應(yīng)用實(shí)例提高“電工電子學(xué)”課程的教學(xué)效果

賀 利

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266555)

“電工電子學(xué)”課程通常以理論學(xué)習(xí)為主，對(duì)于大部分理論內(nèi)容，學(xué)生的感覺就是分析和計(jì)算，對(duì)于所學(xué)內(nèi)容在實(shí)際中的運(yùn)用缺乏感性認(rèn)識(shí)，而實(shí)驗(yàn)課由于學(xué)時(shí)有限，只能選取大綱中的重點(diǎn)內(nèi)容和典型電路讓學(xué)生動(dòng)手操作，且實(shí)際動(dòng)手時(shí)間少。我們認(rèn)為，學(xué)生實(shí)踐能力的提高不要局限于實(shí)驗(yàn)課上動(dòng)手操作，還可以在理論課上以實(shí)例的方式同時(shí)實(shí)施。

1 教學(xué)案例1—基爾霍夫定律

1)實(shí)例內(nèi)容

假如你是一項(xiàng)工程的主管，下級(jí)工程師提供的電路接線圖如圖1所示，相關(guān)的數(shù)據(jù)列于表1。由于該接線圖沒有通過功率檢查，你需要判定:①接線圖上各元件的參數(shù)標(biāo)示和對(duì)應(yīng)表1的數(shù)據(jù)，其判斷是否正確?②你能否發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤?

2)解決思路

我們首先應(yīng)計(jì)算一下每個(gè)元件的功率，看整個(gè)電路的功率是否平衡。在計(jì)算元件吸收功率之前，首先根據(jù)元件的電壓電流的參考方向確定采用公式P=UI，還是P=-UI。然后，將所有功率相加，如果∑P=0，則下級(jí)的判斷是錯(cuò)誤的，如果∑P≠0，則下級(jí)的判斷是正確的。我們通過計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)∑P=-112.896W，可見下級(jí)的判斷是正確的。

再對(duì)流過各結(jié)點(diǎn)的電流檢查是否滿足基爾霍夫電流定律。通過檢查發(fā)現(xiàn)流過結(jié)點(diǎn)2和4的電流不滿足該定律。ie同時(shí)流過結(jié)點(diǎn)2和4，問題可能出在這里。將ie的數(shù)據(jù)改為-1.68A，再檢查，各結(jié)點(diǎn)均滿足基爾霍夫電流定律;再計(jì)算∑P，得到∑P=0，可見滿足功率平衡。

圖1 電路接線圖

表1 接線圖數(shù)據(jù)

2 教學(xué)案例2—相量圖

在正弦交流電路一章中相量和相量圖是兩個(gè)重要的概念。學(xué)生掌握這兩個(gè)概念就是用來正確分析正弦交流電路。為了讓學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)有較深刻的理解和興趣，在講完該章后，給學(xué)生舉一個(gè)如何應(yīng)用相量圖來判斷電能表接線是否正確的例子。

1)準(zhǔn)備知識(shí)

因?yàn)閷W(xué)生對(duì)感應(yīng)式電能表不了解，所以要求學(xué)生先在課外自學(xué)有關(guān)電能表的組成、工作原理等知識(shí)。教師可以提前準(zhǔn)備好有關(guān)這方面的資料，發(fā)給學(xué)生。

單相電能表和三相三線電能表的電路符號(hào)分別如圖2所示。在電路符號(hào)中，黑點(diǎn)表示電壓線圈和電流線圈的同名端。

圖2 單相電能表和三相三線電能表的電路符號(hào)

單相有功電能表計(jì)量出的功率為

式中，P'為電能表計(jì)量出的功率值;U和I為電能表所測到的電壓和電流的有效值;φ'為電能表所測得的電壓和電流相量的夾角。

如果電能表所計(jì)量的電壓、電流相量的夾角φ'與負(fù)載的阻抗角φ相等，那么電能表所計(jì)量的有功功率就是負(fù)載實(shí)際消耗的有功功率。如果二者有偏差，那么電能表所計(jì)量的有功功率與實(shí)際消耗的有功功率有出入，這種出入在現(xiàn)實(shí)生活中，就有可能造成供電部門與用戶之間的矛盾。

三相三線電能表計(jì)量出的功率為

式中，P'1和P'2分別為每個(gè)電磁元件計(jì)量的功率，算法同式(1)。

2)實(shí)例分析

在利用相量圖分析電能表接法是否正確時(shí)，應(yīng)遵守這個(gè)原則:如果電壓或電流的參考正方向從電能表的同名端加入，則認(rèn)為電能表所加的是正向電壓或電流。反之，如果電壓或電流的參考正方向從電能表的反極性端加入，則認(rèn)為電能表所加的是反向電壓或電流［1］。

依據(jù)上述原則判斷出電能表各元件所加的電壓和電流，畫出電壓和電流的相量圖，根據(jù)相量圖寫出電能表計(jì)量的功率表達(dá)式，最后判斷電能表的接法是否正確。

圖3 實(shí)例A的圖

(1)實(shí)例A:單相電能表的接法如圖3(a)所示，試問該電能表能否正確計(jì)量?

我們通過分析表明，在該接線圖中電流從電流線圈的反極性端流入，因此流過電流線圈的電流為-，電壓線圈承受的電壓為。該接法所對(duì)應(yīng)的相量圖如圖3(b)中的粗黑線所示，可見電能表所計(jì)量的電壓和電流相量的夾角φ'=180o－φ。則為P'=UIcos(180o－φ)=-UIcosφ。由上式可知，按此種接法，電能表將會(huì)不正常地反轉(zhuǎn)。

(2)實(shí)例B:教材［2］在講三相功率測量時(shí)，采用兩表法測量，其連接如圖4(a)所示，并給出了證明。下面我們用相量圖來說明這種連接是正確的。假設(shè)對(duì)稱三相負(fù)載為星形連接，阻抗角為φ。負(fù)載三角形接法所得結(jié)論一致。給出接法是為了具體畫相量圖。

圖4 實(shí)例B的圖

可見，此種接法可以正確計(jì)量對(duì)稱三相負(fù)載的有功功率。

(3)實(shí)例C:三相三線電能表的接法如圖5(a)所示。該電能表能否正確計(jì)量?

圖5 實(shí)例C的圖

此種接法，電能表不轉(zhuǎn)，無法計(jì)量消耗的電能。

3 結(jié)語

實(shí)例教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。在實(shí)際教學(xué)過程中，由于學(xué)時(shí)有限，實(shí)例的選擇不易過多過難，最好從實(shí)際工程中提煉出來。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)例也應(yīng)隨之不斷更新。

［1］ 李晉.防治竊電技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004

［1］ 劉潤華.電工電子學(xué)(上)［M］.山東:中國石油大學(xué)出版社，2008