陳湞斐　馬宏忠

摘要：針對(duì)“電機(jī)學(xué)”課程中電磁關(guān)系復(fù)雜、理論概念抽象、分析方法靈活多變的情況，提出量化概念的教學(xué)方法。并以變壓器等效電路一節(jié)內(nèi)容為例，通過(guò)融入?yún)?shù)量級(jí)區(qū)分、實(shí)際例題示范等方法，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)變壓器參數(shù)量級(jí)大小的概念，提高學(xué)生靈活運(yùn)用不同等效電路解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué)；量化概念；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）30-0192-02

“電機(jī)學(xué)”是我國(guó)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)課程，其內(nèi)容涉及變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等多種核心電力設(shè)備工作原理和分析方法，是后續(xù)學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠(chǎng)電氣設(shè)備和自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)課的前提和基礎(chǔ)，在本科教學(xué)的課程設(shè)置里面具有重要地位[1-3]?！半姍C(jī)學(xué)”課程的學(xué)習(xí)需要有扎實(shí)的“電”和“磁”方面的知識(shí)，但由于“磁”學(xué)概念抽象，鐵磁材料飽和等非線(xiàn)性特性的影響，使其成為老師難教、學(xué)生難學(xué)的課程之一[4-6]。

一、課程特點(diǎn)

在“電機(jī)學(xué)”課程的教學(xué)中，考慮到本科生的接受能力，教師需要將部分復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，將不熟悉的“磁”學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生們熟悉的“電”學(xué)知識(shí)來(lái)進(jìn)行教學(xué)，降低學(xué)習(xí)難度。其中，最具代表性的就是變壓器和異步電機(jī)等效電路的學(xué)習(xí)。等效電路是分析變壓器和異步電機(jī)工作特性的重要方法之一，因其簡(jiǎn)捷、直觀(guān)，在工程中應(yīng)用較為廣泛，也是“電機(jī)學(xué)”課程教授的重點(diǎn)內(nèi)容。但經(jīng)過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，用電路代替磁路雖然便于理解，但不能完全替代磁路的所有特性。一方面，部分學(xué)生會(huì)單純地將變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)看成一個(gè)電路，以電路的思路去分析問(wèn)題，忽略設(shè)備本身磁路特性，導(dǎo)致對(duì)這部分知識(shí)的理解出現(xiàn)偏差；另一方面，部分學(xué)生考慮磁場(chǎng)特性較為全面，在利用簡(jiǎn)化等效電路分析問(wèn)題時(shí)往往不能理解，導(dǎo)致思考過(guò)于復(fù)雜，不能靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。

二、量化教學(xué)方法

針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)變壓器等效電路只有定性認(rèn)識(shí)，而對(duì)其各個(gè)參數(shù)的量值大小沒(méi)有概念，因此往往會(huì)等同對(duì)待，忽略各參數(shù)數(shù)值的影響。而在教學(xué)時(shí)，根據(jù)分析問(wèn)題的難易，課本中往往會(huì)采用不同的分析方法（如不同的等效電路）進(jìn)行分析，若學(xué)生對(duì)不同方法采用的先決條件和之間的差別不能準(zhǔn)確把握，往往造成思路混亂，難以達(dá)到較好的教學(xué)效果。筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以變壓器幾種等效電路的教學(xué)為例，擬進(jìn)行量化概念的教學(xué)方法改革，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的理解。本文以“電機(jī)學(xué)”中變壓器等效電路這部分內(nèi)容為例，說(shuō)明量化教學(xué)方法的實(shí)施過(guò)程。教師首先在介紹變壓器工作原理和電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)繞組折算得到T形等效電路；繼而，在對(duì)T形等效電路參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明時(shí)，增加電阻與電抗量級(jí)關(guān)系、勵(lì)磁電抗與漏電抗量級(jí)關(guān)系、勵(lì)磁電抗與負(fù)載阻抗量級(jí)關(guān)系以及鐵心飽和對(duì)電阻各阻抗的影響的說(shuō)明，讓學(xué)生對(duì)T形等效電路各支路阻抗量級(jí)大小進(jìn)行區(qū)分；基于量級(jí)大小關(guān)系，進(jìn)一步進(jìn)行電路簡(jiǎn)化，獲得Γ形等效電路和一字形等效電路；通過(guò)具體可計(jì)算的示例讓學(xué)生利用三種不同的等效電路自行計(jì)算變壓器的各方面的電磁特性；最后通過(guò)對(duì)比分析示例中的實(shí)際數(shù)據(jù)，讓學(xué)生對(duì)變壓器六個(gè)阻感元件參數(shù)有定量的理解，從而幫助學(xué)生理解三種電路的誤差大小和優(yōu)缺點(diǎn)，便于他們今后分析問(wèn)題時(shí)選擇合理的等效電路進(jìn)行計(jì)算。

