電機學實驗教學設(shè)備改造

王智琦，林立，陳瑋

（1.邵陽學院電氣工程學院，湖南邵陽，422000；2.多電源地區(qū)電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽，422000）

0 引言

《電機與拖動》與《電機學》需利用電機學實驗設(shè)備進行實驗教學，在進行直流電機和交流電機實驗教學中，學生需要對電源、儀器儀表、電機進行接線。實驗過程中，首先由老師進行設(shè)備參數(shù)設(shè)置、接線與上電流程示范，隨后再由學生進行實驗，但在學生實驗過程中仍難避免因錯誤操作而使設(shè)備故障的情況發(fā)生，且老式電機學實驗設(shè)備由于使用年限過久與長期處于故障-維修-再故障循環(huán)中，設(shè)備保護基本失效，應(yīng)此必須對老式電機學實驗設(shè)備的交流與直流供電系統(tǒng)進行改造。

本文利用直流電源模塊對原直流供電系統(tǒng)進行替換，利用直流電源模塊自帶的短路保護與限流功能降低設(shè)備故障頻率；并設(shè)計具有交流過流檢測自鎖功能的交流保護器，對原交流供電系統(tǒng)進行電流信號采樣與過流保護。

1 電機學實驗教學中遇到的問題

電機學實驗教學中，一般采用3-4人為一組，一次實驗課程授課人數(shù)為24-30人，以三人一組為例，學生需要負責接線、上電、電壓電阻調(diào)節(jié)、實驗數(shù)據(jù)記錄等工作；電機學實驗平臺如圖1所示，實驗過程中問題表現(xiàn)在以下方面。

圖1 電機學實驗平臺

(1)在課程開設(shè)過程中難免會有個別組在實驗完成后，沒有對實驗平臺進行恢復(fù)，如電源開關(guān)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕等；下組實驗送電時，直接大電壓加載設(shè)備上，導(dǎo)致設(shè)備啟動電流過高，對實驗設(shè)備有損傷且有一定安全風險。

(2)學生進行設(shè)備接線時存在接線錯誤，具體如將直流電源正負極短接；將交流電流表與直流電流表混用；用并聯(lián)方式接電流表；功率表同名端接錯；電阻接線錯等現(xiàn)象。

(3)對儀表指針讀數(shù)不敏感，如電流表指針讀數(shù)明顯超過正常范圍卻繼續(xù)進行實驗直到設(shè)備出現(xiàn)明顯故障現(xiàn)象。

(4)進行實驗操作調(diào)節(jié)電阻時，沒有觀察相應(yīng)回路的電流表讀數(shù)變化，電阻串并聯(lián)接線混亂。

鑒于以上現(xiàn)象難以杜絕，且由于老式電機學實驗設(shè)備經(jīng)過長期使用存在設(shè)備老化等問題，其中電樞電源過壓過流保護、交流過流保護基本失效，應(yīng)此可以對實驗臺交直流供電與保護系統(tǒng)進行改造。

2 直流供電系統(tǒng)改造

2.1 直流供電系統(tǒng)更新

教學用直流電機額定電壓為220V，設(shè)備原有電樞電源電壓調(diào)節(jié)范圍為40~250V，采用單個功率管GT25Q101進行整流輸出，現(xiàn)替換為如圖2所示直流電源模塊，直流電壓輸出0~220V可調(diào)，電流過流保護0~3A可調(diào)，原有高壓電源板用銅柱支撐其上電路無需更改。原有設(shè)備線路改造如圖3所示，直流電源模塊輸出0~220V可調(diào)電壓，正極經(jīng)過電樞回路保險絲送往電樞電源開關(guān)，負極與電樞電源開關(guān)連接，同時正極與負極送往電壓顯示開關(guān)進行電壓顯示；電樞電源開關(guān)輸出分別送往電樞電源負極端口與電樞電源正極端口輸出；電源模塊調(diào)壓電位器進行電壓輸出調(diào)節(jié)。

圖2 電樞電源模塊

改造完成后實驗設(shè)備前面板如圖4所示，其中電壓指示切換為圖3中電壓顯示開關(guān)，電樞電源為電源模塊開關(guān)，電壓調(diào)節(jié)旋鈕為電源模塊電位器，使用3A保險絲，電樞電壓改造后為0~220V可調(diào)輸出，帶有短路保護與過流保護，原有過壓、工作、過流與復(fù)位功能因老化失效被替換。

