“電力電子技術”課程設計的內容與考核方法探討

趙仁德,王艷松,張加勝,馬文忠

(中國石油大學(華東)信息與控制學院電氣工程系,山東東營 257061)

0 引言

隨著電力電子技術的不斷發展和應用的日益廣泛,許多院校電氣信息類專業開設了“電力電子技術”課程。“電力電子技術”成為電氣信息類專業尤其是電氣工程及其自動化專業重要的專業基礎課。“電力電子技術”是一門實踐性很強的課程,在搞好理論教學的同時,加強實踐環節非常重要[1]。實驗教學和課程設計是兩種重要的實踐教學環節,但實驗教學主要是驗證性實驗,只能起到鞏固課堂教學的效果,不能培養學生運用所學知識解決實際問題的能力和創新能力。而課程設計則可以彌補這一不足,但這有賴于課程設計內容的合理設計、考核方法的合理制定。否則,課程設計容易流于形式,達不到提高學生實踐能力的目的。

為增強學生的創新意識,培養學生的實踐能力,中國石油大學(華東)電氣工程及其自動化專業新增了時間為1.5周的電力電子技術課程設計這一實踐環節。本文將結合該課程設計的探索和實踐,對設計內容的選擇及考核方法的制定進行探討。

1 現狀和存在的問題

目前,開設“電力電子技術”的工科院校很多,但“電力電子技術”課程設計相關的研究報道很少[2]。這說明“電力電子技術”課程設計的研究尚處于初級階段,從而也說明了在課程設計內容的選擇和具體實施方面困難較大。只有少數幾個電力電子技術實力較強的重點院校進行了相關的嘗試。浙江大學將“功率因數校正實驗”等部分實驗項目列為創新設計型實驗,由學生自主設計實驗內容和方法,提高學生創新能力[3];哈爾濱工業大學則以直流脈寬調速系統驅動電源的設計為課程設計的主要內容,取得了較好的效果[2];南京航空航天大學憑借在航空電源研究方面的優勢開發了“軟開關逆變電源實驗裝置”課程設計教學平臺,利用該平臺設立了若干個課程設計題目[4]。

“電力電子技術”課程設計開設較少的原因是多方面的,實驗的安全性及經費的限制是兩個主要的制約因素。電力電子技術課程設計的主要目的是通過讓學生使用電力電子開關器件、磁性元件和其它元器件構建能夠實現一定功能的電力電子電路,使他們掌握電力電子開關器件的使用、磁性元件的原理及制作方法、控制系統的設計方法及實際電路實現,從而培養他們的動手能力,激發他們對電力電子電路的興趣。要實現這一目標,在課程設計的過程中,電力電子主電路部分應是開放的,這與普通實驗將主電路部分封閉在實驗柜中不同。那么,如何在調試過程中保障學生的人身安全成為實施課設計過程中的最重要的問題。開關器件的保護和驅動不當,會很容易損壞,這無疑將增加課程設計的開支。

另外,實踐教學環節的考核比較難,課程設計更是如此,大多數情況下只能靠出勤、設計報告來給成績,甚至于靠最后進行一次考試來完成考核?？己穗y的原因在于,同樣的題目,開放的課程設計過程,必然有優秀的學生先做出來,他們也就必然幫助沒做出來的學生。最后的結果是大家都做出來,都差不多,無法形成真正有區分度的考核。而考核結果對學生的積極性影響較大,有較強的導向作用。課程設計的目標是培養實踐能力,考查的主要目標是動手能力,所以不宜用書面考試的考核方式。如何通過考核使各種水平的學生都得到相應的評價,需要將課程設計的內容和考核方式相結合,制定出以實踐為導向、以設計結果為標準的考核方式。

2 課程設計內容的選擇

首先,電力電子技術的應用,主要分為三個領域:電氣傳動、電力系統和開關電源。相對前兩個應用領域來說,小容量的開關電源在調試過程中,安全性較高,且器件的成本又低,適合于課程設計。麻雀雖小,五臟俱全,一個簡單的開關電源中包含了啟動電路、控制電路、驅動電路、輸入濾波、輸出濾波、保護電路及變壓器等諸多部分,可以讓學生得到充分的鍛煉。而且,因為開關電源的輸入、輸出有較多的電壓、電流等級,可以通過給不同的學生提不同的要求而避免他們之間的雷同。

