應用型本科“電力電子技術”教學改革與實踐

李先允,廖德利,許 峰,陳 剛

(南京工程學院電力工程學院,江蘇南京 211167)

0 引言

“電力電子技術”是一門利用電力半導體開關器件對電能進行高效率的變換和控制的技術,它是20世紀后半葉發展起來的一門嶄新的技術,如今已發展成為一門橫跨電子、電力和控制三個領域的新型的工程技術學科,是以應用為主的綜合性工程技術基礎類課程。Dr.Newell指出電力電子的幾個特點:①電力電子技術的發展受功率半導體器件的限制,例如,由于缺乏高壓大功率器件阻礙了高電壓大功率變換器(例如 GW 級)容量的擴大。②電力電子不被重視的原因之一是成本太高,費用高阻礙了電力電子的推廣應用。③電力電子是一門實驗技術,產品進入市場前需要做大量實驗。一般需要幾年時間才能使電力電子的某種應用成為主導技術,使產品占市場90%以上。④電力電子技術迫切需要有效的理論指導。

“電力電子技術”是我校電氣工程及其自動化、自動化專業重要的專業基礎課。該課程總學時48學時,其中實驗 6學時,另設課程設計兩周。其課堂教學的最大特點就是課程內容多,涉及知識面廣,工程實踐性強。本文從教學內容、教學方法,教學手段,實踐環節,教學研究等幾方面對該課程的教學改革進行了探索。

1 課程體系

我們注重該課程體系的建設。1973年6月,Dr.William E Newell首次給出電力電子的經典定義[1]:“電力電子技術是電氣工程三大學科—電子、電力和控制的交叉”。其中,電子包括器件和電路;電力包括靜止和旋轉設備;控制包括連續和采樣控制,如圖1。

圖1 電力電子學是電子、電力和控制學科的交叉[1]

電力電子是一門多學科交叉技術:功率流經電力電子電路,并由電子器件控制。根據W.Newell的定義,電力電子課程體系基本以器件及其電路為主體的模式,主要包括電力電子器件、驅動與保護電路,交交變換、直直變換、交直變換、直交變換和電力電子技術應用。本課程分成3個部分:電力電子器件、電力電子變流電路和應用。

根據技術發展對課程內容進行更新和調整,構建課程的銜接和側重面。根據現代社會對人才所需的知識、能力和素質結構的要求,課程體系中強調了理論與實踐并重,理論為應用服務的原則。電力電子技術課程內容體系的如圖2所示:知識模塊順序及對應的學時如表1。

圖2 電力電子技術課程內容體系圖

為了貫徹我校“學以至用”的辦學理念,在教學過程中我們要求學生做到“會用、會看、會做”。會用即要求學生能夠正確使用電力電子器件,重點是參數選擇、保護、驅動及使用中的特殊問題。會看即要求學生熟練掌握變流電路的分析方法,不僅掌握定性分析,而且掌握定量計算,同時要掌握實驗方法。會做即要求學生能夠正確設計簡單的變流電路。在教學過程中我們做到理論教學授予學生基本理論和分析方法;實踐教學貫穿于整個課程體系,以鞏固深化理論知識和培養學生實踐動手能力為目的。

表1 知識模塊順序及對應的學時

我們特別注意與其它學科間的聯系與滲透,向前聯系“電路”和“電子技術基礎”,向后銜接好“電力拖動自動控制系統”和電力系統中的應用。介紹學科前沿發展動向,反映本學科和相鄰學科的新成果、新進展。

2 課程的重點、難點及解決辦法

目前,電力電子技術在信息、航天和新能源領域中的應用主要以全控器件的應用為主。針對這一特點,我校在教學內容安排上,在兼顧傳統內容的基礎上,以全控器件作為主要的學習對象,圍繞全控器件的應用組織課程教學內容,增加了電力電子系統的仿真研究,并強調電力電子技術在實際中的應用,理論、仿真和實際應用并重,以期為學生從事相關行業或繼續深入學習打下基礎。

2.1 電力電子器件(以全控型器件為主)

重點講述以GT R,MOSFET,IGBT為代表的常用全控型器件,簡化原理、突出外部特性和應用。以各種元器件的參數為例,通過性能比較,重點要求學生掌握每種器件的主要特性、特點及使用場合,初步具有正確選擇功率開關器件的能力。

驅動和保護電路也是一個重要的學習內容,要求必須掌握一些典型的驅動電路和芯片。

2.2 主電路的分析與設計

講述四種基本的功率變換器的工作原理。對主電路的分析遵循如下規律:先理想電路后實際電路、先仿真分析后理論分析、先模仿設計后創新設計、先典型后一般。

1)課堂重點講授:理想 DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC變換器的工作原理和靜態特性以及器件的選擇原則。

