產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的電氣專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)研究

仉志華，李浩光

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061)

0 引言

無(wú)功功率的基本概念以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹硎请姎鈱I(yè)學(xué)生必須掌握的知識(shí)點(diǎn)，在“電路分析”“電力系統(tǒng)分析”和“電力工程”等相關(guān)課程中都有所涉及［1-3]。本文圍繞我校電氣專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，將油田配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。通過實(shí)踐教學(xué)形式把原有課程中講述的零散知識(shí)點(diǎn)融匯成知識(shí)面，并將專業(yè)教師的科研成果與體會(huì)帶入課堂教學(xué)。因而完善了我校電氣專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，也為進(jìn)一步探索“產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合”的教學(xué)模式。該實(shí)踐環(huán)節(jié)包括無(wú)功補(bǔ)償綜合實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)和無(wú)功補(bǔ)償綜合實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

1 綜合實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以油田采油現(xiàn)場(chǎng)，并綜合采用了不同功率的游梁式抽油機(jī)電機(jī)為基礎(chǔ)模型，結(jié)合無(wú)功補(bǔ)償相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計(jì)出無(wú)功補(bǔ)償實(shí)踐平臺(tái)［4]。該平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由系統(tǒng)阻抗模擬環(huán)節(jié)、功率測(cè)量環(huán)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)和可調(diào)負(fù)載模擬環(huán)節(jié)等四部分組成。它能夠完成無(wú)功功率調(diào)整、無(wú)功功率測(cè)量和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

圖1 綜合實(shí)踐平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 模塊化實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計(jì)

我們基于模塊化實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)大綱規(guī)定時(shí)間，對(duì)實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行了模塊化綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐內(nèi)容主要采取集中講解與分散操作相結(jié)合的方式進(jìn)行，按照兩周時(shí)間安排，內(nèi)容分為七個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 綜合實(shí)踐內(nèi)容結(jié)構(gòu)

1)無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕靖拍?/p>

該環(huán)節(jié)主要包括無(wú)功功率的概念、無(wú)功功率的作用、無(wú)功功率產(chǎn)生原因與帶來(lái)的問題、無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹砗蜔o(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容。通過串講的方式將多門課程中涉及到的零散知識(shí)點(diǎn)貫穿成系統(tǒng)的知識(shí)面，并結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際需要介紹無(wú)功補(bǔ)償在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況。該環(huán)節(jié)主要采用集中講解方式，需時(shí)1天。

2)無(wú)功功率的測(cè)量方法

該環(huán)節(jié)首先介紹兩種方法的測(cè)量原理及適用場(chǎng)合，然后結(jié)合油田抽油機(jī)負(fù)載作為三相對(duì)稱性負(fù)載分析其無(wú)功變化特點(diǎn)，剖析現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于抽油機(jī)無(wú)功功率變化和功率因數(shù)變化等問題的認(rèn)識(shí)誤區(qū);介紹采用有功功率表測(cè)量三相無(wú)功功率的基本原理，然后分析基于90度接線原理并采用單片機(jī)軟件編程，實(shí)現(xiàn)基于交流采樣方法的有功和無(wú)功功率等電氣量參數(shù)測(cè)量的方法。該環(huán)節(jié)中不僅有基于傳統(tǒng)模擬儀表的測(cè)量方法，也有基于單片機(jī)的自動(dòng)測(cè)量方法;學(xué)生不僅加深對(duì)無(wú)功功率測(cè)量原理的理解，同時(shí)也加強(qiáng)對(duì)于所學(xué)單片機(jī)軟硬件知識(shí)的鞏固。該環(huán)節(jié)采用分組講解與實(shí)踐相結(jié)合方式，需時(shí)2天。

3)基于電容器分組的補(bǔ)償原理

為了達(dá)到最優(yōu)的補(bǔ)償效果，控制器必須能夠自動(dòng)和實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功需求量的變化，通過電容器組優(yōu)化投切組合補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的按需補(bǔ)償。而基于電容器分組方法是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，主要有等分原則和基于“8421”分組原則兩種。該環(huán)節(jié)在詳細(xì)分析兩種分組方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生重點(diǎn)掌握基于“8421”的分組原則特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。該環(huán)節(jié)重點(diǎn)采用分組講解與實(shí)踐相結(jié)合的方法，需時(shí)0.5天。

4)電容器投切控制環(huán)節(jié)

電容器投切控制是整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容，主要涉及到投切依據(jù)的選擇、投切元件的選擇與實(shí)現(xiàn)方法、手動(dòng)控制硬件實(shí)現(xiàn)電路和自動(dòng)控制硬件實(shí)現(xiàn)電路等內(nèi)容。

在投切控制依據(jù)中著重加強(qiáng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償控制依據(jù)的分析與實(shí)踐，重點(diǎn)分析基于功率因數(shù)的補(bǔ)償策略及存在的局限性，以及基于無(wú)功需求量補(bǔ)償?shù)脑砼c技術(shù)優(yōu)勢(shì);

