太原電力高等專科學電力電子及電氣傳動實驗室于2005年利用教育部專項資金投資建成,本實驗室采用浙江求實公司的NMCL型電力電子及電氣傳動教學實驗臺,擁有教學實驗臺10套,配有數字示波器、數字萬用表等實驗設備。該實驗室能夠完成“電力電子技術”及“電力拖動自動控制系統”等相關課程要求的實驗。該產品在設計時充分考慮學生的特點,力爭通過實驗使學生掌握電力電子器件、電力電子電路的基本結構及其工作原理,培養學生對電力電子電路進行分析計算、設計選型、性能測試等方面的能力。培養本、專科生在電力電子技術方向的基本理論研究和實際動手能力,提高學生的創新能力,為后續課程打下堅實的基礎。該實驗室除了為本科生和研究生的教學提供實驗條件外,也可為學生開展電力電子方面的科研工作提供相應的實驗條件和實驗環境。同時,該教學實驗臺在設計時也充分考慮了教師的需要,留有較大的發展空間,便于教師在該實驗臺上進行相關的科研工作。該實驗室建成后,承擔太原電力高等專科學電氣工程及其自動化等專業的“電力電子技術”課程和“電氣傳動”課程的實驗任務。該實驗室的運行對培養學生的學習興趣、鞏固“電力電子技術”課程的教學效果、提高學生的實驗動手能力起到了一定的推動作用,[1]并為教師科研、專科生實訓、本科生畢業設計等提供了有利條件,受到教師和學生的普遍好評。
一、新型電力電子實驗設備運行簡介
在太原電力高等專科學電力電子實驗中,根據教學計劃,主要安排了以下幾個實驗:(1)鋸齒波同步移相觸發電路;(2)單相橋式半控整流電路;(3)單相橋式全控整流電路;(4)三相半波可控整流電路;(5)直流斬波電路。根據教學計劃的不同,實驗項目也有相應增減。
實驗操作采用分組制度,規定每兩或三人為一個小組,每個小組每次實驗均在固定的實驗臺上操作。在開始實驗前,由教師對實驗過程進行詳細的講解。實驗過程中,嘗試采用學生自查接線,指導教師輔助查線制度,一些簡單實驗完全靠學生自己查線。實驗臺采用隔離變壓器將電網電壓和學生實驗用電進行隔離,具有過流保護功能,能夠保護功率器件不被損壞。另外還設有電壓型漏電保護裝置,對實驗過程中的漏電能夠報警并斷開總電源,所以至今實驗過程較為正常,沒有出現人身事故,主要實驗器件未損壞。實驗過程中教師全程指導,隨時解答學生的疑問。實驗結束后,認真批閱學生的實驗報告,并針對學生們實驗報告中常見的問題進行反饋。
在電力電子實驗中,學生通常在示波器的使用上易犯錯誤。本實驗室中配備的是數字式雙通道示波器,而學生們在以前的實驗中用到的大多是模擬示波器,接觸使用數字示波器的機會較少。在示波器的使用中經常犯的錯誤有以下幾個方面:(1)兩支表筆的接地探頭接在電路中的不同電位點上。每個示波器配備兩個共地的表筆,這兩支表筆的接地探頭在示波器的內部是短路的,因而示波器不能直接同時觀察兩個不共地的電壓波形和相位。[2]因此要求學生們在實驗中將兩支示波器的接地探頭接一支即可,以免造成短路。這個錯誤經常出現,需要重點提醒。(2)示波器的表筆反用。示波器的信號探頭和接地探頭接反,造成示波器輸出波形倒轉,實驗結果錯誤。(3)示波器其他使用問題。由于對數字示波器不熟悉,在記錄輸出信號波形時,在橫軸、縱軸坐標位置的確定、輸出信號幅值的讀數等方面也經常出現錯誤。針對這些易犯錯誤,除了實驗前講解、強調到位以外,還應當多創造動手操作機會,使學生們熟能生巧。
在實驗報告的整理過程中,要求學生把課本上的理論知識和實驗結果有機地結合起來,用課本上的知識指導實驗,用實驗的結果驗證理論知識。在此過程中,通常出現的問題是學生實驗報告整理得不標準,很多學生實驗結果數據不準確,輸出波形繪制粗糙,橫、縱軸坐標標示不清晰、不完整。因此,要在實驗報告整理過程中注重培養學生嚴謹的學習態度。
