三相異步電動機起?？刂颇K化教學(xué)研究

章曉眉

(浙江科技學(xué)院工程訓(xùn)練中心，杭州310023)

電工電子實習(xí)是全國各綜合性及理工科高校學(xué)生一門必修的實踐性技術(shù)基礎(chǔ)課，是工程訓(xùn)練課程五大模塊之一，是理工科有關(guān)專業(yè)教學(xué)計劃中重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。電工電子實習(xí)充分體現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點，在內(nèi)容上注意了廣泛性、先進性和實用性［1］。在保留實用的傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，增加了對新器件、新技術(shù)的介紹。以操作工藝為主線，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、動手能力與分析解決工程實際問題的能力，以及工程設(shè)計能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。要求學(xué)生通過訓(xùn)練，掌握常用電工工具和常用電工電子測試儀器儀表的使用方法，掌握現(xiàn)代電氣、電子設(shè)備制造的工藝流程及操作工藝，會讀圖，會看圖裝配，初步具備小型電動機、變壓器、常用機床電氣控制線路、電子線路等的故障分析與處理能力。

在實施過程中以實踐教學(xué)為主，安排學(xué)生進行獨立操作，并輔以講解及示范［2-3］。學(xué)生通過實習(xí)獲得電子電氣的基本知識，形成電子電氣制造生產(chǎn)過程的概念;具有運用電子線路知識的能力和從事電子產(chǎn)品生產(chǎn)與開發(fā)的技能，為進一步學(xué)習(xí)專業(yè)知識和專業(yè)技能，更好地適應(yīng)工作崗位打下一定的基礎(chǔ)。

1 調(diào)研階段

對電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)進行社會調(diào)研，對現(xiàn)高校電動機控制電路實訓(xùn)教學(xué)項目進行調(diào)研與引入。

1.1 模塊化教學(xué)的意義

電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)按照實習(xí)內(nèi)容及任務(wù)的不同，分解為各個實習(xí)模塊，將整個實習(xí)內(nèi)容進行重新構(gòu)建［4-5］。它不但使學(xué)生的學(xué)習(xí)時間更加靈活和自由，也使課程教學(xué)更加靈活，使電工電子實習(xí)不但可以作為必修課程，也可以作為選修課程，讓更多的學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力來更合理地選擇實習(xí)內(nèi)容。

通過學(xué)生自主選擇實習(xí)模塊，更能突出模塊化教學(xué)是以學(xué)生為主體的教學(xué)方式。根據(jù)各高校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃提出的模塊化教學(xué)改革，國內(nèi)許多高校已經(jīng)嘗試在電工電子實習(xí)課程中進行模塊化教學(xué)［6-7］。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

浙江科技學(xué)院電工電子實習(xí)課程面向大一與大二的學(xué)生，按照專業(yè)不同，根據(jù)各專業(yè)培養(yǎng)計劃要求將實習(xí)時間安排為1周(非電類工科專業(yè)學(xué)生)或2周(電類專業(yè)學(xué)生)。在實習(xí)的1周或2周中學(xué)生暫停所有其他課程，以接受比較全面的工程訓(xùn)練實踐性教育。為響應(yīng)學(xué)校提出的電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)改革，筆者主要針對電動機雙向轉(zhuǎn)動控制電路制作與調(diào)試實習(xí)項目的模塊化教學(xué)進行研究。按照實習(xí)內(nèi)容與任務(wù)，結(jié)合對高校電動機控制電路實訓(xùn)教學(xué)項目的教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)研，將整個實習(xí)內(nèi)容進行重新構(gòu)建，分解為4個實習(xí)模塊，即主電路、測量電路、接觸器點動和自鎖控制電路、指示電路。

2 實習(xí)內(nèi)容設(shè)計與構(gòu)建階段

三相異步電機啟動控制電路設(shè)計制作主要是針對電工類和電子類開設(shè)的實習(xí)內(nèi)容之一［8-9］。通過課程的實踐教學(xué)，學(xué)生應(yīng)達到下列教學(xué)目標(biāo):掌握電工操作規(guī)程，安全用電;熟悉繼電器控制電路的基本元件及特性;掌握簡單繼電器控制電路的基本設(shè)計方法，學(xué)習(xí)實現(xiàn)三相異步電機啟動系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)的保護措施及控制原理;了解電動機啟動的基本原理;掌握根據(jù)原理圖繪制接線圖的方法;掌握基本的電工作業(yè)技能。

