应用型本科“电力电子技术”教学改革与实践

2011-04-26李先允廖德利

电气电子教学学报 2011年1期

李先允,廖德利,许峰,陈刚

(南京工程学院电力工程学院,江苏南京 211167)

0 引言

“电力电子技术”是一门利用电力半导体开关器件对电能进行高效率的变换和控制的技术,它是20世纪后半叶发展起来的一门崭新的技术,如今已发展成为一门横跨电子、电力和控制三个领域的新型的工程技术学科,是以应用为主的综合性工程技术基础类课程。Dr.Newell指出电力电子的几个特点:①电力电子技术的发展受功率半导体器件的限制,例如,由于缺乏高压大功率器件阻碍了高电压大功率变换器(例如 GW 级)容量的扩大。②电力电子不被重视的原因之一是成本太高,费用高阻碍了电力电子的推广应用。③电力电子是一门实验技术,产品进入市场前需要做大量实验。一般需要几年时间才能使电力电子的某种应用成为主导技术,使产品占市场90%以上。④电力电子技术迫切需要有效的理论指导。

“电力电子技术”是我校电气工程及其自动化、自动化专业重要的专业基础课。该课程总学时48学时,其中实验 6学时,另设课程设计两周。其课堂教学的最大特点就是课程内容多,涉及知识面广,工程实践性强。本文从教学内容、教学方法,教学手段,实践环节,教学研究等几方面对该课程的教学改革进行了探索。

1 课程体系

我们注重该课程体系的建设。1973年6月,Dr.William E Newell首次给出电力电子的经典定义[1]:“电力电子技术是电气工程三大学科—电子、电力和控制的交叉”。其中,电子包括器件和电路;电力包括静止和旋转设备;控制包括连续和采样控制,如图1。

图1 电力电子学是电子、电力和控制学科的交叉[1]

电力电子是一门多学科交叉技术:功率流经电力电子电路,并由电子器件控制。根据W.Newell的定义,电力电子课程体系基本以器件及其电路为主体的模式,主要包括电力电子器件、驱动与保护电路,交交变换、直直变换、交直变换、直交变换和电力电子技术应用。本课程分成3个部分:电力电子器件、电力电子变流电路和应用。

根据技术发展对课程内容进行更新和调整,构建课程的衔接和侧重面。根据现代社会对人才所需的知识、能力和素质结构的要求,课程体系中强调了理论与实践并重,理论为应用服务的原则。电力电子技术课程内容体系的如图2所示:知识模块顺序及对应的学时如表1。

图2 电力电子技术课程内容体系图

为了贯彻我校“学以至用”的办学理念,在教学过程中我们要求学生做到“会用、会看、会做”。会用即要求学生能够正确使用电力电子器件,重点是参数选择、保护、驱动及使用中的特殊问题。会看即要求学生熟练掌握变流电路的分析方法,不仅掌握定性分析,而且掌握定量计算,同时要掌握实验方法。会做即要求学生能够正确设计简单的变流电路。在教学过程中我们做到理论教学授予学生基本理论和分析方法;实践教学贯穿于整个课程体系,以巩固深化理论知识和培养学生实践动手能力为目的。

表1 知识模块顺序及对应的学时

我们特别注意与其它学科间的联系与渗透,向前联系“电路”和“电子技术基础”,向后衔接好“电力拖动自动控制系统”和电力系统中的应用。介绍学科前沿发展动向,反映本学科和相邻学科的新成果、新进展。

2 课程的重点、难点及解决办法

目前,电力电子技术在信息、航天和新能源领域中的应用主要以全控器件的应用为主。针对这一特点,我校在教学内容安排上,在兼顾传统内容的基础上,以全控器件作为主要的学习对象,围绕全控器件的应用组织课程教学内容,增加了电力电子系统的仿真研究,并强调电力电子技术在实际中的应用,理论、仿真和实际应用并重,以期为学生从事相关行业或继续深入学习打下基础。

2.1 电力电子器件(以全控型器件为主)

重点讲述以GT R,MOSFET,IGBT为代表的常用全控型器件,简化原理、突出外部特性和应用。以各种元器件的参数为例,通过性能比较,重点要求学生掌握每种器件的主要特性、特点及使用场合,初步具有正确选择功率开关器件的能力。

