电力电子电路探索性实验研究与实现

梁 梅， 冯 艺， 罗 璇， 李维维， 王智东， 邓丰强

(华南理工大学 电力学院， 广州 510641)

·实验教学与创新·

电力电子电路探索性实验研究与实现

梁 梅， 冯 艺， 罗 璇， 李维维， 王智东， 邓丰强

(华南理工大学 电力学院， 广州 510641)

围绕高等院校开设创新类实验中的关键问题，研讨了探索性实验内容的设计方法，并以电力电子电路探索性实验为例说明方法的应用。针对本科教学实验受限于设备数量、场地面积等，提出了集约式探索性实验平台的构建方案。并设计了“广对象、宽理论”的实验内容框架以提高学生的实验自由度，打破以往实验教学中研究对象和方向单一的局限性。为了提高沟通效率、控制实验时长，提出了一种空间二维实验主题实施模式，并以三相全桥逆变电路故障诊断来说明设计原理。其设计思路是将所研究的问题分解在3个平面上，并在每个平面上具体指出研究对象和方式，直观呈现问题、模型、方法等基本脉络。最后建立科学的考核体系，从理论和实践难度两个角度独立分析，客观评价学生在实验过程中的各种能力。

探索性实验； 电力电子； 实验主题设计； 实验内容框架； 实验考核

0 引 言

教育部在《2003-2007年教育振兴行动计划》中将“创新精神和实践能力”的培养作为“新世纪素质教学工程”的重点。十六届六中全会通过的《中共中央关于构建社会主义和谐社会若干重大问题的决定》中指出“保持高等院校招生合理增长，要注重增强学生的实践能力、创造能力和就业能力、创业能力”的必然要求[1]；是落实科学发展观、促进高等教育协调发展的需要，是培养高素质人才、提高自主创新能力、建设创新型国家的需要。为了提高大学生实践能力和创新能力，各高等院校纷纷展开了创新型、探索型、探究型的实验教学研究和改革[2]。

但是从各个院校新开设的创新类实验来看，实践中也遇到了重重困难，发现了诸多问题[3]。例如，实验教学受限于本科实验平台或是没有深挖教学资源，没有将院校的硬件资源进行联动使用，导致了实验中的深度和广度不够，无法实现从“实验创新”到“思维创新”的飞跃[4]。实验教学过程中启发式教育的渗透性不足，很多课程的教师往往只给学生一个笼统的试验方案或题目，没有更深的引导学生去思考，以此形成内在的渴求的行动力[5]；学生难以找到实验开展的切入点，特别是在专业实验教学课程学习的初期阶段，学生缺乏对专业实验的基础理论和概念的理解，不大容易设计出合理、精巧的实验方案，更难以提出创新性方案，师生往往都需要耗费大量的时间，但实验过程又很容易出现脱轨的现象。

面对探索性实验教学过程中存在的共性问题，结合本校电力实验中心的实践教学经验[6]，本文对电力电子探索性实验教学进行了深入研究。针对硬件数量、场地面积有限的制约，提出了集约式探索性实验平台的构建方案；为提高学生实验自由度，设计了“广对象、宽理论”的实验内容框架；为提高沟通效率、控制实验时长，设计了空间二维的实验内容实施模式。在这样的实验架构下，可以清晰地看到学生实施实验所考察到的各种实践能力，便于考核评价。

1 探索性实验平台的设计

当前大多数高校受硬件平台数量、实验场地面积有限等客观因素制约[7]，难以为某一个实验项目专门建设搭建实验模块[8]。目前已有研究利用原有的实验设备，通过增加少量的元器件[9]和共享测量设备来构建探索性实验平台[10]。此外，还可以利用Matlab[11]、LabVIEW[12]等软件搭建的仿真实验平台[13]作为理论分析工具。

为了构建面向本科实验教学的电力电子探索性实验平台架构，充分利用原有的12套MCL-V电力电子教学实验台作为主要硬件，并根据综合实验的电路结构制作了多种电路组合模型的仿真程序作为配套的仿真平台，如图1所示。此外，采用电力实验中心设备共享的模式解决测量设备问题。其他元器件根据学生提出的型号要求，每年集中购买。

采用上述的电力电子探索性实验平台框架，可以有效地利用原有的实验教学平台和实验场地，易于大面积实施实验，受益面广。根据综合性实验多内容交叉的情况搭建仿真平台，客观地反映实际应用和仿真的联系与区别[14]。学生更容易理解现实到理论的过渡。利用实验台和其他测量设备，实验仅需购置少量不同型号的电阻、电感、电容等元器件便可改变电路拓扑结构，实施其他电路结构研究，投资较少。

