CN105575209A - 电气教学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电气教学系统，包括：虚拟仿真系统，包括一显示界面，用以构建动态电路仿真画面，并将虚拟器件状态信号发送至信号输出控制系统；实物电路硬件系统，包括与所述动态电路对应的实物电路，该实物电路包括多个实物器件；信号输出控制系统，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再进行功率放大以驱动实物器件动作。该系统具有节约资源损耗，安全系数高，训练效果好，环保绿色且不受场地制约等众多优点。

Description

电气教学系统

技术领域

本发明涉及一种安全、环保、虚拟仿真与实际训练相结合的电工教学技术与装置，具体涉及一种计算机模拟仿真实物与实物电路平台相互衔接的电气教学系统，该系统涉及自锁、互锁、点动、联动电路的原理演示与操作。

背景技术

电气技术是现代科技领域中的核心学科之一，在改变人类的生活、工作模式过程中起着举足轻重的地位。其基于电气原件与设备对电能进行生产、传输、分配、使用等环节。不论在电工装备制造抑或电气系统维护过程中，都需要技能熟练的技术工人参与具体作业实施。因此对技术个人的培养与训练成了电气技术发展过程中重要的环节。现有的技术训练过程都是以理论、接线实物形式开展，要求较高的还会开展些模拟仿真训练。

然而，现有的训练平台多是基于电路原理的实物化模型，其主要着力点在于让受训人在通过在该平台上的实际操作来体会原理的具体应用，以及增加受训者实际动手操作感受与能力。此中存在较多的问题或缺陷，资源浪费严重是其中之一，整个过程不够环保（一次实物会产生很多的实物垃圾，象剪断的线头，破坏的接线端，器件的磨损等等，一个受训者对同一原理往往要多次实物，方能达到一定的熟练程度）；安全问题是另一个重要的问题，常规强电原理实物台都是在380V电压下操作，对于不熟悉电路的学员来说，非常危险，必须有经验丰富的专业人士在边上监护，特别是对于学员众多的场合，一个人很难监护到每一个学员的安全，这进一步增加了实物成本；实物场地的问题，很多培训单位的学员数量起伏变化较大，为出于成本考虑，往往准备的实物场地和实物台数量都有限，这导致在学员较多的时候，实物平台和场地不够用，学员需要错开时间甚至排队等候，这一过程往往会影响教员与学员的工作及时间安排（比如因为实物资源不够，使得部分班级需要在晚上开课）；同样，出于成本考虑的资源配置少，使得实物时间紧张，这样往往进一步地使得每个学员的实物次数降低，从而降低了学员的学习质量（比如，很多培训机构在学员的电工证考前培训中的点动、联动、自锁、互锁等基本培训中，每个原理每人只上机实物一次，考虑到每个人的知识基础和接受能力、速度不同，会严重制约学员的学习质量）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电气教学系统，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种电气教学系统，包括：

虚拟仿真系统，包括一显示界面，用以构建动态电路仿真画面，并将虚拟器件状态信号发送至信号输出控制系统；

实物电路硬件系统，包括与所述动态电路对应的实物电路，该实物电路包括多个实物器件；

信号输出控制系统，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再进行功率放大以驱动实物器件动作。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述实物电路硬件系统的输出端与控制终端连接。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述信号输出控制系统包括：

信号转换接口，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再按照对应器件的编码输出到电气器件状态控制器；

电气器件状态控制器，对隔离与转换后的虚拟器件状态信号进行功率放大以驱动实物器件动作，放大后的驱动电能输出到实物电路硬件系统；

器件状态指示灯，和电气器件状态控制器相串联，每个实物器件发生动作时，有对应的指示灯闪烁以指示状态变化。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述实物电路硬件系统包括基座，该基座具有一安装面，所述实物器件安装于所述安装面上。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述实物电路硬件系统还包括用以控制实物器件动作的按钮。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述实物电路硬件系统还包括遮罩于所述实物器件外侧的透明的安全防护体。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述安全防护体在闭合时触发安全闭锁传感器，该安全闭锁传感器控制电源通断，并在安全防护体闭合时接入电源。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述实物器件的动作包括触发、启动或暂停、接通或断开。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述显示界面还用以显示内部可视化的器件结构和器件的动态工作过程。

