“主流技術運用和標準化”的高職教育電氣專業意識

張文凡 盧梓江 陳奕駿 柯錫龍

摘 要： 高等職業技術教育電氣技術專業專業課程重構要著眼于機電行業規模與技術工藝整合、進步的水平預期，專業建設工作者應該秉持明晰的“主流技術運用和標準化”的高職教育電氣專業意識。時下維修電工技師考評過程所展現的知識與技能層次——PLC技術、交流電機變頻調速器運用技術等微機化智能控制系統技術等正是符合設備電氣時代水平特征的“主流技術”。

關鍵詞： 電氣技術 職業能力 標準化

高職技術教育電氣技術專業教學的職業能力培養以現代的、主流的機電技術工藝為基礎，其實施過程十分強調注重訓導培養能夠應對工作對象具有技術進步特征的能量控制分配機制的能力——專業軟實力。專業軟實力的培養方法研究是高等職業教育技術研究的重要內容，專業智能水平是職業適應狀況的決定性要素。高等職業技術教育電氣技術專業專業課程重構要著眼于機電行業規模與技術工藝整合、進步的水平預期，專業建設工作者應該秉持明晰的“主流技術運用和標準化”的高職教育電氣專業意識。

本文所謂電氣“主流技術”是指現時的通用機電設備控制分配電能機制特征技術，當然，仍是源于經典電磁理論的、基于新型材料技術成果的、已經形成相應業界新標準的“現代應用技術”。

一、電工學基本原理的本征解析

機電技術中的電工技術是關于電能量分配和智能控制的技術。

應用電工技術的基礎原理是歐姆定律定律和麥克斯韋電磁方程組。

1.歐姆定律u=R*i

R=ρ*L/S（材料本質及尺寸）

u=q/C（電荷的容存量，能功量）

i=dq/dt（載能電荷運行的即時規模）

解釋定律：客觀導電材料上的電量分析應劃分為以電壓（電動勢能信息）為主量的“信息變換及傳遞系統”和以電流為主量的“能量傳輸電路”。

控制信息傳遞系統第一要素是“保證信息的準確”，控制系統傳遞信息不一定依賴固形材料（例如可通過空間電磁場感應傳遞）。

使用電動機為電能耗用終端的設備繼電器線路形式控制電路主要形成運動控制“邏輯、時間、順序”機制，自保、互鎖、延時、中繼等都是形成控制信息的電路。

采用集成運放器為核心的信號電壓調節器主要解決比例（信號放大）、微分（信號即時變化率）、積分（信號的時間積累效應）。而整流、檢波、限幅、隔離、跟隨、調零、保護等都是附加電路。

電能量傳輸的第一要素是電路成為回路，一定依賴有形的導電材料，再者就是能量規模（大小）和傳輸時間可控。因此，控制電路的關鍵功能是信息“變換（如電壓放大器）”和“調節”。

主電路的關鍵功能是能量的“被控”和“驅動”，而反饋電路則是對于完成基本運轉功能的、由基本控制器和驅動器（主電路）組成的開環系統輸出量檢測并形成修正信號的“智能化”部件。

所謂現時的機電“主流技術”是指由集成PID運算器件、高速邏輯運算器件（CPU）及大容量數據存儲器件為核心的控制器運用技術、由可高頻全控大功率無觸點開關元件為核心的驅動器運用技術及由新型傳感器為核心的傳感信號接收變換電路技術。主流技術，還可理解為富含技術創新意義的、通適于標準化設備運行指標提升的替代性部件運用技術。例如，時下維修電工技師考評過程所展現的知識與技能層次——PLC技術、交流電機變頻調速器運用技術等微機化智能控制系統技術等正是符合設備電氣時代水平特征的“主流技術”。所以，專攻這些關鍵功能電路的原理是我們業務水平提高不可回避的。

2.麥克斯韋電磁方程組揭示了客觀材料所在空間的牛頓力場（機械力場），電場，磁場之間能量作用關系——機械能轉化為電能，或電能轉化為機械能，都必然是以磁能為轉換介質場（而且經歷時間）。因此，機電能量轉換技術離不開磁材料技術，也離不開磁路分析技術。

由于傳統的磁路材料磁傳導敏感介于溫度和介質成分，其電氣特性檢定比較困難，因而在我們的工作環境（教學或試驗）中，一般是僅僅浮于引用經典理論判據的層面。但是，近些年來，新型合成磁性材料技術迅猛發展，其運用空間（特別是在機電技術領域）急速擴展。