驱动和保护电路也是一个重要的学习内容,要求必须掌握一些典型的驱动电路和芯片。

2.2 主电路的分析与设计

讲述四种基本的功率变换器的工作原理。对主电路的分析遵循如下规律:先理想电路后实际电路、先仿真分析后理论分析、先模仿设计后创新设计、先典型后一般。

1)课堂重点讲授:理想 DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC变换器的工作原理和静态特性以及器件的选择原则。

2)课程设计重点讲授:功率磁性元件的设计与选择;与主电路相配合的控制电路的框图;主电路的仿真和实验技术。

在以上内容设置中,主要以中小功率变换器的理想模型作为研究对象,以成熟的技术和分析、设计方法作为主要学习内容,目的是使学生能够入门,能够模仿典型系统进行实验研究。

2.3 控制电路工作原理

电流控制(包括平均电流控制型和峰值电流控制型)与电压控制是开关变换器闭环工作时常用的两种基本控制方式,以这两种控制方式作为主要的学习对象,并注重分析闭环开关变换系统的工作特性,如瞬态特性、频率特性、小信号扰动特性和大信号特性等。

重点讲授:①典型的PWM控制芯片的工作原理;②典型的控制技术及其优缺点;③基于Matlab程序的典型电路的闭环特性分析方法。

结合对主电路的学习,组成一个完整的电力电子变换器系统,通过开环与闭环特性的比较,使学生认识到反馈环对改善动态性能、频率特性和稳定性等的重要作用。

2.4 以仿真为基础的数值分析和设计技术

在教学中引入了PLECS和Matlab等多种仿真软件,充分利用不同仿真软件的功能特色,对电路的不同特性进行仿真。一些典型的应用包括:将理想变换器的模型输入给计算机,用PLECS软件进行系统仿真与优化,可以仿真出各种变换器的静态性能;利用参数扫描技术,并结合应用Matlab等软件处理数据,可以得到被设计参数与给定技术指标之间关系的函数图像,基于这种函数图像可以进行参数优化设计将主电路的小信号模型和控制电路输入计算机,用Matlab软件进行频域分析与设计,可以得到各种动态特性以及闭环特性等。

2.5 电力电子装置的介绍

结合电气工程和自动化工业中使用的电力电子装置的介绍,如直流输电系统基本原理、开关电源等,使学生能够对几个典型装置进行透彻地分析,掌握典型系统的设计思路、设计方法和调试技术,对于电力电子技术在实际中的应用方式将会有深刻的理解和把握,为实践环节的训练打下基础。为此,我们提出了一些实用的分析方法,同时聘用有丰富工程实践经验的校外高级工程师,结合外聘人员的设计实例传授给学生,同时每届学生都能够和施耐德公司的技术人员面对面进行交流,了解电力电子技术的新进展。

2.6 解决方法

“电力电子技术”课程内容比较抽象,学生又缺乏直观形象,因此,我们参考部分国家级精品课程课件并结合本校情况设计了该课程的课件,使学生直观了解晶闸管的结构和在生产现场的使用情况,编写了电子教案,采用电化教学设备,如幻灯片、投影仪、录像片等声像教学手段。

同时由于相关教学参考习题教材几乎没有,我们课程组特别编写了习题集,填补了空白,在教学实践中取得了良好的效果。

电力电子技术的基础是电力电子器件,器件的控制是实现的手段,电路的各种拓扑结构是具体的应用,这样组织教学内容更符合循序渐进的认识规律。在教学内容组织中,始终与工程应用实践相结合,使得学生能够学会理论联系实践,极大提高学生学习兴趣。

3 实践教学

3.1 实践教学体系

根据毕业生的能力和素质结构,我们制定了课程的实践教学标准,制定出实践教学计划,统筹安排实践性教学内容,将基本技能和技术应用能力训练贯穿于教学全过程,形成实验教学、课程设计和参观实习的实践教学环节。

本课程的显著特点之一是实践性强。在实践性教学中建立了与课程培养目标相适应的实践性教学环节,强调实践教学体系与理论教学体系既相互渗透、又相对独立。实践教学分阶段、分层次设置,采用“实验-实习—实训”三段递进式开展教学,利于学生的综合职业能力培养,教学组织如图3所示。我们首先确定以四个结合——“基础实验、综合实验、创新研究计划和高级演示实验相结合,培养学生能力与教师的科研相结合,校内实验室与校外公司相结合,科研与社会化服务相结合”——作为我校电力电子技术基础实践教学的基本原则。结合对电力电子技术基础教学内容的改革,将实验教学分为常规基础实验、综合设计实验、创新研究计划和高级演示实验四个层次,开发出一系列电力电子技术基础实验项目。