优选的，在上述的电气教学系统中，所述虚拟仿真系统中，电流流经导线和器件的先后按照设定的逻辑顺序实施，且各器件动作顺序的时间间隔和动作过程的时间周期可调。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）、本发明的教学系统，不仅可以演示自锁电路、互锁电路、点动结构、联动结构的原理，还可向学员演示电流的具体顺序通路，以及对应的实物器件由虚拟系统触发的相关性动作一步步可控操作。

（2）、本发明提供的实物电路可以在计算机模拟系统的驱动下各器件受控地被触发，启动或暂停，接通或断开等都可控，且各状态都有相应的指示灯标示状态，使用者可以随意启动停止电流到指定的位置以触发指定的器件，且可观测器件状态，这避免了电路触发的瞬态特性造成的学员无法逐一观看的问题。有益于学员在学习过程中针对每一个现象有思考的余地。这便于学员观测，加深学习效果。

（3）、本发明提供的虚拟教学系统，可以提供局部可视化（透明化）的器件结构以及其动作过程，以使得原本瞬时变化的、且密闭空间内看不见摸不着的原理，包括器件触点等动作部位。这可以清晰明了地呈现出来，这解决了单纯的实物系统所无法达到的效果，使得教学过程易懂深刻，学员学习轻松有趣。

（4）、本发明提供的教学系统通过计算机虚拟器件作为控制源实现外部实物器件的启停，实物器件在接线完成之后置于透明封闭腔内，这样使得整个实物系统的具有很高的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中电气教学系统的原理示意图；

图2所示为本发明具体实施例中虚拟电气教学仿真系统界面；

图3所示为本发明具体实施例中信号输出控制及器件状态指示装置放大示意图；

图4所示为本发明具体实施例中实物电路硬件系统放大示意图；

图5所示为本发明具体实施例中接触器内剖示例图；

图6所示为本发明具体实施例中热保护继电器内剖示例图；

图7所示为本发明具体实施例中空气开关内剖示例图；

图8所示为本发明具体实施例中安全防护体的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例一种电气教学系统，包括：

虚拟仿真系统，包括一显示界面，用以构建动态电路仿真画面，并将虚拟器件状态信号发送至信号输出控制系统；

实物电路硬件系统，包括与所述动态电路对应的实物电路，该实物电路包括多个实物器件；

信号输出控制系统，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再进行功率放大以驱动实物器件动作。

在该技术方案中，虚拟仿真系统学员提供原理性的仿真演示，实物系统实现对应的逻辑顺序动作，与虚拟系统器件之间存在一一对应的关系。虚拟系统不仅可演示自锁电路、互锁电路、点动结构、联动结构的原理，还可演示电流的具体顺序通路，以及对应的实物器件由虚拟系统触发的相关性动作一步步可控操作。

进一步地，所述实物电路硬件系统的输出端与控制终端连接。

在该技术方案中，控制终端优选为电机。在其他实施例中，也可以不设置控制终端。

进一步地，所述信号输出控制系统包括：

信号转换接口，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再按照对应器件的编码输出到电气器件状态控制器；

电气器件状态控制器，对隔离与转换后的虚拟器件状态信号进行功率放大以驱动实物器件动作，放大后的驱动电能输出到实物电路硬件系统；

器件状态指示灯，和电气器件状态控制器相串联，每个实物器件发生动作时，有对应的指示灯闪烁以指示状态变化。

在该技术方案中，器件状态指示灯用以确保每个实物器件发生动作时，有对应的指示灯闪烁以指示状态变化，起到提醒学员的作用。仿真系统输出信号由信号输出控制系统进行转换以实现对实物器件的控制。

进一步地，所述实物电路硬件系统包括基座，该基座具有一安装面，所述实物器件安装于所述安装面上。优选的，所述实物电路硬件系统还包括用以控制实物器件动作的按钮。所述实物电路硬件系统还包括遮罩于所述实物器件外侧的透明的安全防护体。所述安全防护体在闭合时触发安全闭锁传感器，该安全闭锁传感器控制电源通断，并在安全防护体闭合时接入电源。