二、電力電子實驗室改革探索
1.加強實驗教材的編寫
鑒于實驗教材在實驗教學中的重要作用,我們以NMCL型電力電子及電氣傳動教學實驗臺為主線,編寫了實驗教材,該教材系統介紹了電力電子課程中的實驗原理、實驗方法。根據實驗裝置的擴展,最近又在教材中增加了有源功率因數校正、 PWM調速系統、開關電源等實驗。該實驗教材在實驗教學中取得了良好的效果。教材在理論和實際結合的內容方面留給學生充分的思考余地,以利于培養和提高學生的實驗動手能力和獨立分析、解決問題的能力。隨著對教學質量要求的不斷提高,筆者認為,一本好的實驗教材應該與實驗設備緊密結合,不但能介紹基本實驗步驟,而且能融入相關理論知識,并給出較多的思考題,使學生在實驗前能根據問題進行預習,實驗中帶著問題進行操作,實驗后能在實驗結果中找出問題的答案。這樣,實驗教材不但能夠解決實驗中的問題,而且當學生工作后遇到實際問題時,能從實驗教材中得到啟發,找到分析問題、解決問題的方法。
2.鞏固傳統的實驗項目,積極開展新實驗項目
傳統的電力電子實驗多是以晶閘管為基礎的實驗,如單、三相橋式整流實驗等。然而,目前工業生產現場的電力電子裝置中,以現代電力電子器件為基礎的裝置使用范圍越來越廣泛。作為專業基礎課程,在教學內容和實驗內容上應當有一定的前瞻性、領先性,否則學生畢業走上工作崗位后所學知識用不上,反而落伍。現在電力電子實驗臺采用模塊化設計,實驗裝置很容易擴展。因此,要在鞏固傳統實驗項目的基礎上,積極開展以全控型現代電力電子器件為基礎的新實驗項目,如PWM整流、開關電源、現代電力電子器件的特性及驅動等實驗項目以提高學生的綜合素質,便于提升走上工作崗位后的競爭力。在實驗手段上,也可適當加入計算機仿真的實驗,利用學生對計算機的興趣,采用MATLAB軟件中的SIMULINK模塊進行仿真實驗。仿真實驗是對傳統實驗模式的補充,同時也能提高學生運用計算機的能力。[3]
3.充分利用實驗室設備,提高學生的科技創新水平、提升教師及科研人員的科研水平
由于該電力電子實驗臺采用模塊化設計,功能的拓展性很強。因此,我們充分利用該資源,構建良好的創新實踐環境,開展多樣化的學生課外科技競賽活動。太原電力高等專科學學生近年來參加全國電子設計大賽及其他相關科技大賽并多次獲獎。該實驗臺的某些模塊,也適合為研究生開展實驗,例如該實驗臺配備了以數字信號處理器(DSP)作為核心控制器的變頻調速實驗模塊、有源功率因數校正模塊、直流脈寬調速模塊等,并且部分實驗模塊可與計算機相連,可利用MATLAB軟件等進行編程控制。充分利用這些先進設備,可以為研究生開展實驗,研究生和教師也可利用這些設備提高動手能力及科研水平。[4,5]
三、結語
通過近幾年的實踐與探索,新型電力電子實驗平臺的使用激發了學生動手做實驗的熱情,在培養學生思考問題、解決問題的能力上取得了很大成功,極大地鍛煉了學生的動手能力,提高了學生的理論水平,鍛煉了學生的創新思維和實踐能力。同時,新型實驗臺的使用減輕了教師指導實驗的壓力。實驗臺的高擴展性,對學生的科技創新活動和教師及研究生的科研工作也有巨大促進作用,取得了一系列成果。我們將不斷推進實驗室的改革,推進教學內容、教學方法和教學手段的改革,以適應社會對人才培養的需要。
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