再者，材料科學技術和信息技術是工業技術發展的雙引擎，感知設備運動狀態和形成系統信息的傳感器技術是智能系統的前端。

事實上，專業教學資料當中，能量轉換的“磁性材料”知識結構和信息轉換的“傳感材料”知識結構最需要進行重整。

從對于控制方式本質的理解判斷機電控制技術的發展方向；以一個四端電路（網絡）為例若以改變激勵能夠實現相應響應，則控制方式可分為：

a.電流控制電流（控制機制參數體現為電流放大系數），

b.電壓控制電流（控制機制參數體現為轉移電導（跨導）），

c.電壓控制電壓（控制機制參數體現為電壓放大倍數），

d.電流控制電壓（控制機制參數體現為轉移電阻（跨阻）），

實現電能利用的機電設備的電路多以電流為被控量，所以上述a、b兩種控制方式是驅動器電路，c是信息處理電路，d不是機電設備電路優選形式（能量控制信號）。

上述a、b方式分別代表兩個時代的電能傳輸電路（主電路、驅動器）形式；

a方式中，電流控制電流的中心技術是：實現小電流控制大電流、一路電流控制多路電流，代表性功能器件有三極管和繼電器。

三極管，響應速度高，無動作觸點，但控制電路與被控電路有公共支路，控制量與被控量的高次諧波相互影響或制約。而且可承受功率在瓦特級，一般不符合機電設備功率規模要求。

繼電器（接觸器），以電—磁—力形式驅動開關觸點動作，實現小控大和一控多。但觸點動作時間不準、電弧現象、線圈斷電反電動勢高并形成高頻干擾源、體積大等固有弱點，長期以來被視為“非理想器件”。

b方式是經典控制技術體系中理想的控制方式——信息控制能量。

上世紀后半期，業界使用大功率半控型電子器件晶閘管加之PWM技術的移相觸法器實現有缺陷的“信息控制能量”方式于機電設備能量控制——主要是直流電動機的荷載調速。

直到上世紀末期大功率全控型電子器件IGBT（一種增強型絕緣柵場效應管器件）的商品化普及，機電設備用全控型的信息控制能量方式成為現實——例如在結構簡單價格低廉的交流電動機實現寬范圍的荷載變頻調速。

二、電氣主流技術發展的瞻望

機電設備機械構件的技術進步程度受制于材料技術發展及其成果的商品化程度。

電工技術是機電設備“血脈與神經”的構做，半個多世紀以來，電工器件材料技術成果極為豐富，加之微機系統技術滲入或者說嵌入電氣控制系統，全控型電力電子元件實現專利商品化，使得設備電氣系統日新月異。

通用機電電工技術范疇的電工新技術重點有：

——電力電子技術；利用電力電子器件實現工業規模電能變換的技術，是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科成果。器件以半導體為基本材料，根據器件的特點和電能轉換的要求，開發電能轉換電路，包括各種控制、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。

——電動機技術；強磁材料與低溫環境技術。

——虛擬現實技術；軟件型傳感系統分析與儀表。

——機電液智能控制技術；機械、液壓、電子融合控制技術使得機器的效率、性能、品質、可靠性等大大提升，如大型工程機械設備、深海或隧道的巨力液壓控制系統。

——微機電系統技術；常規電氣系統元器件微型化組件化甚至實現“疊層組件—集成化”即把微型化的敏感元器件、微處理器、執行器、各種機械構件、電動機、能源、光學系統等都集成于一個極小的幾何空間內，并且也能像集成電路一樣大批量、廉價地生產。

——電致流體相變技術；電場作用下電流變液（ERF，electrorheological fluid）可在“固”—“液”兩相之間轉換，轉換過程可控而且可逆，轉換時間為ms級，利用其電控力學行為，可以預期得到較之傳統力學元件更為理想的（機—電能量轉換控制的）響應指標。

——磁致流體相變技術；磁流變液是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體。在零磁場條件下呈現出低黏度的牛頓流體特性；而在強磁場作用下，則呈現出高黏度、低流動性。由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的，而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩定的對應關系，因此是一種用途廣泛、性能優良的智能材料。

硅膠導電與絕緣的智能化控制技術——導電硅膠是具備導電性能的硅膠制品，用于一些電子硅膠產品上開關接通的作用，現時應用于一些電子設備、家用設備、辦公設備中，比如導電硅膠按鍵，電線連接管、影印機滾軸，電纜插頭、連接器襯墊。作為可以在電磁場發揮“柔性”功能的新型器件必將影響機電設備電路構造技術。

三、通用的電工學知識與電工新技術運用銜接的工藝能力要素

——機電設備技術標準（國家標準、國際電工委員會文件、超級公司企業標準）的意志和執行能力。

標準化是機電設備可靠性的保障。國家標準中對機床的控制方式、接地方式、抗干擾、容錯、機械連鎖、危險部件防護等，作了較完善規定，有效保障了機床安全可靠地運轉。經驗證明，符合標準的機床，故障率較低，反之故障率則高。可靠的保護措施是防止器件和裝置損壞的重要方面。

當前的國家職業技能鑒定技師和高級技師考評體系強調了標準化水平是素質和技術能力的體現。

——技術資料規范化編整能力。

——微機控制應用程序解析能力。

——逆向工程能力；逆向于在確定材料條件下設計制造的路徑對產品拆解—解析技術工藝特征，提交改進或改性方案以期獲得結構或功能更優化的產品。

——工程數學與物理運動現實的映射解釋能力；例如df（t）/dt——f（t）——？蘩f（t）*dt的數理解釋可以是：某起因引起的變化率（暫態因子）——穩態規律——依時間的積累效應，其平面圖像表征是：波動劇烈程度——波動規律——波動量的時空功效。

參考文獻：

[1]張文凡.以聯合辦學企業素質標準為導向的高職機電專業課程案例及建設要略.考試周刊，2012，95.

[2]解軍.《電子電路實踐》課程的教學研究與實踐.華北航天工業學院學報，2011，3.