2)課程設計重點講授:功率磁性元件的設計與選擇;與主電路相配合的控制電路的框圖;主電路的仿真和實驗技術。

在以上內容設置中,主要以中小功率變換器的理想模型作為研究對象,以成熟的技術和分析、設計方法作為主要學習內容,目的是使學生能夠入門,能夠模仿典型系統進行實驗研究。

2.3 控制電路工作原理

電流控制(包括平均電流控制型和峰值電流控制型)與電壓控制是開關變換器閉環工作時常用的兩種基本控制方式,以這兩種控制方式作為主要的學習對象,并注重分析閉環開關變換系統的工作特性,如瞬態特性、頻率特性、小信號擾動特性和大信號特性等。

重點講授:①典型的PWM控制芯片的工作原理;②典型的控制技術及其優缺點;③基于Matlab程序的典型電路的閉環特性分析方法。

結合對主電路的學習,組成一個完整的電力電子變換器系統,通過開環與閉環特性的比較,使學生認識到反饋環對改善動態性能、頻率特性和穩定性等的重要作用。

2.4 以仿真為基礎的數值分析和設計技術

在教學中引入了PLECS和Matlab等多種仿真軟件,充分利用不同仿真軟件的功能特色,對電路的不同特性進行仿真。一些典型的應用包括:將理想變換器的模型輸入給計算機,用PLECS軟件進行系統仿真與優化,可以仿真出各種變換器的靜態性能;利用參數掃描技術,并結合應用Matlab等軟件處理數據,可以得到被設計參數與給定技術指標之間關系的函數圖像,基于這種函數圖像可以進行參數優化設計將主電路的小信號模型和控制電路輸入計算機,用Matlab軟件進行頻域分析與設計,可以得到各種動態特性以及閉環特性等。

2.5 電力電子裝置的介紹

結合電氣工程和自動化工業中使用的電力電子裝置的介紹,如直流輸電系統基本原理、開關電源等,使學生能夠對幾個典型裝置進行透徹地分析,掌握典型系統的設計思路、設計方法和調試技術,對于電力電子技術在實際中的應用方式將會有深刻的理解和把握,為實踐環節的訓練打下基礎。為此,我們提出了一些實用的分析方法,同時聘用有豐富工程實踐經驗的校外高級工程師,結合外聘人員的設計實例傳授給學生,同時每屆學生都能夠和施耐德公司的技術人員面對面進行交流,了解電力電子技術的新進展。

2.6 解決方法

“電力電子技術”課程內容比較抽象,學生又缺乏直觀形象,因此,我們參考部分國家級精品課程課件并結合本校情況設計了該課程的課件,使學生直觀了解晶閘管的結構和在生產現場的使用情況,編寫了電子教案,采用電化教學設備,如幻燈片、投影儀、錄像片等聲像教學手段。

同時由于相關教學參考習題教材幾乎沒有,我們課程組特別編寫了習題集,填補了空白,在教學實踐中取得了良好的效果。

電力電子技術的基礎是電力電子器件,器件的控制是實現的手段,電路的各種拓撲結構是具體的應用,這樣組織教學內容更符合循序漸進的認識規律。在教學內容組織中,始終與工程應用實踐相結合,使得學生能夠學會理論聯系實踐,極大提高學生學習興趣。

3 實踐教學

3.1 實踐教學體系

根據畢業生的能力和素質結構,我們制定了課程的實踐教學標準,制定出實踐教學計劃,統籌安排實踐性教學內容,將基本技能和技術應用能力訓練貫穿于教學全過程,形成實驗教學、課程設計和參觀實習的實踐教學環節。

本課程的顯著特點之一是實踐性強。在實踐性教學中建立了與課程培養目標相適應的實踐性教學環節,強調實踐教學體系與理論教學體系既相互滲透、又相對獨立。實踐教學分階段、分層次設置,采用“實驗-實習—實訓”三段遞進式開展教學,利于學生的綜合職業能力培養,教學組織如圖3所示。我們首先確定以四個結合——“基礎實驗、綜合實驗、創新研究計劃和高級演示實驗相結合,培養學生能力與教師的科研相結合,校內實驗室與校外公司相結合,科研與社會化服務相結合”——作為我校電力電子技術基礎實踐教學的基本原則。結合對電力電子技術基礎教學內容的改革,將實驗教學分為常規基礎實驗、綜合設計實驗、創新研究計劃和高級演示實驗四個層次,開發出一系列電力電子技術基礎實驗項目。

圖3 實踐教學組織

3.2 課程設計

1)課程的組織形式

在“電力電子技術課程設計”實訓階段,學生兩人一組,主要由專業教師指導完成。在實踐過程中,任課教師和實驗教師進行課程設計輔助指導,在課程設計完成階段進行集中展示評價和答辯,組織教師成立課程設計考核組進行綜合測評,并視情況在學院內部開展實訓項目分析研討會或專題講座。

