加強(qiáng)理論基礎(chǔ)強(qiáng)化石油特色的電工學(xué)教學(xué)探索與實(shí)踐

尹洪東

[摘要]本文提出了建設(shè)具有石油特色電工學(xué)教學(xué)的一些做法，把電工學(xué)教學(xué)內(nèi)容與石油工業(yè)相結(jié)合，適時(shí)把科研、教學(xué)中相關(guān)的新知識(shí)及發(fā)展趨勢引進(jìn)課堂，通過介紹石油領(lǐng)域使用電類新技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍科研實(shí)例，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的興趣及急迫感，并拓寬了學(xué)生視野。通過深入理論剖析及理論上引申使得學(xué)生透徹理解，并為學(xué)生將來理論深造指明了方向。

[關(guān)鍵詞]電工學(xué) 理論剖析、石油化

一、概述

隨著社會(huì)的發(fā)展及進(jìn)步，信息量巨增，石油工業(yè)勘探生產(chǎn)等行業(yè)的自動(dòng)化、信息化、智能化越來越高，要求學(xué)生所需學(xué)習(xí)的課程、知識(shí)及深度也不斷增長，要求學(xué)生及科技人員不僅要掌握本專業(yè)主干學(xué)科的理論知識(shí)，而且也要具備相關(guān)行業(yè)特別是必要的電工電子學(xué)知識(shí)?！峨姽W(xué)》是高等院校為本科非電類專業(yè)開設(shè)的一門電類專業(yè)基礎(chǔ)課，沒有專門針對石油行業(yè)而編著的課本。而且《電工學(xué)》課程具有理論性和專業(yè)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，知識(shí)面廣，概念抽象、枯燥[1]，我校的一些石油主干專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)與電類專業(yè)相對有一定距離，如果不將該課程與學(xué)校的石油主干及其相關(guān)專業(yè)結(jié)合，更容易使得學(xué)生因難以理解而影響學(xué)生對該課程的接受程度。因此如何將電工學(xué)課程進(jìn)行深入的理論分析以及與石油等相關(guān)專業(yè)相結(jié)合，建設(shè)具有石油特色的電工學(xué)課程是我們在做教學(xué)、課程建設(shè)時(shí)必須思考的一個(gè)問題。

二、以深入理論分析為基礎(chǔ)、強(qiáng)化石油特色教學(xué)

在講RC電路的暫態(tài)過程時(shí)，如果按課本上講解：首先按基爾霍夫電壓定律列出微分方程，然后再解分方程。在講全響應(yīng)時(shí)，將零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)兩者疊加。雖然學(xué)生能理解數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，但是對RC電路的暫態(tài)過程，許多數(shù)學(xué)生暈暈忽忽，沒有深刻理解。考試也是機(jī)械記憶。

圖1：RC電路

圖2：RC電路零狀態(tài)響應(yīng)

為了解決該問題，在按上述過程講完零狀態(tài)響應(yīng)[2]內(nèi)容后，對照圖1、圖2，筆者進(jìn)行了如下講解： （1），剛開始時(shí)，uc=0，從（1）式中看出，電流i最大。因

（2），所以，開始時(shí)電容的電壓uc上升比較快。隨著時(shí)間增加， 也增加，由此從（1）式看出，電流uc逐漸減小，從式（2）看出uc的上升速度逐漸變緩，如圖2所示。用同樣的思路講解零輸入響應(yīng)過程。

在按課本基本思路講完RC電路全響應(yīng)后，對照公式

與圖4講解全響應(yīng)：f（0+）即U0，若f（0+）f（∞），則電容從f（0+）開始放電，放到f（∞）為止，如圖4的下面曲線2（對應(yīng)零輸入響應(yīng)過程如圖3，只是此時(shí)電容最終電壓不為0）。經(jīng)過這樣講解后，學(xué)生豁然從朦朧中走出。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行引申：在工程實(shí)際中，絕大多數(shù)微分方程沒有解析解，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，可以通過研究生階段課程《數(shù)值分析》的學(xué)習(xí)、結(jié)合計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)語言，對微分方程給出數(shù)值解。雖然不知道精確解，但能知道數(shù)值解與精確解的誤差范圍。如果通過逐步的計(jì)算，當(dāng)數(shù)值解與精確解的相對誤差達(dá)到1%或更小時(shí)、這個(gè)精度滿足工程要求時(shí)，數(shù)值解完全可以代替解析解。為學(xué)生在學(xué)歷上、理論上進(jìn)一步攀升指明了方向。

圖3：RC電路零輸入響應(yīng)

圖4：RC電路全響應(yīng)

在講解磁、電感、功率因數(shù)時(shí)，在講完課本內(nèi)容時(shí)，補(bǔ)充對部分理論分析及工程應(yīng)用等。首先講分析電感公式，長直螺線管中沒有鐵磁材料時(shí)的電感計(jì)算如下：