電動機雙向轉(zhuǎn)動控制電路的制作與調(diào)試實習(xí)項目原為16學(xué)時，每天8學(xué)時，兩天連續(xù)實習(xí)完成。實習(xí)內(nèi)容為電動機雙向轉(zhuǎn)動控制的主電路、測量電路、控制電路和指示電路制作與調(diào)試。電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)后，學(xué)生實習(xí)時間分散，每次4學(xué)時，原連續(xù)兩天實習(xí)的教學(xué)任務(wù)必然無法完成。因此將實習(xí)項目調(diào)整為三相異步電動機的單向啟動控制電路，包括接觸器點動控制電路和接觸器自鎖控制連續(xù)運行控制電路。學(xué)時分配為主電路4學(xué)時、測量電路4學(xué)時、控制電路4學(xué)時、指示電路4學(xué)時。構(gòu)建的電動機控制電路實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容體系，包括低壓電器、電路原理電路連接、電路檢查調(diào)試等，設(shè)備元件表如表1所示。

表1 設(shè)備元件表Table 1 Device component table

三相異步電動機單向啟動控制電路的電源采用380 V的交流電源，由電源開關(guān)QF1引入。輸入接線端用來外接電源，即總電路的電源進線端;輸出接線端外接負載，即三相異步電動機。電路需要具有短路、過載、斷相以及電流不平衡的保護功能，有電壓和電流監(jiān)測功能。

2.1 主電路

主電路包括接觸器、輸入輸出接線端、過流及短路保護器件。從接觸器的特性可知，接觸器具有通斷電路的功能，所以可以利用接觸器使電機的進線端得到或失去電源(可控制電機的啟動與否)。輸入接線端用來外接電源，即總電路的電源進線端。輸出接線端外接負載(即電機)用來向電機提供電源，并可通過控制改變輸出接線端上的電壓狀況(有無電壓或何種電壓的相序)來控制電機的運行狀態(tài)。通過控制裝置可使進線端電源在不變的情況下，在輸出端得到所需的電壓。過流及短路保護器件選用的是自動空氣開關(guān)和熱繼電器，空氣開關(guān)具有短路及過流保護作用，但過流保護相對來而言不是很靈敏，可用來作為整個電路及負載的保護。熱繼電器適用于電機的過流保護，而且動作電流可調(diào)，作為負載的過流保護，可接在輸出接線端之前。主電路的器件位置從進線端到出線端的順序如下:輸入接線端→空氣開關(guān)→接觸器→熱繼電器→輸出接線端。

2.2 測量回路

實驗只測量電壓及電流。由于電動機在正常運行時，三相電流強度相同，所以只需測量一相電流強度即可。在工廠實際使用中，在電流較大的情況下，測量電流時電流表不能直接接入主回路，而是利用電流互感器，使電流表處于電流互感器的次級，構(gòu)成測量電流的二次回路。如果電流表接入主回路，電流表也可以測量電流，但當(dāng)負載電流很大時，電流表同樣承受很大的電流;當(dāng)電流過大或其他原因使電流表損壞，則電流表開路，主電路也被斷開。此種接法測量裝置的損壞會影響主回路的工作。

電壓的測量相對簡單，由于電壓表的理論工作狀態(tài)是處于開路狀態(tài)，所以只需讓電壓表的兩端處于所需測試的線路上即可。當(dāng)電壓表損壞后開路，并不影響主回路的工作。

2.3 控制電路

控制電路的主要作用是控制主電路接觸器的狀態(tài)。從接觸器的特性可知，決定接觸器狀態(tài)的唯一因素是，接觸器的線圈是否承受額定電壓。整個控制裝置的操作部分只有一綠(如圖1中的SB)或一紅一綠(如圖2中的SB1和SB2)的按鈕，所以只需利用按鈕常開及常閉開關(guān)來控制接觸器線圈的供電回路，即可控制接觸器的工作狀態(tài)，從而達到控制回路的目的。在實際使用電路中是一種稱為自鎖的連接，如圖2虛線部分所示，通過利用接觸器的一對常開觸點來達到自鎖的目的;當(dāng)啟動按鈕SB2按下，SB2上的常開開關(guān)變?yōu)槌ｉ]開關(guān)即SB2導(dǎo)通，接觸器上的輔助常開觸點KM1閉合，當(dāng)SB2復(fù)位，SB2斷開;但接觸器的供電回路仍然是導(dǎo)通的，因為接觸器線圈得電后KM1(圖2虛線部分中的KM1)常開開關(guān)變?yōu)槌ｉ]開關(guān)。

