工学电力电子技术的案例教学创新

电力电子技术既是一门技术基础课程,也是一门实用性和实践性很强的课程[1],因此实验教学也成为了教学过程中的重要环节之一[2]。实验教学不仅对理解和巩固课堂讲授的理论知识有重要作用,而且对加强学生工程技能训练、提高学生的动手能力具有不可替代的作用。目前,我院在电力电子技术实验教学环节中采用“TKDD-1型电力电子技术及电机控制实验装置”,如图1所示。该实验装置采用挂件式结构,可根据不同实验内容进行自由组合,其参数特性能模拟3kW左右的通用实验机组。

但是,随着学生人数的增加,实验设备的更新速度明显无法满足企业对于高职院校毕业生能力的要求,同时在进行实验教学过程中实验项目的选择图1TKDD-1电力电子技术及电机控制实验装置还不能完全满足现行教学的需求,能够开设的实验数量少且较简单;实验教学中通常采用缩小功率的系统进行模拟分析,往往会使实验结果产生较大误差;随着时间的推移,实验设备逐渐老化,在实际操作中容易受接触不良等因素的干扰,使实验结果与理论分析不符甚至出现异常现象;有些实验因在高压下进行,还存在一定的危险性。基于MATLAB的计算机仿真技术已在许多本科院校有了相当成熟的应用,并已取得了良好的教学效果。然而,对于侧重培养学生实践及动手操作能力的高职院校而言,多数实验是基于现场实验装置进行的,计算机仿真技术尚未引起足够的重视。针对这一现象,提出将基于MATLAB的计算机仿真技术引入高职院校电力电子技术课程实验教学环节的过程中。

1案例分析

教学中一般采用的教学模式为:电路原理分析-电路关键参数的设计-电路仿真-仿真结果分析讨论-总结电路的特点及各参数对电路的影响[3]。

1•1单相交流调压电路

单相交流调压电路是把两个晶闸管反向并联后串联在交流电路中,通过对晶闸管的控制来控制交流电力的控制电路。广泛应用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)、异步电动机的软启动、异步电动机的调速、供电系统中无功功率的连续调节等诸多领域。在进行单相交流调压电路的教学过程中,由于课本仅给出了如图2所示的电路构成[4],学生对此缺乏感性认识,课堂教学效果欠佳。而在进行实验调试的过程中,又往往会出现控制角α的调节不准而导致实验效果不佳的问题,使学生对电路的理解不准甚至干脆无法理解。使教师讲得费力、学生听得费神,无法获得良好的教学效果。针对这一问题,引入基于MATLAB的虚拟实验室进行计算机仿真以确保教学的有效性,使学生一改往日“上课听听、作业抄抄、考试突击”的被动学习为“勤动脑、肯动手、敢提问、会分析、能解决”的主动学习[5],同时,对学生学习兴趣的提高起到了有力的推动作用。以下从构筑电路、参数设置及仿真比较方面分析不同负载、不同电路状态时的输出结果,以增强学生对知识内在联系的把握及认识,培养其创新意识。1•1•1带电阻性负载的仿真串联RLC模块中参数设置为R=45Ω,L=0H,C=inf(无穷大)。仿真结果如图4所示。

1•1•2带电阻电感性负载的仿真

串联RLC模块中参数设置为R=45Ω,L=0•1H,C=inf。仿真结果如图5所示。

1•2三相正弦波脉宽调制变频电路

三相正弦波脉宽调制变频原理如图6所示[4]。在实际工程试验过程中,由于该电路接线复杂,并对示波器有较高要求,因此不得不借助计算机虚拟实验室来实现波形及参数的观测与调节。三相正弦波脉宽调制变频电路的系统是由直流电源、给定信号、同步脉冲触发器、IGBT逆变桥及负载等部分组成的。由于篇幅限制,系统建模和模型参数设置不再赘述。仿真结果如图7所示。在仿真过程中,学生通过自主地合理改变系统模块参数不仅对系统有了更深刻的理解,同时也对各参数对系统的影响有了更加明确的把握,更进一步提高了学生学习新知识、新技能的积极性和主动性,教学效果明显提高,并为进一步学习和工作打下了良好的基础。

2结束语

在高职院校电类专业的电力电子技术教学过程中引进计算机仿真技术,将计算机虚拟实验与传统的实际工程试验有机结合,向学生提供先进的实验技术和发挥想象力、创造力的空间。增强了学生学习的主动性和积极性,增强了学生对于知识内在联系的把握能力,使学生不仅能够将隐性的理论知识转化为显性的技能,同时能够在此基础上进行进一步创新,达到“具备扎实基础知识、熟练操作技能”的人才培养目标。

为了验证该教学方法的可行性和有效性,我们进行了以下的调研工作:首先对在校生就有关传统“课堂教学+工程试验”的教学方法与“课堂教学+虚拟实验室+工程试验”的教学方法进行了比较教学[7]。采用随机抽取的方式对同一专业的不同自然班分别运用了上述2种教学方法进行比对,结果发现后者虽然在最初实施阶段存在较大困难,但随着教学的进行,学生的自信心和效能感较之前者有了较大改观,取得了较好的教学效果。其次,对本院毕业生进行了跟踪,采用调查问卷的形式对毕业生认为对工作有较大帮助的知识和技能进行统计分析,结果发现毕业生对于后者的认可度较之对传统教学方法的认可度高出整整10•5个百分点;同时,对用人单位进行走访,用人单位对近几届毕业生对电力电子技术相关的技能认可度也较之前几届毕业生有了较大幅度的提升。