（3）

在絕大多數(shù)情況下電感線圈中有磁鐵棒等鐵磁材料，此時(shí)公式（3）中的μ0改為μ，μ非恒值，如圖5所示；而且，在電感線圈中是變化的交流電流，感應(yīng)強(qiáng)度B的磁滯回線曲線如圖6所示， ，在電流的正向、反向變化時(shí)，即使在同一H（磁場強(qiáng)度H與線圈中的電流是單值函數(shù)關(guān)系）處，μ也不同。書本上或大家平時(shí)都把L當(dāng)作恒值，用Z=ωL計(jì)算電感的感抗，由于磁鐵棒等鐵磁體μ非恒值，所以計(jì)算的感抗Z并不是一個(gè)恒值，而是隨著電感線圈中電流的變化及磁滯效應(yīng)的變化而變化。特別是在精密的井下測量電路中，在使用電感元件，要注意此影響。同時(shí)也為學(xué)生留下了進(jìn)一步深究的空間。

圖5：B、μ、H的關(guān)系曲線

圖6：RC零輸入響應(yīng)曲線

然后介紹石油現(xiàn)場的抽油機(jī)的交流電機(jī)就是一個(gè)巨大的感性負(fù)載，造成電流的相位滯后電壓相位，致使功率因數(shù)降低。同時(shí)，油田現(xiàn)場使用的各種整流設(shè)備造成的各次諧波回饋電網(wǎng)，造成電力污染。前幾年，邊疆一個(gè)油田的某個(gè)采油礦因該電力污染，每年被罰款1100多萬元。據(jù)資料介紹，2010年大慶油田因此損失約100億元。

三、緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，讓課堂貼近時(shí)代步伐

Z=ωL，對于單一的50Hz的交流電ω1，通過調(diào)整L到L1，就可以確定阻抗Zl即Z1=ω1L1，根據(jù)阻抗三角形就可以確定所調(diào)的阻抗角 。當(dāng)供電存在ω3、ω5、ω1等各次諧波污染時(shí)，該線圈電感確定為L1既L=L1，卻不能由Z=ωL得到適合各次諧波ω2、ω3的阻抗Z2、Z3或阻抗角 。

各種機(jī)床基本都是交流電機(jī)拖動(dòng)，正常情況下，電機(jī)在50Hz的交流供電下工作，以接近3000轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)供電含有150、250等各次諧波時(shí)，電機(jī)將以怎樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)？學(xué)生眾說紛紜，沒有統(tǒng)一定論。筆者然后講50Hz是主要能量，會(huì)在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)動(dòng)，但疊加以上各次諧波的振動(dòng)。對于一般機(jī)械加工的石油井下零件密封處，公差在微米級，這些諧波會(huì)影響加工精度。對于更精密的部件，影響就更嚴(yán)重。從而引出解決此問題的先進(jìn)有源濾波技術(shù)、電力電子技術(shù)。通過概要介紹有源濾波技術(shù)、電力電子技術(shù)，讓學(xué)生了解該技術(shù)，以便在日后的工作中進(jìn)行參考及選用。

講完三相交流電機(jī)主干內(nèi)容后，將研究生研究論文的一些新技術(shù)引入教學(xué)中。我們系的一個(gè)研究生，研究工廠斷電時(shí)，怎樣啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)。工廠突然斷電時(shí)，由于一些大的重載三相電機(jī)等仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，向供電母線饋入幾乎同幅度的反向電壓，需要檢查突然斷電時(shí)反饋電壓的相角，在一個(gè)合適的角度接入備用電源，如果兩者的相角相差近1800，會(huì)發(fā)生燒毀電纜線等電力設(shè)備。

在PLC的簡介部分，介紹八十年代末大慶油田引進(jìn)的1200米小型威爾遜鉆機(jī)，當(dāng)時(shí)價(jià)值約1.5億人民幣。且見其具有復(fù)雜的機(jī)械、液壓等控制。那時(shí)自己感覺在美國人面前沒了自信。 前幾年筆者帶學(xué)生到遼河油田實(shí)習(xí)，非常吃驚的看到，遼河油田總機(jī)廠生產(chǎn)的鉆機(jī)用PLC控制，比原來引進(jìn)的威爾遜鉆機(jī)更先進(jìn)。并且出口到美國、澳大利亞等國。然后概要介紹PLC技術(shù)，開闊了學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC技術(shù)的興趣、以及作為中國人自信與自豪。