在该技术方案中，安全防护体及传感器构成安全保护装置，以有效保护学员不受高电压电击。电路接通与否受到安全防护传感器的制约。

进一步地，所述实物器件的动作包括触发、启动或暂停、接通或断开。

在该技术方案中，实物电路可以在计算机模拟系统的驱动下各器件受控地被触发，启动或暂停，接通或断开等都可控，且各状态都有相应的指示灯标示状态，使用者可以随意启动停止电流到指定的位置以触发指定的器件，且可观测器件状态，这避免了电路触发的瞬态特性造成的无法观看的问题。

进一步地，所述显示界面还用以显示内部可视化的器件结构和器件的动态工作过程。

在该技术方案中，系统提供局部可视化（透明化）的器件结构以及其动作过程，以使得原本瞬时变化的、且密闭空间内看不见摸不着的原理，包括器件触点等动作部位。该系统中各器件均有和实物器件一样的结构，同时还有多视角剖视结构图及透明结构可供参照。这有利于学员清晰地了解到电路器件在通电前后的状态变化过程，器件可根据需要调整旋转角度。这大大降低了学习抽象度和难度。

进一步地，所述虚拟仿真系统中，电流流经导线和器件的先后按照设定的逻辑顺序实施，且各器件动作顺序的时间间隔和动作过程的时间周期可调。

在该技术方案中，电流流经导线和器件的先后可以按照设定的逻辑顺序实施，且各器件动作顺序的时间间隔和动作过程的时间周期可设置，这有利于不同学习理解力的学员按需调节。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，教学系统包括：虚拟电气教学仿真系统界面与主机101、信号输出控制及器件状态指示装置102、实物电路硬件系统103、安全防护体104、控制终端105、安全闭锁传感器106、接口转换器107、连接线108等。

虚拟仿真系统101基于特定的数据库模型构建动态电路仿真画面在显示器上，且可由学员掌控一些对话操作按键实现人机交互模式。仿真状态可由接口转换器107通过连接线108输到信号输出控制及器件状态指示装置102，再由102控制实物电路硬件系统103里的对应器件。从而实现虚拟仿真与实际电路硬件系统状态的逐一对应。使得学员在仿真中理解电路原理细节，在实物电路中感受实际作业工况。

图2显示的是虚拟电气教学仿真系统界面，包括虚拟仿真系统界面201、界面控制条202、显示器203、导线204、电流205、电器元件206等组成部分。系统具备完整的电气元器件库，可按照需要调用、设计对应的电路原理图，比如电机点动控制电路、接触器联锁连续运动电路等。特别的是，该系统中各器件206均有和实物器件一样的结构，同时还有多视角剖视结构图可供参照。如附图5、图6、图7所示。这样有利于学员清晰地了解到电路器件在通电前后的状态变化过程，大大降低了学习抽象度和难度。器件206可根据需要调整旋转角度。此外，电流205流经导线204和器件206的先后可以按照设定的逻辑顺序实施，且各器件动作顺序的时间间隔和动作过程的时间周期可设置，这有利于不同学习理解力的学员按需调节。

图3显示的是信号输出控制及器件状态指示装置示意图，由输入连接线301、信号转换接口302、电气器件状态控制器303、器件状态指示灯304、底座305、输出连接线306组成。经计算机仿真系统101输出的虚拟器件状态信号由输入连接线301输入信号转换接口302进行相应的信号隔离与转换。再按照对应器件的编码输出到电气器件状态控制器303进行功率放大以驱动实物器件动作，放大后的驱动电能通过输出连接线306输出到实物电路硬件系统103。器件状态指示灯304和电气器件状态控制器303相串联，以确保每个实物器件发生动作时，有对应的指示灯闪烁以指示状态变化，起到提醒学员的作用。所有器件皆与底座305相连接以起到位置固定的作用。