圖1 接觸器點動控制電路Fig.1 Contactor jog control circuit

圖2 接觸器自鎖控制連續(xù)運行控制電路及指示電路Fig.2 Contactor self-locking control continuous operation control circuit and indicating circuit

2.4 指示電路

指示電路的主要作用是顯示電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。指示燈HL1為電動機停止指示燈，通過交流接觸器KM1的輔助常閉觸點控制;指示燈HL2為電動機運轉(zhuǎn)指示燈，通過交流接觸器KM1的輔助常開觸點控制。

3 教學(xué)實踐階段

主電路電源采用380 V的三相交流電源，由電源開關(guān)QF1引入U、V、W三根火線(如圖1～2所示)。控制電路電源采用220 V的單相交流電源，由電源開關(guān)QF2引入W1、N(如圖1～2所示)。因?qū)嵙?xí)用的電動機功率只有1.5 kW，故將熱繼電器的整定值設(shè)置為最小，即2.5 A，如圖3所示。

3.1 點動控制線路

按圖1點動控制線路進行安裝接線［10］，步驟如下。1)接主電路:主電路采用380 V三相五線制電源，3根火線1根零線1根地線，接入接線端子X1，由低壓斷路器三相空氣開關(guān)QF1引入U、V、W;再經(jīng)交流接觸器KM1的主觸頭，熱繼電器FR的熱元件到電動機M的3個線端，用1 mm的電路導(dǎo)線依次串聯(lián)起來。2)主電路連接完畢檢查無誤后，再連接測量電路:測量電路分為電壓測量電路及電流測量電路。電壓測量電路，由接線端子X1的L1、L2、L3開始，經(jīng)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)再接電壓表。電流測量電路是將電流表并聯(lián)在電流互感器上，利用電流互感器使電流表處于電流互感器的次級，構(gòu)成測量電流的二次回路。3)測量電路連接完畢檢查無誤后，再連接控制電路:控制電路電源采用220 V的單相交流電源，由接線端子X1的第4端(零線N)和三相空氣開關(guān)QF1的第3輸出端(W1)接入單項空氣開關(guān)(帶漏電保護)QF2開始，經(jīng)過熱繼電器FR的常閉觸頭，按鈕開關(guān)SB的常開觸頭，交流接觸器KM1的線圈，最后回到QF2的零線端。

圖3 熱繼電器Fig.3 Thermal relay

接線過程中遵照從上到下，從左到右的順序接線，以防漏線;導(dǎo)線接入元器件時要遵照上進下出的原則，一旦線路有誤可以快速找到錯誤。接好線路，學(xué)生使用萬用表按照指導(dǎo)教師講述的線路檢查方法自行檢查，經(jīng)教師檢測未短路后，才可以進行通電調(diào)試。調(diào)試過程如下。

1)將電源線接入接線端子，閉合空氣開關(guān)QF1、QF2測試插頭有無短路，未短路，斷開空氣開關(guān)QF1，插上電源插頭，閉合空氣開關(guān)QF1引入。

2)按住啟動按鈕開關(guān)SB，使按鈕開關(guān)SB的常開觸頭變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈得電，KM1的主觸頭由常開變?yōu)槌ｉ]，電動機M開始運行;松開按鈕開關(guān)SB，即恢復(fù)SB的常開狀態(tài)，交流接觸器KM1的線圈失電，KM1的主觸頭恢復(fù)常開，電動機M停止運行。