圖3 設(shè)備后面板

圖4 設(shè)備前面板

2.2 直流供電系統(tǒng)測試

電機學實驗開設(shè)中電樞電源正常使用時其電流通常不會超過1.2A，故進行改造前會將電樞電源電流限幅調(diào)整至1.2A。為測試直流電源模塊過流保護的可靠性，將直流電源、電流表與電阻組成串聯(lián)回路，通過調(diào)壓電位器將電壓設(shè)置為100V，通過滑動變阻器將電阻初始值設(shè)置為144Ω，送電后電流顯示為0.79A。減小回路電阻，電流表示數(shù)續(xù)增大至1.2A后保持不變，此時繼續(xù)減小回路電阻，電壓開始減小，即通過降壓來達到過流保護的目的；將電樞電源輸出端正負極通過電流表短接，送電后電壓顯示0V且電流表示數(shù)為0A，此時電樞電源無輸出，達到了短路保護的目的。

3 交流保護系統(tǒng)改造

3.1 交流保護器設(shè)計

交流保護器如圖5所示，采用霍爾電流傳感器對交流供電系統(tǒng)輸出電流進行信號采集，三相電流經(jīng)過電流傳感器將三路電流信號送往LM393與設(shè)定保護值進行比較，如過流則LM393輸出高電平給74H32進行邏輯運算，之后由74H32輸出高電平給繼電器線圈并進行自鎖，繼電器常閉觸點串入電機學實驗設(shè)備交流接觸器線圈使線圈失電從而切斷交流主電路供電。

圖5 交流保護器

其中霍爾電流傳感器5V供電0-16A可測，輸出信號為2.5±0.625/5V；繼電器線圈內(nèi)阻40Ω，用40Ω電阻模擬，其觸點耐壓250V，滿足主電路接觸器220V線圈信號電壓，LM393為電壓比較器、74H32為邏輯或芯片采用直插式方便后期維修。

具體電路仿真如圖6所示，R1與R2提供過流保護信號參考電平；R3、R4模擬過流檢測信號；R5作為LM393輸出引腳上拉；R6、R7對Q2基極起限流作用；R8、R9提供Q1基極電壓信號；Q1、Q2分別為PNP、NPN三極管用于過流信號自鎖；S1為復(fù)位開關(guān)，通過斷開自鎖電路實現(xiàn)復(fù)位。仿真圖中R1、R2、R3、R5、R6、R7、R9為10kΩ，R4為20kΩ電位器，R8為2kΩ。

圖6 交流保護電路仿真（1）

圖6所示狀態(tài)中，模擬過流信號未達2.5V，LM393輸出低電平，Q2基極為63.9mV低電平，處于截止狀態(tài)，Q1基極為5V高電平，處于截止狀態(tài)，此時繼電器線圈電壓為低電平，其常閉觸點經(jīng)主電路接觸器形成回路正常工作；當模擬過流信號為3V時，如圖7所示，LM393輸出3.57V高電平，此時Q2導(dǎo)通，VCC經(jīng)R9、R8、Q2到GND形成回路，Q2導(dǎo)通壓降0.7V，R9、R8對VCC分壓后得到Q1基極電壓小于集電極與發(fā)射極電壓，使Q1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，Q1集電極為4.82V高電平信號，經(jīng)過S1、R7使Q2持續(xù)導(dǎo)通完成自鎖，同時通過繼電器線圈，使繼電器常閉觸點斷開，從而切斷主接觸器線圈回路斷開主電路供電；主電路失電LM393輸出低電平，但由于自鎖電路使繼電器線圈處于工作狀態(tài)，主電路無法合閘，需通過S1斷開自鎖電路使Q1、Q2處于截止狀態(tài)才可重新進行主電路上電操作。

圖7 交流保護電路仿真（2）

3.2 交流保護系統(tǒng)測試

經(jīng)過電路設(shè)計、PCB制板焊接后得到過流保護器成品，其中保護信號參考電平設(shè)置為3.4V，電流傳感器繞線圈數(shù)為3圈，即當主電路電流達到2A時，電流傳感器檢測信號為2.5±6*0.625/5V。如圖8所示將過流保護器中三路電流傳感器接入調(diào)壓器輸出回路中，將繼電器常閉觸點接入接觸器線圈回路中進行測試，在主電路電流達到2A時接觸器斷開且需復(fù)位才能重新吸合，達到所需過流保護效果。

圖8 實驗接線

4 結(jié)論

本文對老式的電機學實驗教學設(shè)備進行了改造，將電樞電源替換成了帶有過流、短路保護的直流電源，電壓可調(diào)范圍由原來的40~250V合理優(yōu)化為0~220V，且設(shè)計制作出交流保護器對實驗臺交流供電系統(tǒng)進行過流保護并進行了實驗測試，測試結(jié)果表明，直流過流能將電流限制在指定電流內(nèi)，交流過流將直接切斷接觸器供電，均能實現(xiàn)過流保護，增強了設(shè)備的安全可靠性能，有效的降低了設(shè)備的故障率。