图4给出了实物电路硬件系统示意图。图中示例具体包括基座401、排线槽402、空气开关403、接触器404、熔断器405、热保护继电器406、控制按钮407、接线排408等器件。所有的器件可按照虚拟教学仿真系统101里所选择设定的器逐一对应件配置。基座401设计有可调节拆装结构，便于安装和拆除。所有器件间的连接线可根据具体的教学电路原理连接，也需和虚拟系统里的连线方式逐一对应。图中各器件403、404、405、406、407与图2中的各器件逐一对应。所有器件皆与基座401相连接以起到位置固定的作用。输入端连接外部电源，输出端与控制终端比如电动机相连接。实训电路中各器件既可由按钮控制，又可受仿真系统输出信号控制，但仿真系统输出信号具有优先控制权。

图5给出了在仿真系统里的接触器内剖结构，包括灭弧罩501、动触头502、静触头503、辅组常闭触点504、辅组常开触点505、动铁芯506、缓冲弹簧507、静铁芯508、线圈509、反作用弹簧510等部件。灭弧保护罩501等做透明或剖视设置，使得学员可以清晰地看到在电流通入时触点503、辅组常闭触点504、辅组常开触点505、动铁芯506、缓冲弹簧507、静铁芯508、线圈509、反作用弹簧510等相应的状态变化。且器件变化速度可调，以利于学员观察、学习、思考。

图6给出了在仿真系统里的热保护继电器内剖图，与图5类似，透明或剖视结构可帮助学员直观且快速地理解复位杆601、电流调节旋钮602、触点603、推杆604、热敏感原件605等部件的动作顺序与状态变化。

图7空气开关内剖图，包括接线端701、电磁短路保护器702、机械锁定装置703、接线端704、过载热金属片705、外壳卡槽706、触头系统707、快速灭弧系统708，部件的动作顺序与状态变化以及控制终端（以电机为例）在仿真系统中的特征都和图5和图6相类似。

图8的安全防护体起到在380V电压下确保学员人身防护作用。防护罩通过铰链和工作台相连接，当接线完成时防护罩放下，且压合安全闭锁传感器，否则电流不通。经各控制器件控制的电流最终通入终端器件，这里以电机为例。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电气教学系统，其特征在于，包括：

虚拟仿真系统，包括一显示界面，用以构建动态电路仿真画面，并将虚拟器件状态信号发送至信号输出控制系统；

实物电路硬件系统，包括与所述动态电路对应的实物电路，该实物电路包括多个实物器件；

信号输出控制系统，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再进行功率放大以驱动实物器件动作。

2.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述实物电路硬件系统的输出端与控制终端连接。

3.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述信号输出控制系统包括：

信号转换接口，对虚拟器件状态信号进行信号隔离与转换，再按照对应器件的编码输出到电气器件状态控制器；

电气器件状态控制器，对隔离与转换后的虚拟器件状态信号进行功率放大以驱动实物器件动作，放大后的驱动电能输出到实物电路硬件系统；

器件状态指示灯，和电气器件状态控制器相串联，每个实物器件发生动作时，有对应的指示灯闪烁以指示状态变化。

4.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述实物电路硬件系统包括基座，该基座具有一安装面，所述实物器件安装于所述安装面上。

5.根据权利要求4所述的电气教学系统，其特征在于：所述实物电路硬件系统还包括用以控制实物器件动作的按钮。

6.根据权利要求4所述的电气教学系统，其特征在于：所述实物电路硬件系统还包括遮罩于所述实物器件外侧的透明的安全防护体。

7.根据权利要求6所述的电气教学系统，其特征在于：所述安全防护体在闭合时触发安全闭锁传感器，该安全闭锁传感器控制电源通断，并在安全防护体闭合时接入电源。

8.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述实物器件的动作包括触发、启动或暂停、接通或断开。

9.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述显示界面还用以显示内部可视化的器件结构和器件的动态工作过程。

10.根据权利要求1所述的电气教学系统，其特征在于：所述虚拟仿真系统中，电流流经导线和器件的先后按照设定的逻辑顺序实施，且各器件动作顺序的时间间隔和动作过程的时间周期可调。