基于WiFi技術的三相交流負載電路實驗教學

杜宇上,梁遠博,李水峰,劉銀萍

(廣東工業大學 實驗教學部,廣東 廣州 510006)

三相交流負載電路是電工學實驗教學中一個重要的知識點,傳統的實驗教學方法是學生在實驗裝置上進行接線,由實驗現象分析電路原理。由于三相交流負載電路實驗需要在連接380 V交流電壓的條件下進行,這往往引起實驗教師以及實驗室管理人員對學生用電操作安全的擔憂；同時由于采用手工連接電路、手工改變電路負載連接狀態的方法,也存在實驗用時較多、實驗效率不高等不足[1-7]。WiFi技術是一種無線網絡連接技術,通過WiFi技術,可以利用移動通信設備對其他的電路設備進行無身體接觸的控制。在電工學實驗教學裝備中采用WiFi技術,可以讓學生在電路帶電的情況下,通過智能手機無身體接觸地控制實驗電路,安全、便捷地使實驗電路處于不同的實驗狀態,進行實驗原理的直觀驗證和分析。

1 實驗原理

三相交流負載電路可分成星形連接和三角形連接2種基本連接方式。在三相交流負載電路實驗中,往往將星形連接電路和三角形連接電路分別設置為負載對稱與不對稱的狀態,測量電路的電壓值和電流值,驗證和分析其中的實驗原理[8]。

2 實驗電路的設計

為了方便實驗器材的準備,通常采用白熾燈作為三相電路的負載,每相用2盞白熾燈串聯,如圖1所示。例如,當負載對稱時,用6盞25 W的白熾燈,分成3組進行接線；但負載不對稱時,則令其中一組負載改用2盞40 W的白熾燈串聯而成。

圖1 采用白熾燈的三相負載電路

為了便于電路進行負載對稱和不對稱的轉換,可采用開關進行切換控制,電路原理圖如圖2所示。圖2中,在需要改變負載的那一相中,分別接上2組白熾燈,一組為2盞25 W的白熾燈L1、L2串聯而成,另一組為2盞40 W的白熾燈L3、L4串聯而成,通過單刀雙擲開關S1進行電路的切換。當開關S1處于1的位置時,白熾燈L1、L2接入電路中,為三相負載對稱的狀態；當開關S1處于2的位置時,白熾燈L3、L4接入電路中,為三相負載不對稱的狀態。

圖2 通過開關切換的三相負載電路

在實驗裝備的設計中,圖2中的開關S1由繼電器中的觸點實現。實驗裝備結構如圖3所示。通過智能手機發出指令,WiFi電路模塊接收指令信息,并控制繼電器模塊中的繼電器觸點發生動作,從而控制開關S1發生動作。

圖3 實驗裝備結構

WiFi電路模塊采用如圖4所示的基于樂鑫ESP8266安信可WiFi電路模塊[11-12]。為了在后續的實驗中能進行應用的拓展,采用如圖5所示含有4個繼電器的繼電器模塊。

圖4 WiFi電路模塊實物

圖5 繼電器模塊實物

圖6所示為在實驗室原有的TPE-DQ電工實驗箱基礎上,加入WiFi電路模塊、繼電器模塊的接線實例——三相負載星形連接電路。

圖6 實驗電路接線實例

安裝在手機的APP由WiFi電路模塊開發者提供,控制界面如圖7所示。打開手機WiFi連接,建立手機與WiFi電路模塊的連接,點擊圖7所示界面的GPIO“打開”按鈕,使WiFi電路模塊對應的引腳輸出電平發生改變,從而控制繼電器觸點發生動作,使三相負載電路的狀態發生變化。

3 教學實施

3.1 教學設計原理

根據變易學習理論,人如何理解一件事物,是在于他所聚焦的這個事物特征上,因此,要幫助學生對某個事物的理解,就需要幫助學生將未被他關注或辨識的關鍵特征分辨出來[13-14]。而要把某種事物的關鍵特征從眾多背景和多個事物中分辨出來,需要通過變易的處理方法[13,15]。

圖7 APP控制界面

在電工學實驗教學中,教師可以思考如何將知識點的特征進行變易處理,例如對電路的狀態進行變易,從而設計并制造出有助于學生分辨學習內容關鍵特征的學習活動。本文所討論的“三相交流負載電路”實驗教學,正是在這樣的教學理論指導下進行教學設計和開展教學活動的。本實驗項目教學設計中,教學內容的變易處理如表1所示。而表1 中對星形連接電路和三角形連接電路的變易處理,可通過上述基于WiFi的實驗裝備實現負載對稱和不對稱狀態的切換。

表1 教學內容的變易處理

3.2 教學過程

(1) 教師講解。教師首先介紹三相交流負載電路星形連接方式和三角形連接方式的電路結構,分析兩者的特征,提出兩者的區別。分別介紹2種電路連接方式在負載對稱與不對稱時的特點,比如電路線電壓與相電壓、線電流與相電流之間的關系,特別是對于星形連接方式,當其分別為負載對稱與不對稱狀態時,電路中線電流和電路中點電壓的特點。

