電力電子電路探索性實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)現(xiàn)

梁 梅， 馮 藝， 羅 璇， 李維維， 王智東， 鄧豐強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣州 510641)

·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

電力電子電路探索性實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)現(xiàn)

梁 梅， 馮 藝， 羅 璇， 李維維， 王智東， 鄧豐強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣州 510641)

圍繞高等院校開設(shè)創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問題，研討了探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方法，并以電力電子電路探索性實(shí)驗(yàn)為例說明方法的應(yīng)用。針對本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)受限于設(shè)備數(shù)量、場地面積等，提出了集約式探索性實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方案。并設(shè)計(jì)了“廣對象、寬理論”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)自由度，打破以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中研究對象和方向單一的局限性。為了提高溝通效率、控制實(shí)驗(yàn)時長，提出了一種空間二維實(shí)驗(yàn)主題實(shí)施模式，并以三相全橋逆變電路故障診斷來說明設(shè)計(jì)原理。其設(shè)計(jì)思路是將所研究的問題分解在3個平面上，并在每個平面上具體指出研究對象和方式，直觀呈現(xiàn)問題、模型、方法等基本脈絡(luò)。最后建立科學(xué)的考核體系，從理論和實(shí)踐難度兩個角度獨(dú)立分析，客觀評價學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的各種能力。

探索性實(shí)驗(yàn)； 電力電子； 實(shí)驗(yàn)主題設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架； 實(shí)驗(yàn)考核

0 引 言

教育部在《2003-2007年教育振興行動計(jì)劃》中將“創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”的培養(yǎng)作為“新世紀(jì)素質(zhì)教學(xué)工程”的重點(diǎn)。十六屆六中全會通過的《中共中央關(guān)于構(gòu)建社會主義和諧社會若干重大問題的決定》中指出“保持高等院校招生合理增長，要注重增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力和就業(yè)能力、創(chuàng)業(yè)能力”的必然要求[1]；是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、促進(jìn)高等教育協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才、提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家的需要。為了提高大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，各高等院校紛紛展開了創(chuàng)新型、探索型、探究型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和改革[2]。

但是從各個院校新開設(shè)的創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)來看，實(shí)踐中也遇到了重重困難，發(fā)現(xiàn)了諸多問題[3]。例如，實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于本科實(shí)驗(yàn)平臺或是沒有深挖教學(xué)資源，沒有將院校的硬件資源進(jìn)行聯(lián)動使用，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)中的深度和廣度不夠，無法實(shí)現(xiàn)從“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新”到“思維創(chuàng)新”的飛躍[4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中啟發(fā)式教育的滲透性不足，很多課程的教師往往只給學(xué)生一個籠統(tǒng)的試驗(yàn)方案或題目，沒有更深的引導(dǎo)學(xué)生去思考，以此形成內(nèi)在的渴求的行動力[5]；學(xué)生難以找到實(shí)驗(yàn)開展的切入點(diǎn)，特別是在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程學(xué)習(xí)的初期階段，學(xué)生缺乏對專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論和概念的理解，不大容易設(shè)計(jì)出合理、精巧的實(shí)驗(yàn)方案，更難以提出創(chuàng)新性方案，師生往往都需要耗費(fèi)大量的時間，但實(shí)驗(yàn)過程又很容易出現(xiàn)脫軌的現(xiàn)象。

面對探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的共性問題，結(jié)合本校電力實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[6]，本文對電力電子探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了深入研究。針對硬件數(shù)量、場地面積有限的制約，提出了集約式探索性實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方案；為提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)自由度，設(shè)計(jì)了“廣對象、寬理論”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架；為提高溝通效率、控制實(shí)驗(yàn)時長，設(shè)計(jì)了空間二維的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)施模式。在這樣的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)下，可以清晰地看到學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)所考察到的各種實(shí)踐能力，便于考核評價。

1 探索性實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

當(dāng)前大多數(shù)高校受硬件平臺數(shù)量、實(shí)驗(yàn)場地面積有限等客觀因素制約[7]，難以為某一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目專門建設(shè)搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)K[8]。目前已有研究利用原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過增加少量的元器件[9]和共享測量設(shè)備來構(gòu)建探索性實(shí)驗(yàn)平臺[10]。此外，還可以利用Matlab[11]、LabVIEW[12]等軟件搭建的仿真實(shí)驗(yàn)平臺[13]作為理論分析工具。

為了構(gòu)建面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的電力電子探索性實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)，充分利用原有的12套MCL-V電力電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺作為主要硬件，并根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)的電路結(jié)構(gòu)制作了多種電路組合模型的仿真程序作為配套的仿真平臺，如圖1所示。此外，采用電力實(shí)驗(yàn)中心設(shè)備共享的模式解決測量設(shè)備問題。其他元器件根據(jù)學(xué)生提出的型號要求，每年集中購買。

