产学研相结合的电气专业实践环节研究

仉志华，李浩光

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东东营257061)

0 引言

无功功率的基本概念以及无功补偿的基本原理是电气专业学生必须掌握的知识点，在“电路分析”“电力系统分析”和“电力工程”等相关课程中都有所涉及［1-3]。本文围绕我校电气专业学生的培养目标，将油田配电网无功补偿技术与专业实践教学内容相结合。通过实践教学形式把原有课程中讲述的零散知识点融汇成知识面，并将专业教师的科研成果与体会带入课堂教学。因而完善了我校电气专业综合实践教学内容，也为进一步探索“产学研相结合”的教学模式。该实践环节包括无功补偿综合实践平台的设计和无功补偿综合实践内容的设计。

1 综合实践平台的设计

实验平台以油田采油现场，并综合采用了不同功率的游梁式抽油机电机为基础模型，结合无功补偿相关知识点的内在联系，设计出无功补偿实践平台［4]。该平台总体结构如图1所示，主要由系统阻抗模拟环节、功率测量环节、无功补偿控制环节和可调负载模拟环节等四部分组成。它能够完成无功功率调整、无功功率测量和无功功率补偿等功能。

图1 综合实践平台结构图

2 模块化实践内容的设计

我们基于模块化实践教学的设计思想，结合实践环节大纲规定时间，对实践内容进行了模块化综合优化设计。实践内容主要采取集中讲解与分散操作相结合的方式进行，按照两周时间安排，内容分为七个部分，如图2所示。

图2 综合实践内容结构

1)无功补偿的基本概念

该环节主要包括无功功率的概念、无功功率的作用、无功功率产生原因与带来的问题、无功补偿的基本原理和无功补偿的主要实现方式等内容。通过串讲的方式将多门课程中涉及到的零散知识点贯穿成系统的知识面，并结合油田生产实际需要介绍无功补偿在现场的应用情况。该环节主要采用集中讲解方式，需时1天。

2)无功功率的测量方法

该环节首先介绍两种方法的测量原理及适用场合，然后结合油田抽油机负载作为三相对称性负载分析其无功变化特点，剖析现场对于抽油机无功功率变化和功率因数变化等问题的认识误区;介绍采用有功功率表测量三相无功功率的基本原理，然后分析基于90度接线原理并采用单片机软件编程，实现基于交流采样方法的有功和无功功率等电气量参数测量的方法。该环节中不仅有基于传统模拟仪表的测量方法，也有基于单片机的自动测量方法;学生不仅加深对无功功率测量原理的理解，同时也加强对于所学单片机软硬件知识的巩固。该环节采用分组讲解与实践相结合方式，需时2天。

3)基于电容器分组的补偿原理

为了达到最优的补偿效果，控制器必须能够自动和实时跟踪系统无功需求量的变化，通过电容器组优化投切组合补偿，以实现无功功率的按需补偿。而基于电容器分组方法是当前研究的重点，主要有等分原则和基于“8421”分组原则两种。该环节在详细分析两种分组方式优缺点的基础上，使学生重点掌握基于“8421”的分组原则特点和实现方法。该环节重点采用分组讲解与实践相结合的方法，需时0.5天。

4)电容器投切控制环节

电容器投切控制是整个实践环节的核心内容，主要涉及到投切依据的选择、投切元件的选择与实现方法、手动控制硬件实现电路和自动控制硬件实现电路等内容。

在投切控制依据中着重加强对无功补偿控制依据的分析与实践，重点分析基于功率因数的补偿策略及存在的局限性，以及基于无功需求量补偿的原理与技术优势;

投切元件采用交流接触器进行投切控制实训，需要学生自主设计并搭建投切电路;自动控制回路基于51单片机，主要包括交流采样调理电路、滤波电路、单片机小系统和输出驱动电路等环节。

编写数据采集及无功计算、投切控制的软件流程图，编写程序逐项进行软件硬件调试。主要通过调节电动机的端电压以及负载的大小，验证电动机所需无功的相关因素，使学生进一步加深对于电动机类负载的无功功率变化规律的认识;并对补偿前后系统的电压偏移问题进行分析。

该环节重点采用分组讲解与实践相结合的方法，需时3.5天。

5)无功补偿效果评价

在实际应用中，对于实施无功补偿后的效果评价通过无功补偿前后的功率因数、网络损耗和电压变化等因素逐项进行测试和分析，帮助学生建立正确的无功补偿效果评价体系。该环节重点采用分组讲解与实践相结合的方法，需时0.5天。

6)现场存在的问题及对策

在此环节中主要分析现场无功补偿实施过程存在的问题，并结合自身体会提出解决方法。主要内容有电容投切后的谐波放大问题、电机类负载补偿时机问题和投切振荡问题等。同时结合前面的实践环节，简单介绍无功补偿新技术的发展趋势。该环节重点采用分组讲解与实践相结合的方法，需时1天。

7)实践总结环节

该环节分为两部分:教师进行实践内容的总结与串讲，并为学生集中整理实践报告预留时间。作为整个实践内容的最后环节，通过与学生之间的交互，了解和检验学生对该内容的掌握程度。我们对存在的共性问题进行集中分析与讲解，通过学生直接反馈的实践内容、环节设置等存在问题，认真研究并为后续优化设置奠定基础。此环节采用集中讨论方式，需时1天。

3 综合实践环节的特点

1)该设计将无功补偿理论体系、油田生产实际应用和教师的科研体会三者有机结合，充分体现了产学研相结合的思想。

2)该设计紧密结合我校学生的培养目标，立足油田生产实际需要，将广泛应用的无功补偿理论体系有机分解。并结合相关课程讲述内容与学生原有的知识结构体系，模块化设置实践环节内容，保证了实践效果。

3)该设计将多门专业课程讲述内容进行融合，把分散的知识点融汇成系统的知识面，并根据各知识点之间的内在联系，合理安排实践内容。

4)为充分发挥部分优秀学生的主观能动性，优化调整实践内容，在保证实践进度的前提下，适当增加深层次内容，有利于做到因材施教。

4 结语

本文对电气专业学生的综合实践环节进行了系统研究。从无功补偿理论体系、油田生产实际需要和产学研基础等多方面论证了无功补偿综合实践平台与模块化实践内容。该成果不仅系统地补充和完善了我校电气专业实践教学内容，更重要的是将专业教师的科研成果和体会融入到实践课堂教学中，实现了产、学、研三者的有机结合，为电气专业进一步探索产学研相结合的教学模式积累了宝贵经验。该成果获得2010年校级教学成果二等奖。

［1] 陈衍.电力系统稳态分析(第二版)［M] .北京:中国电力出版社，2000

［2] 黄纯华.工厂供电(第二版)［M] .天津:天津大学出版社，2005

［3] 任礼维.电机与拖动基础［M] .杭州:浙江大学出版社，1994

［4] 仉志华，冯兴田，何新霞，陈荣.无功补偿综合实践平台的设计［J] .南京:电气电子教学学报.2009，31(1):72-74