投切元件采用交流接觸器進(jìn)行投切控制實(shí)訓(xùn)，需要學(xué)生自主設(shè)計(jì)并搭建投切電路;自動(dòng)控制回路基于51單片機(jī)，主要包括交流采樣調(diào)理電路、濾波電路、單片機(jī)小系統(tǒng)和輸出驅(qū)動(dòng)電路等環(huán)節(jié)。

編寫數(shù)據(jù)采集及無(wú)功計(jì)算、投切控制的軟件流程圖，編寫程序逐項(xiàng)進(jìn)行軟件硬件調(diào)試。主要通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的端電壓以及負(fù)載的大小，驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)所需無(wú)功的相關(guān)因素，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)于電動(dòng)機(jī)類負(fù)載的無(wú)功功率變化規(guī)律的認(rèn)識(shí);并對(duì)補(bǔ)償前后系統(tǒng)的電壓偏移問題進(jìn)行分析。

該環(huán)節(jié)重點(diǎn)采用分組講解與實(shí)踐相結(jié)合的方法，需時(shí)3.5天。

5)無(wú)功補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償后的效果評(píng)價(jià)通過無(wú)功補(bǔ)償前后的功率因數(shù)、網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓變化等因素逐項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試和分析，幫助學(xué)生建立正確的無(wú)功補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)體系。該環(huán)節(jié)重點(diǎn)采用分組講解與實(shí)踐相結(jié)合的方法，需時(shí)0.5天。

6)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題及對(duì)策

在此環(huán)節(jié)中主要分析現(xiàn)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)施過程存在的問題，并結(jié)合自身體會(huì)提出解決方法。主要內(nèi)容有電容投切后的諧波放大問題、電機(jī)類負(fù)載補(bǔ)償時(shí)機(jī)問題和投切振蕩問題等。同時(shí)結(jié)合前面的實(shí)踐環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)單介紹無(wú)功補(bǔ)償新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。該環(huán)節(jié)重點(diǎn)采用分組講解與實(shí)踐相結(jié)合的方法，需時(shí)1天。

7)實(shí)踐總結(jié)環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)分為兩部分:教師進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)容的總結(jié)與串講，并為學(xué)生集中整理實(shí)踐報(bào)告預(yù)留時(shí)間。作為整個(gè)實(shí)踐內(nèi)容的最后環(huán)節(jié)，通過與學(xué)生之間的交互，了解和檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)該內(nèi)容的掌握程度。我們對(duì)存在的共性問題進(jìn)行集中分析與講解，通過學(xué)生直接反饋的實(shí)踐內(nèi)容、環(huán)節(jié)設(shè)置等存在問題，認(rèn)真研究并為后續(xù)優(yōu)化設(shè)置奠定基礎(chǔ)。此環(huán)節(jié)采用集中討論方式，需時(shí)1天。

3 綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的特點(diǎn)

1)該設(shè)計(jì)將無(wú)功補(bǔ)償理論體系、油田生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用和教師的科研體會(huì)三者有機(jī)結(jié)合，充分體現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的思想。

2)該設(shè)計(jì)緊密結(jié)合我校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，立足油田生產(chǎn)實(shí)際需要，將廣泛應(yīng)用的無(wú)功補(bǔ)償理論體系有機(jī)分解。并結(jié)合相關(guān)課程講述內(nèi)容與學(xué)生原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，模塊化設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，保證了實(shí)踐效果。

3)該設(shè)計(jì)將多門專業(yè)課程講述內(nèi)容進(jìn)行融合，把分散的知識(shí)點(diǎn)融匯成系統(tǒng)的知識(shí)面，并根據(jù)各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，合理安排實(shí)踐內(nèi)容。

4)為充分發(fā)揮部分優(yōu)秀學(xué)生的主觀能動(dòng)性，優(yōu)化調(diào)整實(shí)踐內(nèi)容，在保證實(shí)踐進(jìn)度的前提下，適當(dāng)增加深層次內(nèi)容，有利于做到因材施教。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電氣專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從無(wú)功補(bǔ)償理論體系、油田生產(chǎn)實(shí)際需要和產(chǎn)學(xué)研基礎(chǔ)等多方面論證了無(wú)功補(bǔ)償綜合實(shí)踐平臺(tái)與模塊化實(shí)踐內(nèi)容。該成果不僅系統(tǒng)地補(bǔ)充和完善了我校電氣專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，更重要的是將專業(yè)教師的科研成果和體會(huì)融入到實(shí)踐課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)、學(xué)、研三者的有機(jī)結(jié)合，為電氣專業(yè)進(jìn)一步探索產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的教學(xué)模式積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。該成果獲得2010年校級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。

［1] 陳衍.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(第二版)［M] .北京:中國(guó)電力出版社，2000

［2] 黃純?nèi)A.工廠供電(第二版)［M] .天津:天津大學(xué)出版社，2005

［3] 任禮維.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M] .杭州:浙江大學(xué)出版社，1994

［4] 仉志華，馮興田，何新霞，陳榮.無(wú)功補(bǔ)償綜合實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2009，31(1):72-74