图3 实践教学组织

3.2 课程设计

1)课程的组织形式

在“电力电子技术课程设计”实训阶段,学生两人一组,主要由专业教师指导完成。在实践过程中,任课教师和实验教师进行课程设计辅助指导,在课程设计完成阶段进行集中展示评价和答辩,组织教师成立课程设计考核组进行综合测评,并视情况在学院内部开展实训项目分析研讨会或专题讲座。

2)教师指导方法

(1)前期协助:在项目开始前期和学生共同收集该项目的详细资料,设计资源共享、集中分析讨论,进行分组项目攻关,充分利用团队优势。教师结合多年来科研工作的实际课题,总结归纳出有实际背景的数学模型,然后分别给各位同学提出不同的设计题目及设计指标要求。课堂讲解 2学时,课上对题目中的有共性的地方进行统一讲解,并讲解Matlab一些常用语句Simulink工具的使用。

(2)指导详细:在确立设计基本方向后,课上按照学生的设计思路进行提示、建议、引导,重视个别辅导因材施教。第一周设计;第二周进行系统调试及设计报告完成。时间可灵活安排,在进行模拟调试时,若发现设计问题可再次仿真直至合理。

(3)后期总结:项目设计完成后,将作品集中展示,对设计作品及时分析总结。

3.3 实践教学体系的特点

(1)根据学生的能力和素质结构制定实践教学标准,制定出实践教学计划,统筹安排实践性教学内容,将基本技能和技术应用能力训练贯穿于教学全过程,形成系列实践环节。

(2)根据对毕业生就业岗位职责的能力要求,以技术应用能力培养为主线,开展以实验和实训为主的操作技能训练和技术应用能力训练。建有电力电子技术、交直流调速、变频器应用3个实验室和调速系统综合实训基地。作为课堂内容的补充,在教学中还安排学生到校外参观实习,扩大学生的知识面,提高适应能力。

(3)实践教学分阶段、分层次设置,采用“实验-实习—实训”三段递进式开展教学,利于学生的综合职业能力培养。在实训基地,在教师的指导下,通过实际操作提高实践能力和综合素质。

(5)注重学生的创新精神与能力的培养,形成多层次,高水平的课程实践教学。实践教学分为基本实验,选做实验,仿真实验等多个层次,结合课外科研训练实践,大学生电子设计竞赛,

4 教学方法改革实践

4.1 创建电力电子技术课程的精品课堂

1)树立新的学习观——学习是不断提出问题的过程。

2)树立新的教学观——教师把课堂学看作是有意义生命的一部分。

4.2 教学方法的转变

在“电力电子技术”课堂教学中由原来单纯的归纳或演绎讲解,变为有利于“情景创设”、“主动探究”、“协作学习”、“会话讨论”的教学模式。例如,以应用案例电机调速引出电机能量回馈逆变概念的教学内容。

4.3 强化课堂教学

电力电子技术课堂对变流技术部分注重理论讲解——应用实例——实际练习的相结合。例如,电子教案中采用理论讲解的动画分析与实际计算机仿真演示相结合,例题讲解与习题练习相结合等多种形式合理结合。

4.4 强化电力电子技术与科研实践相结合

我们采用知识与应用、科研相结合,利用学校教师科研项目,让学生参加科研实践。

4.5 现代信息技术在教学中的应用

我们采用创建新的学习方式、协作式学习、发现式学习和综合实践式学习。例如,在实践教学环节中,增设学生自主设计、制造、安装和调试电力电子实验设备的内容。

4.6 校企共建对传统实验室进行整合改造

我们充分利用良好的产学研合作关系,走校企共建之路,对实验室的建设力度不断加大,创新合作机制,积极推进与企业的融合,先后与美国 GE Fanuc公司,德国西门子公司、日本三菱公司、法国施耐德电气公司等著名大型跨国公司以及江苏省电力公司、南京南瑞继保电气有限公司等国内大型企业合作,由企业投入资金共建实验(实训)项目。这些实验室为企业提供了展示其技术和产品的窗口,也为学生营造了掌握行业最新设备、了解企业文化、培养工程意识的现实环境。