3)實驗完畢，斷開空氣開關(guān)QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。

3.2 自鎖控制電路與指示電路

進行自鎖線路接線，主電路與測量電路一致，控制電路經(jīng)過QF2和FR后，接按鈕開關(guān)SB1的常閉觸頭、按鈕開關(guān)SB2的常開觸頭，在SB2上并聯(lián)交流接觸器KM1的常開輔助觸頭，最后經(jīng)交流接觸器KM1的線圈，回到QF2的零線端。進行指示電路接線，電路經(jīng)過QF2后，接交流接觸器KM1的輔助常閉觸點和輔助常開觸點，KM1的輔助常閉觸點再接指示燈HL1，KM1的輔助常開觸點再接指示燈HL2，最后指示燈HL1、HL2的另一端接零線。接好線路，學(xué)生使用萬用表按照指導(dǎo)教師講述的線路檢查方法自行檢查，經(jīng)教師檢測未短路后，才可以進行通電調(diào)試。圖4為浙江科技學(xué)院2017級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在實習(xí)過程中按圖2電路連接的實物圖。通電過程如下:

1)將電源線接入接線端子，閉合空氣開關(guān)QF1、QF2測試插頭有無短路，未短路，斷開空氣開關(guān)QF1，插上電源插頭，閉合空氣開關(guān)QF1引入，此時電動機M的停止指示燈HL1亮。

2)按啟動按鈕開關(guān)SB2，使按鈕開關(guān)SB2的常開觸頭變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈得電，KM1的主觸頭由常開變?yōu)槌ｉ]，電動機M開始運行;松開按鈕開關(guān)SB2，即恢復(fù)SB2的常開狀態(tài)，此時電動機M并未停止運行。因為KM1的線圈得電，KM1的常開輔助觸頭也由常開變?yōu)槌ｉ]。接觸器的供電回路仍然是導(dǎo)通的(通過接觸器本身的一對觸點)。再按SB2線路狀態(tài)不會改變，這就是稱為自鎖的連接電路［11-12］。此時電動機M的停止指示燈HL1滅，電動機運轉(zhuǎn)指示燈HL2亮。電動機啟動的瞬間電流達到1.5 A，運行后電流降至1.0 A。

3)按停止按鈕開關(guān)SB1，使按鈕開關(guān)SB1的常閉觸頭變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，從而使交流接觸器KM1的線圈失電，KM1的主觸頭恢復(fù)常開，電動機M停止運行。此時電動機運轉(zhuǎn)指示燈HL2滅，電動機M停止指示燈HL1亮。

4)斷開空氣開關(guān)QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。拆除控制回路中并聯(lián)在SB2上的自鎖觸頭KM1。測試未短路后，再接通380 V電源，此時電動機M停止指示燈HL1亮。按啟動按鈕開關(guān)SB2，電動機M開始運行;此時電動機M停止指示燈HL1滅，電動機運轉(zhuǎn)指示燈HL2亮;松開按鈕開關(guān)SB2，電動機M停止運行，此時電動機運轉(zhuǎn)指示燈HL2滅，電動機M停止指示燈HL1亮。對比過程2)與4)的現(xiàn)象可以驗證自鎖觸頭KM1的作用。

5)實驗完畢，斷開空氣開關(guān)QF1、QF2，拔下電源插頭切斷380 V的三相交流電源。

圖4 電路實物圖Fig.4 Circuit physical map

4 結(jié)語

電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)可以在必修課上先采用培訓(xùn)的方式進行實踐教學(xué)，然后逐步推廣到相關(guān)專業(yè)的開放實驗、公共拓展等實踐教學(xué)。將模塊化教學(xué)在浙江科技學(xué)院2017級物聯(lián)網(wǎng)學(xué)生實習(xí)中模擬，教學(xué)中因為學(xué)生平時很少動手連接電路線路，實際操作中會出現(xiàn)各種問題，模塊化教學(xué)更容易找出學(xué)生在實踐中哪個模塊中出現(xiàn)問題。電工電子實習(xí)模塊化教學(xué)可以根據(jù)學(xué)生的基本情況進行分組，完成不同的實習(xí)模塊［13］。對于實習(xí)能力強、完成快的學(xué)生還可以根據(jù)情況完成課堂以外的訓(xùn)練項目。例如三相異步電機啟動的項目，實習(xí)能力強的學(xué)生可以接著學(xué)習(xí)機械互鎖和電氣互鎖完成電動機雙向轉(zhuǎn)動控制電路，也可以讓這些學(xué)生指導(dǎo)實習(xí)能力較差的學(xué)生，這樣既可以促進學(xué)生之間的交流與合作，也可以提高學(xué)生查錯排故等綜合能力。電工電子實習(xí)模塊教學(xué)使學(xué)生實習(xí)靈活化，是一種以學(xué)生為主體的教學(xué)方式。

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