李先允,廖德利,許 峰,陳 剛
(南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇南京 211167)
“電力電子技術(shù)”是一門(mén)利用電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件對(duì)電能進(jìn)行高效率的變換和控制的技術(shù),它是20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新的技術(shù),如今已發(fā)展成為一門(mén)橫跨電子、電力和控制三個(gè)領(lǐng)域的新型的工程技術(shù)學(xué)科,是以應(yīng)用為主的綜合性工程技術(shù)基礎(chǔ)類(lèi)課程。Dr.Newell指出電力電子的幾個(gè)特點(diǎn):①電力電子技術(shù)的發(fā)展受功率半導(dǎo)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(jí))容量的擴(kuò)大。②電力電子不被重視的原因之一是成本太高,費(fèi)用高阻礙了電力電子的推廣應(yīng)用。③電力電子是一門(mén)實(shí)驗(yàn)技術(shù),產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)前需要做大量實(shí)驗(yàn)。一般需要幾年時(shí)間才能使電力電子的某種應(yīng)用成為主導(dǎo)技術(shù),使產(chǎn)品占市場(chǎng)90%以上。④電力電子技術(shù)迫切需要有效的理論指導(dǎo)。
“電力電子技術(shù)”是我校電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí),其中實(shí)驗(yàn) 6學(xué)時(shí),另設(shè)課程設(shè)計(jì)兩周。其課堂教學(xué)的最大特點(diǎn)就是課程內(nèi)容多,涉及知識(shí)面廣,工程實(shí)踐性強(qiáng)。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法,教學(xué)手段,實(shí)踐環(huán)節(jié),教學(xué)研究等幾方面對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索。
我們注重該課程體系的建設(shè)。1973年6月,Dr.William E Newell首次給出電力電子的經(jīng)典定義[1]:“電力電子技術(shù)是電氣工程三大學(xué)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(zhuǎn)設(shè)備;控制包括連續(xù)和采樣控制,如圖1。
圖1 電力電子學(xué)是電子、電力和控制學(xué)科的交叉[1]
電力電子是一門(mén)多學(xué)科交叉技術(shù):功率流經(jīng)電力電子電路,并由電子器件控制。根據(jù)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(qū)動(dòng)與保護(hù)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(shù)應(yīng)用。本課程分成3個(gè)部分:電力電子器件、電力電子變流電路和應(yīng)用。
根據(jù)技術(shù)發(fā)展對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行更新和調(diào)整,構(gòu)建課程的銜接和側(cè)重面。根據(jù)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才所需的知識(shí)、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求,課程體系中強(qiáng)調(diào)了理論與實(shí)踐并重,理論為應(yīng)用服務(wù)的原則。電力電子技術(shù)課程內(nèi)容體系的如圖2所示:知識(shí)模塊順序及對(duì)應(yīng)的學(xué)時(shí)如表1。
圖2 電力電子技術(shù)課程內(nèi)容體系圖
為了貫徹我?!皩W(xué)以至用”的辦學(xué)理念,在教學(xué)過(guò)程中我們要求學(xué)生做到“會(huì)用、會(huì)看、會(huì)做”。會(huì)用即要求學(xué)生能夠正確使用電力電子器件,重點(diǎn)是參數(shù)選擇、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)及使用中的特殊問(wèn)題。會(huì)看即要求學(xué)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(jì)算,同時(shí)要掌握實(shí)驗(yàn)方法。會(huì)做即要求學(xué)生能夠正確設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的變流電路。在教學(xué)過(guò)程中我們做到理論教學(xué)授予學(xué)生基本理論和分析方法;實(shí)踐教學(xué)貫穿于整個(gè)課程體系,以鞏固深化理論知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力為目的。
表1 知識(shí)模塊順序及對(duì)應(yīng)的學(xué)時(shí)
我們特別注意與其它學(xué)科間的聯(lián)系與滲透,向前聯(lián)系“電路”和“電子技術(shù)基礎(chǔ)”,向后銜接好“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。介紹學(xué)科前沿發(fā)展動(dòng)向,反映本學(xué)科和相鄰學(xué)科的新成果、新進(jìn)展。
目前,電力電子技術(shù)在信息、航天和新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用主要以全控器件的應(yīng)用為主。針對(duì)這一特點(diǎn),我校在教學(xué)內(nèi)容安排上,在兼顧傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,以全控器件作為主要的學(xué)習(xí)對(duì)象,圍繞全控器件的應(yīng)用組織課程教學(xué)內(nèi)容,增加了電力電子系統(tǒng)的仿真研究,并強(qiáng)調(diào)電力電子技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用,理論、仿真和實(shí)際應(yīng)用并重,以期為學(xué)生從事相關(guān)行業(yè)或繼續(xù)深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
