太原电力高等专科学电力电子及电气传动实验室于2005年利用教育部专项资金投资建成,本实验室采用浙江求实公司的NMCL型电力电子及电气传动教学实验台,拥有教学实验台10套,配有数字示波器、数字万用表等实验设备。该实验室能够完成“电力电子技术”及“电力拖动自动控制系统”等相关课程要求的实验。该产品在设计时充分考虑学生的特点,力争通过实验使学生掌握电力电子器件、电力电子电路的基本结构及其工作原理,培养学生对电力电子电路进行分析计算、设计选型、性能测试等方面的能力。培养本、专科生在电力电子技术方向的基本理论研究和实际动手能力,提高学生的创新能力,为后续课程打下坚实的基础。该实验室除了为本科生和研究生的教学提供实验条件外,也可为学生开展电力电子方面的科研工作提供相应的实验条件和实验环境。同时,该教学实验台在设计时也充分考虑了教师的需要,留有较大的发展空间,便于教师在该实验台上进行相关的科研工作。该实验室建成后,承担太原电力高等专科学电气工程及其自动化等专业的“电力电子技术”课程和“电气传动”课程的实验任务。该实验室的运行对培养学生的学习兴趣、巩固“电力电子技术”课程的教学效果、提高学生的实验动手能力起到了一定的推动作用,[1]并为教师科研、专科生实训、本科生毕业设计等提供了有利条件,受到教师和学生的普遍好评。
一、新型电力电子实验设备运行简介
在太原电力高等专科学电力电子实验中,根据教学计划,主要安排了以下几个实验:(1)锯齿波同步移相触发电路;(2)单相桥式半控整流电路;(3)单相桥式全控整流电路;(4)三相半波可控整流电路;(5)直流斩波电路。根据教学计划的不同,实验项目也有相应增减。
实验操作采用分组制度,规定每两或三人为一个小组,每个小组每次实验均在固定的实验台上操作。在开始实验前,由教师对实验过程进行详细的讲解。实验过程中,尝试采用学生自查接线,指导教师辅助查线制度,一些简单实验完全靠学生自己查线。实验台采用隔离变压器将电网电压和学生实验用电进行隔离,具有过流保护功能,能够保护功率器件不被损坏。另外还设有电压型漏电保护装置,对实验过程中的漏电能够报警并断开总电源,所以至今实验过程较为正常,没有出现人身事故,主要实验器件未损坏。实验过程中教师全程指导,随时解答学生的疑问。实验结束后,认真批阅学生的实验报告,并针对学生们实验报告中常见的问题进行反馈。
在电力电子实验中,学生通常在示波器的使用上易犯错误。本实验室中配备的是数字式双通道示波器,而学生们在以前的实验中用到的大多是模拟示波器,接触使用数字示波器的机会较少。在示波器的使用中经常犯的错误有以下几个方面:(1)两支表笔的接地探头接在电路中的不同电位点上。每个示波器配备两个共地的表笔,这两支表笔的接地探头在示波器的内部是短路的,因而示波器不能直接同时观察两个不共地的电压波形和相位。[2]因此要求学生们在实验中将两支示波器的接地探头接一支即可,以免造成短路。这个错误经常出现,需要重点提醒。(2)示波器的表笔反用。示波器的信号探头和接地探头接反,造成示波器输出波形倒转,实验结果错误。(3)示波器其他使用问题。由于对数字示波器不熟悉,在记录输出信号波形时,在横轴、纵轴坐标位置的确定、输出信号幅值的读数等方面也经常出现错误。针对这些易犯错误,除了实验前讲解、强调到位以外,还应当多创造动手操作机会,使学生们熟能生巧。
在实验报告的整理过程中,要求学生把课本上的理论知识和实验结果有机地结合起来,用课本上的知识指导实验,用实验的结果验证理论知识。在此过程中,通常出现的问题是学生实验报告整理得不标准,很多学生实验结果数据不准确,输出波形绘制粗糙,横、纵轴坐标标示不清晰、不完整。因此,要在实验报告整理过程中注重培养学生严谨的学习态度。
二、电力电子实验室改革探索
1.加强实验教材的编写
鉴于实验教材在实验教学中的重要作用,我们以NMCL型电力电子及电气传动教学实验台为主线,编写了实验教材,该教材系统介绍了电力电子课程中的实验原理、实验方法。根据实验装置的扩展,最近又在教材中增加了有源功率因数校正、 PWM调速系统、开关电源等实验。该实验教材在实验教学中取得了良好的效果。教材在理论和实际结合的内容方面留给学生充分的思考余地,以利于培养和提高学生的实验动手能力和独立分析、解决问题的能力。随着对教学质量要求的不断提高,笔者认为,一本好的实验教材应该与实验设备紧密结合,不但能介绍基本实验步骤,而且能融入相关理论知识,并给出较多的思考题,使学生在实验前能根据问题进行预习,实验中带着问题进行操作,实验后能在实验结果中找出问题的答案。这样,实验教材不但能够解决实验中的问题,而且当学生工作后遇到实际问题时,能从实验教材中得到启发,找到分析问题、解决问题的方法。
2.巩固传统的实验项目,积极开展新实验项目
传统的电力电子实验多是以晶闸管为基础的实验,如单、三相桥式整流实验等。然而,目前工业生产现场的电力电子装置中,以现代电力电子器件为基础的装置使用范围越来越广泛。作为专业基础课程,在教学内容和实验内容上应当有一定的前瞻性、领先性,否则学生毕业走上工作岗位后所学知识用不上,反而落伍。现在电力电子实验台采用模块化设计,实验装置很容易扩展。因此,要在巩固传统实验项目的基础上,积极开展以全控型现代电力电子器件为基础的新实验项目,如PWM整流、开关电源、现代电力电子器件的特性及驱动等实验项目以提高学生的综合素质,便于提升走上工作岗位后的竞争力。在实验手段上,也可适当加入计算机仿真的实验,利用学生对计算机的兴趣,采用MATLAB软件中的SIMULINK模块进行仿真实验。仿真实验是对传统实验模式的补充,同时也能提高学生运用计算机的能力。[3]
3.充分利用实验室设备,提高学生的科技创新水平、提升教师及科研人员的科研水平
由于该电力电子实验台采用模块化设计,功能的拓展性很强。因此,我们充分利用该资源,构建良好的创新实践环境,开展多样化的学生课外科技竞赛活动。太原电力高等专科学学生近年来参加全国电子设计大赛及其他相关科技大赛并多次获奖。该实验台的某些模块,也适合为研究生开展实验,例如该实验台配备了以数字信号处理器(DSP)作为核心控制器的变频调速实验模块、有源功率因数校正模块、直流脉宽调速模块等,并且部分实验模块可与计算机相连,可利用MATLAB软件等进行编程控制。充分利用这些先进设备,可以为研究生开展实验,研究生和教师也可利用这些设备提高动手能力及科研水平。[4,5]
三、结语
通过近几年的实践与探索,新型电力电子实验平台的使用激发了学生动手做实验的热情,在培养学生思考问题、解决问题的能力上取得了很大成功,极大地锻炼了学生的动手能力,提高了学生的理论水平,锻炼了学生的创新思维和实践能力。同时,新型实验台的使用减轻了教师指导实验的压力。实验台的高扩展性,对学生的科技创新活动和教师及研究生的科研工作也有巨大促进作用,取得了一系列成果。我们将不断推进实验室的改革,推进教学内容、教学方法和教学手段的改革,以适应社会对人才培养的需要。
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