通用电工实验台的设计

　1、电工实验台设计方案的提出
我校电子电气实验室（原电工电子实验室）始建于60年代，原隶属于电工电子教研室管理，1995年被改制为校、系二级管理的实验室；主要承担机电、水电和计算机系的电工学、电子技术、电工学与电器设备、单片微机原理与应用、测试技术等课程的实验实习教学任务，并承担课程设计和毕业设计等工作；其机电CAD室还面向全校学生开放。
多年来电子电气实验室始终坚持教学第一，加强基础课实验教学，探索改进实验技术，努力培养新一代复合型人才。近年来，电子电气实验室强化教学管理和服务意识，强化素质教育，注重学生操作技能和动手创新能力的培养与提高。依据多年教学改革经验，结合实验室达标改造，为提高实验教学质量，设计和试制了新型通用电工实验台。
2、电工实验台设计
为适应现代化的电工类教学需要，通用电工实验台的设计要求应为：
1）通用性强。即可满足直流电路，单相交流，又可进行三相交流，磁路，电机及其控制等多项实习实验。
2）电气安全性高。实验台涉及三相交流等强电领域，实验安全尤其重要。
3） 操作便利性好。电工实验台实习任务多耗时久，不同内容的实验都要便于进行，适应人体工程学的要求。
4） 电路布局合理，规范化。
5） 电磁兼容性强。对交流电网干扰小，对环境电磁污染少。
为此，我们着重对以下几方面进行了设计，现分述如下。
2.1 电工实验台设计的电气安全性选择
在电工实验台的电气安全性上，一方面对三相交流供电线路采用三相四线制树干式配电线路供电和工作接地，设置了不同额定电流、动作电流和动作时间的双重自动空气开关和漏电保护自动开关相结合的分级后备保护方式，实现短路、失压、欠压和漏电保护等功能，而且还在各实验台上又采取重复接地和保护接零，并加装了专用保护零线；另一方面对单相交流供电系统也采用了二次自动空气开关保护，且单相与三相电路单独供电，最大限度地降低了两相触电恶性事故发生的概率。三相供电系统采用橡皮绝缘四芯铜电缆，直流供电采用双芯PVC 绝缘电缆并穿于PVC 绝缘管内敷设于地下引入。并在实验台的布线板地线线路上设计了保护接零，以预防线路故障造成的单相触电事故。此外，在实验台布线板和台面板上涂刷绝缘漆，在实验台面铺设绝缘橡胶垫，并在实验室地面铺设绝缘材料。多重保护充分反映出以人为本，安全第一的设计思想。
2.2 电工实验台的操作便利性和交直流电路布局的合理性设计
依据人体工程学原理，坐姿的适宜高度为75~80cm，手臂的舒适伸展长度约在50~60cm之间，据此设计的两人用实验台规格为：长×宽×高=160×55×80，实验台面板的规格为：140×15×40，即方便学生的实习和操作使用，又能观察老师的指导和讲解。
在实验台的面板布局上，为减少不慎触碰交流线路的机率，又方便多个直流电路实验和交流电机实验的联线，采用三相交流来电显示和保护器及通电显示从上向下靠左边布置，各相电压和电流指示表由左至右靠上布置，三相电路实验接线柱及负载电路靠右边安排，低压直流接线及插座布放在正中央，实际操作表明该布局考虑较为合理。
此外，为减少电磁环境污染，在实验面板加装了铝合金条框，并在实验室窗上加装了铁栅栏，产生一定程度的电磁屏蔽。
2.3 电气负荷计算及元器件参数选择
电工实验台供电线路的最大负荷为三相异步电动机，功率为2.4~3KW，额定电流约6A，空载电流小于1A。异步电机计划更换为600W的微型电机，正常工作电流约1A。按二项式法对两分支线路进行负荷计算：
Pe = B ΣPe + C ΣPx =0.5(0.6+0.6+0.6+0.6)=1.2 KW
低压配电分支线的尖峰电流为：Ipk=ΣKst In=4×7×1=28 A
按导线材料消耗量最小的原则，在满足导线发热和允许电压降的条件下选择线路的导线截面：
A=(ΣM+Σam)/C ΔUal %=(Mab+Mbc)/C ΔUal %
=1200×5×2/（77000×2.5）=0.62mm2
应选取相线和中线截面为 2.5mm2，但考虑到目前还在使用小功率电机进行实验，截面选定为4mm2。
由于篇幅所限，热稳定校验和动稳定校验以及直流电缆、DZX系列保护自动开关的选择、整定电流和灵敏度校验计算等一并从略。
3、电工实验台的试制
3.1 电气及元器件选择
元器件除电缆和自动开关外，其余显示仪表和各种不同类型的插座、接线柱和灯座，按惯例依耐压等级和额定电流选取和购置。
3.2 电工电子实验室整体布线与实验台制作和验收检验
实验室依树干式两分支布置线路，穿管敷设连接至各实验台。电工实验台制作规程及验收程序如下：画线路图→打孔→三相交流、直流、负载的联线和焊接→安装调试→耐压试验→短路试验→耐久性操作试验→开关和插座的可靠性试验→典型实验检验→验收检验→评估检验→最终调整→再验收检验。
试制的通用电工实验台。
在学校筹备的专项资金不足的情况下，依靠自己的技术力量，设计和试制了安全可靠的通用电工实验台，基本满足了实验教学需要，并节省资金数万元。学校实验专家验收组评定认为所研制的实验台安全可靠，仪表布置合理，显示直观；经实验操作和两届学生的实际实验实习检验，表明其电器及安全性能良好，使用方便，具有一定的推广应用价值。此外，改造后的实验室被甘肃省高校实验室评估小组评价为最有农业大学特色的实验室，并通过了省级基础课实验室合格评估。