重點(diǎn)講述以GT R,MOSFET,IGBT為代表的常用全控型器件,簡(jiǎn)化原理、突出外部特性和應(yīng)用。以各種元器件的參數(shù)為例,通過(guò)性能比較,重點(diǎn)要求學(xué)生掌握每種器件的主要特性、特點(diǎn)及使用場(chǎng)合,初步具有正確選擇功率開(kāi)關(guān)器件的能力。
驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路也是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容,要求必須掌握一些典型的驅(qū)動(dòng)電路和芯片。
講述四種基本的功率變換器的工作原理。對(duì)主電路的分析遵循如下規(guī)律:先理想電路后實(shí)際電路、先仿真分析后理論分析、先模仿設(shè)計(jì)后創(chuàng)新設(shè)計(jì)、先典型后一般。
1)課堂重點(diǎn)講授:理想 DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC變換器的工作原理和靜態(tài)特性以及器件的選擇原則。
2)課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)講授:功率磁性元件的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)。
在以上內(nèi)容設(shè)置中,主要以中小功率變換器的理想模型作為研究對(duì)象,以成熟的技術(shù)和分析、設(shè)計(jì)方法作為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,目的是使學(xué)生能夠入門(mén),能夠模仿典型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
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(kāi)關(guān)變換器閉環(huán)工作時(shí)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(xué)習(xí)對(duì)象,并注重分析閉環(huán)開(kāi)關(guān)變換系統(tǒng)的工作特性,如瞬態(tài)特性、頻率特性、小信號(hào)擾動(dòng)特性和大信號(hào)特性等。
重點(diǎn)講授:①典型的PWM控制芯片的工作原理;②典型的控制技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn);③基于Matlab程序的典型電路的閉環(huán)特性分析方法。
結(jié)合對(duì)主電路的學(xué)習(xí),組成一個(gè)完整的電力電子變換器系統(tǒng),通過(guò)開(kāi)環(huán)與閉環(huán)特性的比較,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到反饋環(huán)對(duì)改善動(dòng)態(tài)性能、頻率特性和穩(wěn)定性等的重要作用。
在教學(xué)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(duì)電路的不同特性進(jìn)行仿真。一些典型的應(yīng)用包括:將理想變換器的模型輸入給計(jì)算機(jī),用PLECS軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真與優(yōu)化,可以仿真出各種變換器的靜態(tài)性能;利用參數(shù)掃描技術(shù),并結(jié)合應(yīng)用Matlab等軟件處理數(shù)據(jù),可以得到被設(shè)計(jì)參數(shù)與給定技術(shù)指標(biāo)之間關(guān)系的函數(shù)圖像,基于這種函數(shù)圖像可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)將主電路的小信號(hào)模型和控制電路輸入計(jì)算機(jī),用Matlab軟件進(jìn)行頻域分析與設(shè)計(jì),可以得到各種動(dòng)態(tài)特性以及閉環(huán)特性等。
結(jié)合電氣工程和自動(dòng)化工業(yè)中使用的電力電子裝置的介紹,如直流輸電系統(tǒng)基本原理、開(kāi)關(guān)電源等,使學(xué)生能夠?qū)讉€(gè)典型裝置進(jìn)行透徹地分析,掌握典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和調(diào)試技術(shù),對(duì)于電力電子技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用方式將會(huì)有深刻的理解和把握,為實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練打下基礎(chǔ)。為此,我們提出了一些實(shí)用的分析方法,同時(shí)聘用有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的校外高級(jí)工程師,結(jié)合外聘人員的設(shè)計(jì)實(shí)例傳授給學(xué)生,同時(shí)每屆學(xué)生都能夠和施耐德公司的技術(shù)人員面對(duì)面進(jìn)行交流,了解電力電子技術(shù)的新進(jìn)展。
“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容比較抽象,學(xué)生又缺乏直觀形象,因此,我們參考部分國(guó)家級(jí)精品課程課件并結(jié)合本校情況設(shè)計(jì)了該課程的課件,使學(xué)生直觀了解晶閘管的結(jié)構(gòu)和在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況,編寫(xiě)了電子教案,采用電化教學(xué)設(shè)備,如幻燈片、投影儀、錄像片等聲像教學(xué)手段。
同時(shí)由于相關(guān)教學(xué)參考習(xí)題教材幾乎沒(méi)有,我們課程組特別編寫(xiě)了習(xí)題集,填補(bǔ)了空白,在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果。