2)教師指導方法

(1)前期協助:在項目開始前期和學生共同收集該項目的詳細資料,設計資源共享、集中分析討論,進行分組項目攻關,充分利用團隊優勢。教師結合多年來科研工作的實際課題,總結歸納出有實際背景的數學模型,然后分別給各位同學提出不同的設計題目及設計指標要求。課堂講解 2學時,課上對題目中的有共性的地方進行統一講解,并講解Matlab一些常用語句Simulink工具的使用。

(2)指導詳細:在確立設計基本方向后,課上按照學生的設計思路進行提示、建議、引導,重視個別輔導因材施教。第一周設計;第二周進行系統調試及設計報告完成。時間可靈活安排,在進行模擬調試時,若發現設計問題可再次仿真直至合理。

(3)后期總結:項目設計完成后,將作品集中展示,對設計作品及時分析總結。

3.3 實踐教學體系的特點

(1)根據學生的能力和素質結構制定實踐教學標準,制定出實踐教學計劃,統籌安排實踐性教學內容,將基本技能和技術應用能力訓練貫穿于教學全過程,形成系列實踐環節。

(2)根據對畢業生就業崗位職責的能力要求,以技術應用能力培養為主線,開展以實驗和實訓為主的操作技能訓練和技術應用能力訓練。建有電力電子技術、交直流調速、變頻器應用3個實驗室和調速系統綜合實訓基地。作為課堂內容的補充,在教學中還安排學生到校外參觀實習,擴大學生的知識面,提高適應能力。

(3)實踐教學分階段、分層次設置,采用“實驗-實習—實訓”三段遞進式開展教學,利于學生的綜合職業能力培養。在實訓基地,在教師的指導下,通過實際操作提高實踐能力和綜合素質。

(5)注重學生的創新精神與能力的培養,形成多層次,高水平的課程實踐教學。實踐教學分為基本實驗,選做實驗,仿真實驗等多個層次,結合課外科研訓練實踐,大學生電子設計競賽,

4 教學方法改革實踐

4.1 創建電力電子技術課程的精品課堂

1)樹立新的學習觀——學習是不斷提出問題的過程。

2)樹立新的教學觀——教師把課堂學看作是有意義生命的一部分。

4.2 教學方法的轉變

在“電力電子技術”課堂教學中由原來單純的歸納或演繹講解,變為有利于“情景創設”、“主動探究”、“協作學習”、“會話討論”的教學模式。例如,以應用案例電機調速引出電機能量回饋逆變概念的教學內容。

4.3 強化課堂教學

電力電子技術課堂對變流技術部分注重理論講解——應用實例——實際練習的相結合。例如,電子教案中采用理論講解的動畫分析與實際計算機仿真演示相結合,例題講解與習題練習相結合等多種形式合理結合。

4.4 強化電力電子技術與科研實踐相結合

我們采用知識與應用、科研相結合,利用學校教師科研項目,讓學生參加科研實踐。

4.5 現代信息技術在教學中的應用

我們采用創建新的學習方式、協作式學習、發現式學習和綜合實踐式學習。例如,在實踐教學環節中,增設學生自主設計、制造、安裝和調試電力電子實驗設備的內容。

4.6 校企共建對傳統實驗室進行整合改造

我們充分利用良好的產學研合作關系,走校企共建之路,對實驗室的建設力度不斷加大,創新合作機制,積極推進與企業的融合,先后與美國 GE Fanuc公司,德國西門子公司、日本三菱公司、法國施耐德電氣公司等著名大型跨國公司以及江蘇省電力公司、南京南瑞繼保電氣有限公司等國內大型企業合作,由企業投入資金共建實驗(實訓)項目。這些實驗室為企業提供了展示其技術和產品的窗口,也為學生營造了掌握行業最新設備、了解企業文化、培養工程意識的現實環境。

5 結語

實踐證明,通過對電力電子技術課程教學探討與研究,結合學校的具體情況和大學生畢業分配的特點,提出實現電力電子技術精品課堂學習生活所采用的教學方法行之有效,效果明顯,學生反映良好,為在校學生提高電力電子技術專業知識創造了良好的學習條件和學習環境。

[1]蔡宣三,電力電子發展史上的一篇重要講演[J].電力電子,2006(3),1-4

[2]徐春燕,獨立院校《電力電子技術》教學改革的探索與實踐[J].中國科技信息,2009(12),280-281

[3]楊奕.《電力電子技術》課程教學改革初探[J].南通大學學報,2006(3):95-96

[4]梁秀滿 ,劉振東,《電力電子技術》教學改革實踐[J].河北 理工大學學報(社會科學版)Vol18,No14,Nov.2008,134-135