三、教學(xué)示例

在“變壓器”這一章的教學(xué)當(dāng)中，如何利用T形等效電路、Γ形等效電路和一字形等效電路三種不同的等效電路來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題是重要的教學(xué)內(nèi)容之一。學(xué)生若按照電路中理論去思考，三種等效電路圖很顯然完全不同。而大多老師在介紹這部分內(nèi)容時(shí)往往會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，由于I1（R1+jX1）<

因此，在進(jìn)行這部分教學(xué)時(shí)，若能通過(guò)實(shí)例進(jìn)行輔助講解，讓學(xué)生對(duì)各變量有定性概念之后再進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，則更為清晰。下文以一臺(tái)單相變壓器為例進(jìn)行示例：一臺(tái)單相變壓器，SN=1000kVA，U1N/U2N=10/6.3kV，fN=50Hz，Rm=196Ω，Xm=19904Ω，R1=R2′=0.7Ω，X1=X2′=2.5Ω，ZL′=（80+j54）Ω，根據(jù)三種等效電路分別計(jì)算變壓器的電流、功率、效率、功率因數(shù)等性能。由于變壓器鐵心不飽和時(shí)，勵(lì)磁電抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器其他參數(shù)和二次側(cè)負(fù)載，采用三種等效電路計(jì)算的結(jié)果相差不大，三者效率均為93.63%左右，功率因數(shù)也均為0.79。而采用簡(jiǎn)化等效電路可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，更便于工程實(shí)際中應(yīng)用。繼而，考慮鐵心飽和對(duì)變壓器性能的影響。由于鐵心進(jìn)入飽和區(qū)后導(dǎo)致勵(lì)磁電抗Xm減小，保持其他參數(shù)不變的情況下，令勵(lì)磁電抗變?yōu)閄m=1990.4Ω，計(jì)算變壓器效率和功率因數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，此時(shí)三者功率因數(shù)相近，均為0.79。T形等效電路和Γ形等效電路的效率均為93.06%，而一字形等效電路的效率為93.63%，存在一定誤差。當(dāng)鐵心飽和加劇，勵(lì)磁電抗Xm進(jìn)一步減小，令勵(lì)磁電抗變?yōu)閄m=199.04Ω，并利用三種電路計(jì)算變壓器各性能?？梢园l(fā)現(xiàn)，此時(shí)T形等效電路的功率因數(shù)為0.78，Γ形等效電路和一字形等效電路的功率因數(shù)為0.79，仍然比較相近。但效率方面，T形等效電路的效率為71.19%，Γ形等效電路的效率均為71.37%，一字形等效電路的效率仍為93.63%?？梢?jiàn)一字形等效電路忽略了勵(lì)磁支路，存在較大的計(jì)算誤差。此外，通過(guò)對(duì)比不同飽和程度時(shí)的變壓器性能變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著飽和程度加強(qiáng)，勵(lì)磁電抗逐漸減小，需要的勵(lì)磁電流Im增大，勵(lì)磁損耗增加，輸入功率增加，輸出功率降低，導(dǎo)致電機(jī)效率減小。綜合對(duì)比三種情況下變壓器的性能可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器鐵心飽和不嚴(yán)重時(shí)，采用一字形等效電路可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也與其他兩種等效電路相近。但隨著鐵心逐漸飽和，勵(lì)磁電抗的減小，Γ形等效電路與T形等效電路的計(jì)算結(jié)果誤差逐漸增大，但整體來(lái)說(shuō)基本相近。但一字形等效電路由于忽略了勵(lì)磁支路，無(wú)法反映勵(lì)磁電抗減小帶來(lái)的問(wèn)題，因此在變壓器鐵心飽和現(xiàn)象嚴(yán)重的時(shí)候與T形和Γ形等效電路計(jì)算結(jié)果相差較大，不能用來(lái)進(jìn)行變壓器性能分析。

四、結(jié)束語(yǔ)

“電機(jī)學(xué)”作為電氣工程專(zhuān)業(yè)的主干課程之一，不僅理論性較強(qiáng)，還與工程實(shí)踐密切相關(guān)。因此，在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)注意理論聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)引用實(shí)際示例和數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行解釋說(shuō)明，對(duì)部分知識(shí)進(jìn)行量化教學(xué)，這樣可以幫助學(xué)生建立層次分明的知識(shí)框架，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)工科人才的培養(yǎng)。

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