采用上述的電力電子探索性實(shí)驗(yàn)平臺框架，可以有效地利用原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和實(shí)驗(yàn)場地，易于大面積實(shí)施實(shí)驗(yàn)，受益面廣。根據(jù)綜合性實(shí)驗(yàn)多內(nèi)容交叉的情況搭建仿真平臺，客觀地反映實(shí)際應(yīng)用和仿真的聯(lián)系與區(qū)別[14]。學(xué)生更容易理解現(xiàn)實(shí)到理論的過渡。利用實(shí)驗(yàn)臺和其他測量設(shè)備，實(shí)驗(yàn)僅需購置少量不同型號的電阻、電感、電容等元器件便可改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)施其他電路結(jié)構(gòu)研究，投資較少。

圖1 電力電子電路探索性實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

2 電力電子探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與思路

2.1 總體目標(biāo)

“電力電子電路探索實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)為在掌握基本的電力電子元件和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實(shí)施的研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得學(xué)生初步了解科研的基本過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合能力、獨(dú)立動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、收集整理信息能力和創(chuàng)新能力[15]。

配合相關(guān)技術(shù)人員的科研成果，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)科新技術(shù)結(jié)合方面展開研究?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供了通過搭建經(jīng)典電路[16]熟悉基本功能的路徑，探索性實(shí)驗(yàn)則提供從不同角度認(rèn)識經(jīng)典電路，到發(fā)掘其中存在的問題，再到探索解決方法的平臺。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)的融合，改善電力電子電路設(shè)計(jì)中設(shè)備功能不穩(wěn)定、壽命低、故障原因不明確等問題，改變以往設(shè)計(jì)中追求量而不注重質(zhì)的認(rèn)知態(tài)度。

結(jié)合“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”，在原有8學(xué)時基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容到16學(xué)時，并獨(dú)立設(shè)課，形成“電力電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)課程”。電力電子電路探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為8學(xué)時，4學(xué)時分配給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，4學(xué)時進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)提供3個探索方向，并提供已經(jīng)完成的科研項(xiàng)目的研究案例、數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果，來幫助學(xué)生理解研究、設(shè)計(jì)和探究電路的流程。

2.2 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是將電力電子電路可靠性分析、潛電路觀測與分析、電路脆弱性分析等非線性理論引入到本科實(shí)驗(yàn)課程中，由學(xué)生參與其中進(jìn)行創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，實(shí)踐教學(xué)緊跟前沿技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的教學(xué)理念，避免高校教育滯后社會需求的短板。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力電子探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

(1) 學(xué)生可以通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提取各種元器件的特征參數(shù)，完成元器件在不同情況下特征現(xiàn)象的觀察，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，建立元器件的等效模型，并在仿真電路中分析其有效性。

(2) 通過2個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，學(xué)生對基本電路已有一定的認(rèn)識?？梢匀我膺x擇已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)的電路，通過電路模型的建立和仿真，實(shí)現(xiàn)故障類型與定位、可靠性、脆弱性等基于非線性原理的電路分析，并設(shè)計(jì)實(shí)際電路驗(yàn)證原理和算法的有效性。

(3) 針對電力電子電路在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，還可以在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)電路基礎(chǔ)上增加部分元器件，改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電路在以上3個方向上的研究。

(4) 在基本元器件和基礎(chǔ)電路外，實(shí)驗(yàn)臺還有過壓保護(hù)、吸收電路、速度變換電路、零速封鎖電路等其他模塊可供學(xué)生構(gòu)建不同的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行研究。

3 探索實(shí)驗(yàn)主題設(shè)計(jì)與實(shí)踐流程

3.1 3層二維分解的主題設(shè)計(jì)方法

探索性實(shí)驗(yàn)鼓勵本科生進(jìn)行電力電子元器件非線性特性等較為前沿的課題研究，但本科生的非線性理論基礎(chǔ)較差，而所研究的元器件、基礎(chǔ)電路、新理論較多，不容易進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了解決這個問題，提出3層二維分解的主題設(shè)計(jì)方法，將探索性實(shí)驗(yàn)所研究的問題分解在3個平面上，并在每個平面上具體指出研究對象和方式，如圖3所示。

分解的基本思路是：①首先，將所要研究的對象、設(shè)置的研究方向放在1層上進(jìn)行二維分解，形成研究的基本要素集合；②然后，針對某一個對象，依科研的思維步驟展開，將研究的對象、方法、手段等進(jìn)行細(xì)化，

(a) 一層分解圖

(b) 二層分解圖

(c) 三層分解圖

形成研究的步驟集合；③在②的基礎(chǔ)上，選擇一個對象繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化，并針對該對象，細(xì)化其研究方法、手段等，使其成為一個個最小的單元。