其次,而在我校的培養計劃中,對電力電子在前兩個領域的應用都有后續的課程。在電氣傳動領域有《電力拖動自動控制系統》和《交流變頻調速》,在電力系統領域有《電力電子在電力系統中的應用》,還有兩周的電氣綜合實踐環節和一周的電力拖動課程設計。而在開關電源方面缺乏后續的課程,也沒有實踐環節。課堂教學上,與開關電源和高頻磁性材料相關的內容也放在最后,要求較低[5]。所以,學生對電力電子在開關電源和高頻磁性元件的知識了解較少。而在我們的生產生活中,開關電源無處不在,高頻磁性元件則是電力電子電路的重要組成部分。為達到全面培養學生的目的,我們將開關電源的設計作為電力電子技術課程設計的內容。

第三,考慮到學時只有1.5周,我們選擇反激式開關電源作為課程設計。其原理圖如圖1所示。

圖1 反激式開關電源結構示意圖

為了鍛煉學生,我們不制作PCB板,而是發給學生單面多孔板,所有的元器件都通過焊線連接。在這一過程中,可以使學生切身體會到元件的布局對連線難易程度的影響,這種感性的認識對將來畫PCB板有很大的幫助。變壓器也只發給學生磁芯、骨架、漆包線和膠帶,由學生自己繞制。這樣,對學生實際動手能力的培養大有好處,也節省了成本。如圖2所示的學生制作的反激式開關電源的正反面,成本在20元以內。

3 內容的劃分與考核的思路

為了使優秀的學生能夠充分地發揮,差的學生也能夠得到相應的鍛煉,我們將課程設計的內容分為兩大部分。一部分是規定內容,一部分是自選內容。

所謂規定內容,就是本課程設計所必須要求的,也就是課程設計的最低要求,不能完成規定內容,就不能夠及格。在本課程設計中,規定內容有:①根據課程設計指導書所給出的設計方法和實驗室擁有的磁芯,設計并制作反激變壓器。使用信號源檢測制作的變壓器是否合格。②根據教材和指導書中的原理,設計并制作開關管的驅動、緩沖電路。使用信號源和直流電源驗證其有效性。③熟悉控制芯片的工作原理,計算控制系統的參數,并選擇合適的器件實現系統的控制。實現采用帶限流功能的直流源供電,輸出一個符合要求的單路電壓。這樣可以使得能力較差的學生按部就班地得到鍛煉,而不會有較大的安全問題,因為采用帶限流功能的直流源供電,電流不會太大,電壓也不高。

所謂自選內容,也就是發揮部分內容。主要是供有余力的學生進行選擇。在本課程設計中,有如下發揮的內容:①直接采用市電供電,而不是采用直流源供電。要求學生制用相應的整流電路和啟動/輔助電源電路。可以培養學生調試強電電路的能力。②輸入與輸出電壓隔離。這要求學生增加變壓器繞組使用磁隔離或者采用光耦進行光電隔離。③輸出采用多路,可以控制一路輸出電壓,也可以多路輸出輸出電壓。④過電流保護、輸出過電壓限制、輸入低電壓限制等功能。⑤輸出電壓的紋波、帶負載能力和抗擾動性能達到更高的要求。上述發揮部分的內容,在實現方式上也有難易之分,按照難度的大小,分配適當的分值,從而便于考核學生課程設計的情況。

當自選內容要求高于規定內容的時候,可以不做規定內容部分,直接完成自選內容。這樣便在課程設計的最開始,由學生根據自己的能力和對成績的期望劃分不同的層次,優秀的學生希望得到較高的成績,選擇的起點高,難度也大,會面對更大的挑戰,沒有時間過分幫助那些只求及格的學生,那些學生只能靠自己的努力。優秀的學生得到了挑戰,差學生得到了鍛煉,中等的學生也會盡力。而且,最終的成績完全根據課程設計完成的結果,有較好的區分度,也有較好的導向作用。

4 結語

我?！半娏﹄娮蛹夹g”課程設計起步晚,基礎比較差。我們根據自己的情況,對課程設計的內容和考核方法進行了探索和實踐,取得了較好的效果,有效地提高了學生的動手能力和學習的積極性。我們將不斷努力,不斷學習兄弟學校的先進經驗,使電力電子技術實踐教學水平有更大的進步。

[1]王兆安,黃俊.面向21世紀“電力電子技術”課程教學改革,高等工程教育研究,1999,(S1):40-43

[2]李久勝,王明彥 孫鐵城.電力電子技術課程設計的探索與實踐,電氣電子教學學報,2008年7月增刊:81-84

[3]潘再平,馬皓.浙江大學“電力電子技術”精品課程建設研究,電氣電子教學學報,2007,29(電氣工程專輯):133-137

[4]肖嵐.逆變器綜合課程設計教學平臺的開發,電氣電子教學學報,2005,(1):73-75

[5]張加勝,張磊.電力電子技術,中國石油大學出版社,2006