图1 电力电子电路探索性实验平台的设计

2 电力电子探索性实验的设计目标与思路

2.1 总体目标

“电力电子电路探索实验”设计为在掌握基本的电力电子元件和电路拓扑结构基础上，实施的研究型实验项目。通过相关的实验项目，使得学生初步了解科研的基本过程和方法，培养学生实验综合能力、独立动手能力、团队协作能力、收集整理信息能力和创新能力[15]。

配合相关技术人员的科研成果，对实验内容与学科新技术结合方面展开研究。基础实验提供了通过搭建经典电路[16]熟悉基本功能的路径，探索性实验则提供从不同角度认识经典电路，到发掘其中存在的问题，再到探索解决方法的平台。通过基础实验和探索性实验的融合，改善电力电子电路设计中设备功能不稳定、寿命低、故障原因不明确等问题，改变以往设计中追求量而不注重质的认知态度。

结合“电力电子技术实验”，在原有8学时基础实验基础上，通过扩充实验内容到16学时，并独立设课，形成“电力电子技术综合性实验课程”。电力电子电路探索实验项目设计为8学时，4学时分配给学生进行实验方案设计，4学时进行现场实验。实验提供3个探索方向，并提供已经完成的科研项目的研究案例、数据以及分析结果，来帮助学生理解研究、设计和探究电路的流程。

2.2 设计思路

实验设计的目标主要是将电力电子电路可靠性分析、潜电路观测与分析、电路脆弱性分析等非线性理论引入到本科实验课程中，由学生参与其中进行创造性实验项目设计，实践教学紧跟前沿技术发展和实际应用的教学理念，避免高校教育滞后社会需求的短板。实验内容的设计结构如图2所示。

图2 电力电子探索性实验内容结构图

(1) 学生可以通过设计实验，提取各种元器件的特征参数，完成元器件在不同情况下特征现象的观察，通过对实验数据的整理和分析，建立元器件的等效模型，并在仿真电路中分析其有效性。

(2) 通过2个基础实验的实施，学生对基本电路已有一定的认识。可以任意选择已经完成实验的电路，通过电路模型的建立和仿真，实现故障类型与定位、可靠性、脆弱性等基于非线性原理的电路分析，并设计实际电路验证原理和算法的有效性。

(3) 针对电力电子电路在实际产品开发中的应用，还可以在基础实验电路基础上增加部分元器件，改变电路拓扑结构，实现电路在以上3个方向上的研究。

(4) 在基本元器件和基础电路外，实验台还有过压保护、吸收电路、速度变换电路、零速封锁电路等其他模块可供学生构建不同的实验电路进行研究。

3 探索实验主题设计与实践流程

3.1 3层二维分解的主题设计方法

探索性实验鼓励本科生进行电力电子元器件非线性特性等较为前沿的课题研究，但本科生的非线性理论基础较差，而所研究的元器件、基础电路、新理论较多，不容易进行创新性实验设计。为了解决这个问题，提出3层二维分解的主题设计方法，将探索性实验所研究的问题分解在3个平面上，并在每个平面上具体指出研究对象和方式，如图3所示。

分解的基本思路是：①首先，将所要研究的对象、设置的研究方向放在1层上进行二维分解，形成研究的基本要素集合；②然后，针对某一个对象，依科研的思维步骤展开，将研究的对象、方法、手段等进行细化，

(a) 一层分解图

(b) 二层分解图

(c) 三层分解图

形成研究的步骤集合；③在②的基础上，选择一个对象继续进行细化，并针对该对象，细化其研究方法、手段等，使其成为一个个最小的单元。

以电力电子探索性实验为例，设计了3层二维分解的说明图，如图3所示。图3(a)横向列举了实验研究的方向，纵向列举了实验的基本电路，展示了完整的基本要素集合；图3(b)选择了三相桥式逆变电路故障诊断实验作为研究对象，根据该对象，纵向列举了组成电路模块的元器件单元，横向列举了对该对象进行研究可以使用的方法、手段、算法等；图3(c)在图3(b)的纵向元素中选择了晶闸管模块作为分析对象，并对该模块进行细化，分解出6个晶闸管，进行纵向列举而针对该对象，参考图3(b)的横向列举对象选择其一，继续细化，进行横向列举。依次类推，对第1层的所有对象都进行继续细化分解，如果研究的对象过于复杂，还可以继续细化，进行第4层、第5层分解。在最后一层，纵、横各选择一个要素，就形成研究的最小问题。