以電力電子探索性實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)了3層二維分解的說明圖，如圖3所示。圖3(a)橫向列舉了實(shí)驗(yàn)研究的方向，縱向列舉了實(shí)驗(yàn)的基本電路，展示了完整的基本要素集合；圖3(b)選擇了三相橋式逆變電路故障診斷實(shí)驗(yàn)作為研究對象，根據(jù)該對象，縱向列舉了組成電路模塊的元器件單元，橫向列舉了對該對象進(jìn)行研究可以使用的方法、手段、算法等；圖3(c)在圖3(b)的縱向元素中選擇了晶閘管模塊作為分析對象，并對該模塊進(jìn)行細(xì)化，分解出6個晶閘管，進(jìn)行縱向列舉而針對該對象，參考圖3(b)的橫向列舉對象選擇其一，繼續(xù)細(xì)化，進(jìn)行橫向列舉。依次類推，對第1層的所有對象都進(jìn)行繼續(xù)細(xì)化分解，如果研究的對象過于復(fù)雜，還可以繼續(xù)細(xì)化，進(jìn)行第4層、第5層分解。在最后一層，縱、橫各選擇一個要素，就形成研究的最小問題。

利用這樣的分解方法，學(xué)生可以觀察到問題、模型、方法等研究的基本脈絡(luò)，可以根據(jù)主題查看以往的實(shí)驗(yàn)情況，直接引用已有的模型或者數(shù)據(jù)，減少不必要的重復(fù)工作。根據(jù)分解圖，可以針對某一個點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，形成大框架、靈活主動的實(shí)驗(yàn)組織過程。使用這樣的框架，有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和分析內(nèi)容的重復(fù)。②可以采取多人合作，也可以采用單人模式完成實(shí)驗(yàn)，避免分工不明確，責(zé)任互相推諉，或者由于溝通不暢而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)方案流產(chǎn)的結(jié)果。③研究的問題具有繼承性，可以產(chǎn)生1+1>2的效果。影響電力電子電路正常工作的因素較多，任何局部問題的研究都猶如管中窺豹，因此，綜合各種因素影響的實(shí)際電路的分析較為困難。對各種問題反復(fù)、鍥而不舍的研究，才能全面理解電力電子電路，使得實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。使用這樣的框架，同學(xué)們可以看到對同一個問題的不同分析方案、數(shù)據(jù)和對問題提出的改進(jìn)或者完善意見。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)主題的結(jié)構(gòu)，學(xué)生實(shí)踐探索性實(shí)驗(yàn)的流程如圖4所示。學(xué)生可以選擇僅完成16學(xué)時的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也可以選擇8學(xué)時基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，8學(xué)時探索性實(shí)驗(yàn)。在探索性實(shí)驗(yàn)中，可以選擇仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)、算法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。每一種選擇，都體現(xiàn)了不同的理論難度，可以作為方案評分的一個標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)流程

4 成績評定方案

(1) 由電力電子教授團(tuán)隊(duì)的3位專家分別評定所涉計(jì)及實(shí)驗(yàn)的理論難度系數(shù)，記為A、B、C。難度系數(shù)采用百分制計(jì)算，其分類見圖4。

(2) 理論難度系數(shù)平均值M=(A+B+C)/3，當(dāng)M≥60時，實(shí)驗(yàn)題目評審?fù)ㄟ^，可以實(shí)施該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；當(dāng)M<60時，實(shí)驗(yàn)題目評審不通過，學(xué)生需修改實(shí)驗(yàn)方案或者實(shí)驗(yàn)題目。

(3) 實(shí)驗(yàn)教師觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，并記錄實(shí)驗(yàn)難度系數(shù)分，記為K，按百分制計(jì)算(見表1)。

(4)最終成績F的計(jì)算方法

F=0.2M+0.8K

表1 實(shí)驗(yàn)難度系數(shù)K的規(guī)定

5 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的建設(shè)是一個不斷探索的過程，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念應(yīng)不斷更新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、方法和手段也應(yīng)不斷改變。在改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步研究體制、機(jī)制、政策、經(jīng)費(fèi)的支持，更關(guān)鍵的是實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)，這是切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的保障。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573115)；華南理工大學(xué)校級教改項(xiàng)目(Y1150900)；華南理工大學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Y1150240)；廣東教育教學(xué)成果獎(高等教育)培育項(xiàng)目；廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(GDJG20142042)

梁 梅(1981-)，女，廣西梧州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事電氣工程及其自動化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

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

王智東(1980-)，男，廣東海豐人，博士，實(shí)驗(yàn)師，從事智能電網(wǎng)的教學(xué)與研究工作。

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

TM 206；TP 391

A

1006-7167(2017)03-0167-04