(2) 學生實驗。學生根據星形連接和三角形連接的電路結構,在實驗箱上連接電路,同時也接入WiFi控制模塊和繼電器模塊。在教師檢查連線正確之后,打開電源,通過手機APP控制繼電器模塊觸點發生動作,使到電路處于負載對稱或不對稱狀態,并測量有關的電壓值和電流值。根據變易理論,學生需要在實驗情境中去分辨三相電路負載對稱和不對稱條件下的特征。因此,在學生實驗的過程中,教師要求學生對測量的數據進行比較,思考和分析同一種電路連接方式在負載對稱與不對稱的情況下,相同類型的實驗測量值出現不同大小的原因是什么,并嘗試從實驗原理中去尋找答案。

(3) 課后思考。由于電工學實驗是一門重視理論聯系實際的課程,要求學生能夠將在課堂中學到的知識運用到實際應用之中。因此,在通過實驗的驗證,讓學生了解三相交流電路負載對稱和不對稱的特征之后,需要教師再向學生布置與現實相結合的學習內容,比如讓學生思考:在常見的星形連接電路系統中,若是中線接觸不好,是否會對電路中用電設備的安全運行構成威脅？以此將問題情境由實驗室的電路模型情境轉化為現實情境,促進學生對概念特征的掌握。

4 教學實施建議

4.1 變易過程中須加強師生的互動

根據建構主義學習理論,教師是學生學習活動的引導者,因此,教師在實驗課堂過程中,除了要指導學生如何使用智能手機APP去控制WiFi電路模塊,還需要注意教師與學生之間的互動。主要體現在,學生通過APP控制電路狀態的變化,教師對學生提出問題,引導學生通過觀測實驗數據、實驗現象的變化,思考其背后的原理,教師根據學生現場的分析對學生進行響應,指出學生現場回答的表述中存在的不足,也對學生的良好表現進行肯定。

4.2 變易須以推進教學內容深入為目的

實驗課程的教學過程中,變易的目的是為了突出特征,由變易推動教學內容的漸進發展,以幫助學生理解教學的重點和難點。因此,教師在教學設計時,應該明確必須在學生已有知識的基礎上進行變易,要考慮變易的內容與教學目標之間的關系,逐步地推進實驗內容和實驗任務的深入。

5 結語

通過WiFi電路模塊嵌入到實驗裝備中,使實驗操作者通過智能手機控制電路狀態的變化,既減少了重復連接線路的環節、節省了操作時間,也能盡量地減少與帶電電路的直接接觸,降低觸電的安全隱患。同時,通過WiFi電路模塊控制實驗電路,使電路在380 V的供電環境下便捷地切換不同的工作狀態,呈現不同的電路特征,突出了教學內容中有關概念的特征,便于學生在自主學習中理解和掌握有關知識點。隨著技術的發展,WiFi技術在實驗裝備中的應用將會進一步地成熟,應用面將會進一步地拓寬,為傳統實驗教學帶來了機遇,為促進學生電工電子課程學習提供更多的樣式和途徑。

References)

[1] 顏芳,宋焱翼,謝禮瑩,等.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理,2013,30(5):59-62.

[2] 劉芳,吳成就,潘俊濤.基于Matlab/GUI的電力電子電路仿真平臺構建[J].實驗技術與管理,2016,33(1):107-110,126.

[3] 李文娟,程靜思,黃懷翀,等.Simplorer在電力電子電路仿真實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(11):111-113,120.

[4] 梁梅,馮藝,羅璇,等.電力電子電路探索性實驗研究與實現[J].實驗室研究與探索,2017,36(3):167-170,175.

[5] 劉洋,倪亞玲,吳婷婷.虛擬仿真技術在機電一體化實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術,2016,14(5):11-13,25.

[6] 強秀華,李林.基于Multisim13的高壓三相短路仿真實驗[J].實驗室研究與探索,2015,34(10):108-110,120.

[7] 李露,孫艷.電路仿真設計軟件Multisim在三相交流電路中的應用[J].實驗室科學,2014,17(6):44-46.

[8] 彭端.電工與電子學實驗[M].長春:吉林大學出版社,2016:52-55.

[9] 盧健康,馬國禎.三相不對稱星形負載電路去中線的研究[J].電氣電子教學學報,2016,38(6):68-69,152.

[10] 牟曉明,吳建強,劉冬梅,等.研究性三相電路實驗教學探討[J].電氣電子教學學報,2016,38(4):121-123,129.

[11] 安信可科技.ESP8266系列模組專題[EB/OL].[2017-07-01].http://wiki.ai-thinker.com/esp8266.

[12] 曹振民,陳年生,馬強,等.基于ESP8266的無線控制電路設計[J].工業控制計算機,2017(1):68-69.

[13] 盧敏玲.變易理論和優化課堂教學[M].合肥:安徽教育出版社,2011:28,33-37.

[14] 張霄.變易理論在科學教育中的應用及啟示[J].當代教育科學,2016(24):56-60.

[15] 隗峰,趙同友.變異學習理論及其應用[J].上海教育科研,2008(6):54-56.