利用这样的分解方法，学生可以观察到问题、模型、方法等研究的基本脉络，可以根据主题查看以往的实验情况，直接引用已有的模型或者数据，减少不必要的重复工作。根据分解图，可以针对某一个点进行设计与分析，形成大框架、灵活主动的实验组织过程。使用这样的框架，有以下优点：①可以避免实验内容、实验方法和分析内容的重复。②可以采取多人合作，也可以采用单人模式完成实验，避免分工不明确，责任互相推诿，或者由于沟通不畅而导致的实验方案流产的结果。③研究的问题具有继承性，可以产生1+1>2的效果。影响电力电子电路正常工作的因素较多，任何局部问题的研究都犹如管中窥豹，因此，综合各种因素影响的实际电路的分析较为困难。对各种问题反复、锲而不舍的研究，才能全面理解电力电子电路，使得实际应用的设计长期安全稳定运行。使用这样的框架，同学们可以看到对同一个问题的不同分析方案、数据和对问题提出的改进或者完善意见。

3.2 实验流程

根据实验平台、实验内容、实验主题的结构，学生实践探索性实验的流程如图4所示。学生可以选择仅完成16学时的基础实验，也可以选择8学时基础实验，8学时探索性实验。在探索性实验中，可以选择仿真实验、实验台实验、算法实验设计。每一种选择，都体现了不同的理论难度，可以作为方案评分的一个标准。

图4 实验实现流程

4 成绩评定方案

(1) 由电力电子教授团队的3位专家分别评定所涉计及实验的理论难度系数，记为A、B、C。难度系数采用百分制计算，其分类见图4。

(2) 理论难度系数平均值M=(A+B+C)/3，当M≥60时，实验题目评审通过，可以实施该实验项目；当M<60时，实验题目评审不通过，学生需修改实验方案或者实验题目。

(3) 实验教师观察学生的实验过程，并记录实验难度系数分，记为K，按百分制计算(见表1)。

(4)最终成绩F的计算方法

F=0.2M+0.8K

表1 实验难度系数K的规定

5 结 语

实验教学课程的建设是一个不断探索的过程，随着社会的发展和科技的进步，实验教学理念应不断更新，实验教学体系、方法和手段也应不断改变。在改进教学内容设置基础上，还应进一步研究体制、机制、政策、经费的支持，更关键的是实验技术队伍建设，这是切实提高实验教学质量的保障。

[1] 贺建武，彭 清，刘祝祥，等.探索研究性实验项目在《仪器分析》实验课程中的应用实践[J].长江大学学报，2015，34(12)：79-82.

[2] 陈 森，张师平，吴 平.基于课题型的研究型实验教学模式探索[J].实验室研究与探索，2013，32(7)：171-174.

[3] 杨 睿，廖德利，姜玉磊，等.面向创新型本科电力电子技术实验教学的探索[J].中国电力教育，2014，306(11)：194-195.

[4] 刘永娟，张 蕾，冯爱红.“环境工程自主设计式”创新实验教学模式的实践与探索[J].技术与创新管理，2014，3(6)：651-654.

[5] 厉旭云，梅汝焕，叶治国.高校实验教学研究的发展及趋势[J].实验室研究与探索，2014，33(3)：131-197.

[6] 梁 梅，胡少强，王智东.电力电子技术综合实验平台的研究与建设[J].中国现代教育装备，2012，149(13)：16-17.

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[16] 王兆安，黄 俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

Research and Implementation of Power Electronic Circuit Exploratory Experiment

LIANGMei,FENGYi,LUOXuan,LIWeiwei,WANGZhidong,DENGFengqiang

(College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

This paper analyzes the key problem of the innovation type experiment in universities, proposes a new method of experiment content design. Power electronic circuit exploratory experiment is used as an example to illustrate the application of the method. Firstly, in view of the constraints of the hardware and area, intensive construction scheme of exploratory experiment platform is presented. Secondly, a new “wide objects, wide theory” experiment content framework is designed to break the limitations of previous single research objects and direction. Moreover, a two-dimensional space experiment topic implementation mode is proposed. Its concept is to research the problem of decomposition in three planes, and show the specific objects on each plane, so that people can see problems, models, methods easily. A framework is given from theory and practice to realize students’ assessment of science evaluation.

exploratory experiments; power electronic; experimental platform design; experiment content framework; experimental evaluation

2016-04-28

国家自然科学基金资助项目(61573115)；华南理工大学校级教改项目(Y1150900)；华南理工大学探索性实验项目(Y1150240)；广东教育教学成果奖(高等教育)培育项目；广东省高等教育教学改革项目(GDJG20142042)

梁 梅(1981-)，女，广西梧州人，硕士，实验师，从事电气工程及其自动化的实验教学工作。

Tel.：13332819960；E-mail：eplm@scut.edu.cn

王智东(1980-)，男，广东海丰人，博士，实验师，从事智能电网的教学与研究工作。

Tel.：13535040794；E-mail：zdwang@scut.edu.cn

TM 206；TP 391

A

1006-7167(2017)03-0167-04