電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)是電力電子器件,器件的控制是實(shí)現(xiàn)的手段,電路的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是具體的應(yīng)用,這樣組織教學(xué)內(nèi)容更符合循序漸進(jìn)的認(rèn)識(shí)規(guī)律。在教學(xué)內(nèi)容組織中,始終與工程應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合,使得學(xué)生能夠?qū)W會(huì)理論聯(lián)系實(shí)踐,極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
根據(jù)畢業(yè)生的能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu),我們制定了課程的實(shí)踐教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),制定出實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃,統(tǒng)籌安排實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容,將基本技能和技術(shù)應(yīng)用能力訓(xùn)練貫穿于教學(xué)全過(guò)程,形成實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和參觀實(shí)習(xí)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。
本課程的顯著特點(diǎn)之一是實(shí)踐性強(qiáng)。在實(shí)踐性教學(xué)中建立了與課程培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)體系與理論教學(xué)體系既相互滲透、又相對(duì)獨(dú)立。實(shí)踐教學(xué)分階段、分層次設(shè)置,采用“實(shí)驗(yàn)-實(shí)習(xí)—實(shí)訓(xùn)”三段遞進(jìn)式開(kāi)展教學(xué),利于學(xué)生的綜合職業(yè)能力培養(yǎng),教學(xué)組織如圖3所示。我們首先確定以四個(gè)結(jié)合——“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究計(jì)劃和高級(jí)演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生能力與教師的科研相結(jié)合,校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室與校外公司相結(jié)合,科研與社會(huì)化服務(wù)相結(jié)合”——作為我校電力電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的基本原則。結(jié)合對(duì)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容的改革,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究計(jì)劃和高級(jí)演示實(shí)驗(yàn)四個(gè)層次,開(kāi)發(fā)出一系列電力電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
圖3 實(shí)踐教學(xué)組織
1)課程的組織形式
在“電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”實(shí)訓(xùn)階段,學(xué)生兩人一組,主要由專(zhuān)業(yè)教師指導(dǎo)完成。在實(shí)踐過(guò)程中,任課教師和實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行課程設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo),在課程設(shè)計(jì)完成階段進(jìn)行集中展示評(píng)價(jià)和答辯,組織教師成立課程設(shè)計(jì)考核組進(jìn)行綜合測(cè)評(píng),并視情況在學(xué)院內(nèi)部開(kāi)展實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分析研討會(huì)或?qū)n}講座。
2)教師指導(dǎo)方法
(1)前期協(xié)助:在項(xiàng)目開(kāi)始前期和學(xué)生共同收集該項(xiàng)目的詳細(xì)資料,設(shè)計(jì)資源共享、集中分析討論,進(jìn)行分組項(xiàng)目攻關(guān),充分利用團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)。教師結(jié)合多年來(lái)科研工作的實(shí)際課題,總結(jié)歸納出有實(shí)際背景的數(shù)學(xué)模型,然后分別給各位同學(xué)提出不同的設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。課堂講解 2學(xué)時(shí),課上對(duì)題目中的有共性的地方進(jìn)行統(tǒng)一講解,并講解Matlab一些常用語(yǔ)句Simulink工具的使用。
(2)指導(dǎo)詳細(xì):在確立設(shè)計(jì)基本方向后,課上按照學(xué)生的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行提示、建議、引導(dǎo),重視個(gè)別輔導(dǎo)因材施教。第一周設(shè)計(jì);第二周進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)計(jì)報(bào)告完成。時(shí)間可靈活安排,在進(jìn)行模擬調(diào)試時(shí),若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題可再次仿真直至合理。
(3)后期總結(jié):項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后,將作品集中展示,對(duì)設(shè)計(jì)作品及時(shí)分析總結(jié)。
