實例中簡化、提煉出蘊含概念和知識點的典型案例，使其難度和綜合程度與學(xué)生的認(rèn)知水平相適應(yīng)。如果教學(xué)案例貼近學(xué)生的生活，將更能提高其學(xué)習(xí)效果。

［1］ 劉鳳春，陳希有，牟憲民等. 面向卓越計劃的“電工學(xué)”課程教學(xué)改革［J］，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33(5):10-12.

［2］ 唐介. 電工學(xué)(少學(xué)時，第三版)［M］. 北京:高等教育出版社，2009

［3］ 秦曾煌. 電工學(xué)(第七版)［M］. 北京:高等教育出版社，2011

［4］ 陳希有，李冠林，劉鳳春. RC 電路充電效率分析［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34(2):32-35