在講解運(yùn)算放大器的虛短、虛斷時(shí)，涉及到忽略到輸入端的微伏級信號(hào)。而在筆者的油田科研項(xiàng)目中，涉及到了納伏級的信號(hào)檢測，順便把科研中的一些新技術(shù)及困惑介紹給同學(xué)，使學(xué)生了解了該知識(shí)點(diǎn)在石油勘探現(xiàn)場遇到的挑戰(zhàn)。也使學(xué)生加深了對虛短、虛斷的理解。在測試井間的流動(dòng)狀態(tài)及剩余油分布時(shí)，介紹使用井地電位成像技術(shù)與使用石油主干學(xué)科（滲流力學(xué)等）的常規(guī)示蹤跡技術(shù)相比，其效率及經(jīng)濟(jì)性等方面會(huì)代來革命性的變化。通過類似的介紹，增強(qiáng)了學(xué)生對電工學(xué)的重視、學(xué)習(xí)電工學(xué)的急迫感。

如上所述，利用課堂及答疑時(shí)間，適時(shí)把自己、研究生及同事等科研課題中相關(guān)的一些新技術(shù)、新理念介紹給學(xué)生。讓學(xué)生及時(shí)了解行業(yè)相關(guān)的最新知識(shí)、動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢，讓課堂貼近時(shí)代步伐。

四、讓知識(shí)貼近生活、貼近實(shí)戰(zhàn)

在介紹完電機(jī)主要內(nèi)容后，簡單介紹一下單相交流電機(jī)在石油現(xiàn)場的應(yīng)用，以及在家用電器如洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱中的應(yīng)用。簡介直流電機(jī)在電動(dòng)自行車、電動(dòng)剃須刀中的應(yīng)用。順便介紹了自整角機(jī)在隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用--如軍事中的頭盔瞄準(zhǔn)器、戰(zhàn)場偵察用的頭盔遙控?cái)z影機(jī)等，為同學(xué)報(bào)考軍事院校提供了思考空間。

通過以上對電機(jī)的介紹，使同學(xué)感到這些電機(jī)就在自己的身邊、在自己的生活中、在自己茶余飯后的閑談中、在將來的工作中、在理想的夢中……。從而使學(xué)生對該知識(shí)印象深刻、親切，加深了記憶、理解，對今后的知識(shí)應(yīng)用有了更廣泛的認(rèn)識(shí)。

五、小結(jié)

以上介紹了在電工學(xué)教學(xué)中的部分做法，時(shí)代在飛速發(fā)展，課堂教學(xué)內(nèi)容及方法、手段也在隨著時(shí)代的進(jìn)步而進(jìn)步?！峨姽W(xué)》課程的教材五花八門， 基本上是電路、磁路、電機(jī)、模電、數(shù)電等課程的基礎(chǔ)內(nèi)容組合， 內(nèi)容體系完整嚴(yán)密， 但存在知識(shí)較為陳舊， 新技術(shù)介紹較少， 理論應(yīng)用的介紹方面偏弱等缺點(diǎn)。與石油工業(yè)相關(guān)的技術(shù)介紹、聯(lián)系幾乎沒有。重點(diǎn)大學(xué)雖然教學(xué)、科研并重，但向研究型大學(xué)的轉(zhuǎn)變是一種趨勢。然而，本科是教育之本。在科研任務(wù)的壓力下，如何將電工學(xué)知識(shí)與石油及其相關(guān)專業(yè)結(jié)合，拓寬學(xué)生的視野，使其及時(shí)了解與石油有關(guān)的電工學(xué)最先進(jìn)、最前沿的知識(shí)，盡快適應(yīng)中國石油大學(xué)的特色化發(fā)展是值得我們思考、權(quán)衡的一個(gè)問題。筆者在教學(xué)中，通過深入的理論剖析、引申，根據(jù)講課內(nèi)容，適時(shí)融入了一些具有石油特色的電工學(xué)教學(xué)內(nèi)容，適時(shí)地把科研及相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)、新成果、發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹，拓寬、提高了學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)知識(shí)的愿望以及掌握電學(xué)知識(shí)的急迫感，從而增強(qiáng)了教學(xué)效果。

石油工業(yè)涉及石油、機(jī)械、聲、光、核、磁、電、生物等等，幾乎涉及各個(gè)專業(yè)，無窮無盡…….。如何把電工學(xué)與石油及其相關(guān)輔助專業(yè)相結(jié)合，跟蹤相關(guān)知識(shí)前沿，對教師的理論知識(shí)、專業(yè)寬度及深度提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，也給教師教學(xué)能力的發(fā)揮提供了無限的空間。教好《電工學(xué)》， 對課程進(jìn)行深入理論剖析、引申、進(jìn)行石油化特色的教學(xué)與改革，任重而道遠(yuǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃央.提高電工學(xué)教學(xué)質(zhì)量的思考[J]廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2008，30（增），99-100.

[2]秦曾煌.《電工學(xué)簡明教程》[M]北京：高等教育出版社，2007.6.P36-38

[3]秦曾煌.電工學(xué)（第二版）上冊[M]北京：高等教育出版社，2004，P172

[4]鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制[M]，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007

（作者單位：中國石油大學(xué)（北京））