(1)根據(jù)學(xué)生的能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)制定實(shí)踐教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),制定出實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃,統(tǒng)籌安排實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容,將基本技能和技術(shù)應(yīng)用能力訓(xùn)練貫穿于教學(xué)全過(guò)程,形成系列實(shí)踐環(huán)節(jié)。
(2)根據(jù)對(duì)畢業(yè)生就業(yè)崗位職責(zé)的能力要求,以技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)為主線,開(kāi)展以實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)為主的操作技能訓(xùn)練和技術(shù)應(yīng)用能力訓(xùn)練。建有電力電子技術(shù)、交直流調(diào)速、變頻器應(yīng)用3個(gè)實(shí)驗(yàn)室和調(diào)速系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)基地。作為課堂內(nèi)容的補(bǔ)充,在教學(xué)中還安排學(xué)生到校外參觀實(shí)習(xí),擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面,提高適應(yīng)能力。
(3)實(shí)踐教學(xué)分階段、分層次設(shè)置,采用“實(shí)驗(yàn)-實(shí)習(xí)—實(shí)訓(xùn)”三段遞進(jìn)式開(kāi)展教學(xué),利于學(xué)生的綜合職業(yè)能力培養(yǎng)。在實(shí)訓(xùn)基地,在教師的指導(dǎo)下,通過(guò)實(shí)際操作提高實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。
(5)注重學(xué)生的創(chuàng)新精神與能力的培養(yǎng),形成多層次,高水平的課程實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)分為基本實(shí)驗(yàn),選做實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)等多個(gè)層次,結(jié)合課外科研訓(xùn)練實(shí)踐,大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,
1)樹(shù)立新的學(xué)習(xí)觀——學(xué)習(xí)是不斷提出問(wèn)題的過(guò)程。
2)樹(shù)立新的教學(xué)觀——教師把課堂學(xué)看作是有意義生命的一部分。
在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中由原來(lái)單純的歸納或演繹講解,變?yōu)橛欣凇扒榫皠?chuàng)設(shè)”、“主動(dòng)探究”、“協(xié)作學(xué)習(xí)”、“會(huì)話討論”的教學(xué)模式。例如,以應(yīng)用案例電機(jī)調(diào)速引出電機(jī)能量回饋逆變概念的教學(xué)內(nèi)容。
電力電子技術(shù)課堂對(duì)變流技術(shù)部分注重理論講解——應(yīng)用實(shí)例——實(shí)際練習(xí)的相結(jié)合。例如,電子教案中采用理論講解的動(dòng)畫(huà)分析與實(shí)際計(jì)算機(jī)仿真演示相結(jié)合,例題講解與習(xí)題練習(xí)相結(jié)合等多種形式合理結(jié)合。
我們采用知識(shí)與應(yīng)用、科研相結(jié)合,利用學(xué)校教師科研項(xiàng)目,讓學(xué)生參加科研實(shí)踐。
我們采用創(chuàng)建新的學(xué)習(xí)方式、協(xié)作式學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐式學(xué)習(xí)。例如,在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,增設(shè)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試電力電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)容。
我們充分利用良好的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系,走校企共建之路,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度不斷加大,創(chuàng)新合作機(jī)制,積極推進(jìn)與企業(yè)的融合,先后與美國(guó) GE Fanuc公司,德國(guó)西門(mén)子公司、日本三菱公司、法國(guó)施耐德電氣公司等著名大型跨國(guó)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(guó)內(nèi)大型企業(yè)合作,由企業(yè)投入資金共建實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)室為企業(yè)提供了展示其技術(shù)和產(chǎn)品的窗口,也為學(xué)生營(yíng)造了掌握行業(yè)最新設(shè)備、了解企業(yè)文化、培養(yǎng)工程意識(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。
實(shí)踐證明,通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)課程教學(xué)探討與研究,結(jié)合學(xué)校的具體情況和大學(xué)生畢業(yè)分配的特點(diǎn),提出實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)精品課堂學(xué)習(xí)生活所采用的教學(xué)方法行之有效,效果明顯,學(xué)生反映良好,為在校學(xué)生提高電力電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)條件和學(xué)習(xí)環(huán)境。
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