論引入仿真和創(chuàng)新意識拓展的意義
如何更大程度地提高實踐教學水平,成為從事電力電子技術(shù)教學人員教研的重點,很多教育工作者都在電力電子的教學實踐上提出了建設(shè)性的意見,并取得了較好的效果[4-6]。
1仿真教學引入與創(chuàng)新思維拓展
1.1引入仿真實驗教學的必要性
電力電子技術(shù)課程理論教學中,十分注重對電路的波形與相位分析,電力電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的電壓、電流等波形分析,以方便理解電力電子器件在電路中導通與截止的開關(guān)過程,從而加深對整流、逆變、交流變換、PWM控制技術(shù)等知識的理解。大量的波形分析內(nèi)容,如果在黑板上手工畫,是一個比較困難的事情,并且學生不易理解。通過在仿真實驗教學環(huán)節(jié)中完成,同時回饋到多媒體教學,會取得更好的教學效果,所以,引入仿真教學是對理論課教學的必要補充[7]。
另外,一些較為復雜的電力電子電路創(chuàng)新和綜合性實驗,無法通過模擬實驗完成實踐課教學,通過引入仿真教學,擴大實驗教學的維度,擴大了實踐教學的可操作性。電力電子技術(shù)是電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)交叉學科,學生僅通過理論教學很難理解學科交叉性,對電力電子技術(shù)的認識也不夠全面,通過引入仿真教學,既能加強學生對主電路的認識,也能加強學生對控制電路的認識,為后續(xù)課程,如“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”、“電力拖動自動控制系統(tǒng)”等課程打下堅實的基礎(chǔ)[8]。在結(jié)合當今產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點研究領(lǐng)域,如新能源發(fā)電、電動汽車、變頻調(diào)速、柔性交流輸電、高壓直流輸電等,具有一定的前瞻性和創(chuàng)新性,然而受到實驗設(shè)備的局限性無法完成,引入仿真教學,可以進行對新技術(shù)的研究,拓展學生的工程意識[9]。仿真實驗教學的引入,很好地解決了上述問題,同時提高了調(diào)試和設(shè)計的靈活性,可以最大限度地實現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮,開闊學生視野。
1.2創(chuàng)新思維培養(yǎng)與拓展
創(chuàng)新思維就是帶有創(chuàng)見性的思維,更具體地說,是指學生在學習過程中善于獨立思索和分析,不因循守舊,能主動探索、積極創(chuàng)新的思維因素[10]。從創(chuàng)新思維的角度來看,創(chuàng)新教育就是要培養(yǎng)學生的辯證思維能力、隱喻聯(lián)想思維能力、發(fā)散思維能力以及有助于創(chuàng)新思維的非智力因素。對知識的“開墾性”越高,知識的系統(tǒng)性越強,減縮性越大,遷移性越靈活,則創(chuàng)造性就越突出[11]。創(chuàng)新人才培養(yǎng)是教育者及全社會共同關(guān)注的熱點話題,更是推動我國盡快走上創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展軌道的現(xiàn)實的迫切需要。電力電子技術(shù)實驗教學的目的是培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力的創(chuàng)新型人才,實驗教學作為培養(yǎng)大學生基本技能、實踐能力、創(chuàng)新意識的關(guān)鍵教學環(huán)節(jié),應(yīng)該把培養(yǎng)人才的綜合素質(zhì)和能力作為出發(fā)點和歸宿,學生在校期間創(chuàng)新思維的培養(yǎng)顯得尤為重要[12]。電力電子技術(shù)實踐教學中,雖然有一些產(chǎn)學研結(jié)合和科技創(chuàng)新方面的課題,學生也有參與熱情,但對于這種創(chuàng)新的課題,學生感覺高不可攀,遙不可及,然而,軟件仿真實驗調(diào)試和設(shè)計靈活,可最大限度地實現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮,同時也能解決人才缺乏和行業(yè)需求的矛盾,開闊學生視野,增強就業(yè)競爭力[13]。
2仿真教學開展實例分析
直流—直流變換(斬波電路)是電力電子技術(shù)教學的重點內(nèi)容,其中,升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路及Zeta斬波電路結(jié)構(gòu)不同,但其輸入輸出關(guān)系完全相同,此處通過應(yīng)用PLECS軟件,加強學生對電力電子控制技術(shù)的分析,通過開展仿真教學,提高學生創(chuàng)新能力。
2.1理論教學與電路工作原理分析
升降壓斬波電路、Cuk斬波電路和Sepic斬波電路如圖1(a)、(b)、(c)所示,可見電路拓撲結(jié)構(gòu)不同,升降壓斬波電路的工作原理為:當V處于通態(tài)時,電源E經(jīng)過開關(guān)管V向電感供電儲能;V處于斷態(tài)時,電感中儲存的能量向負載釋放[14]。Cuk斬波電路當V處于通態(tài)時,E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。V處于斷態(tài)時,E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流,負載電壓極性與電源電壓極性相反,為反極性斬波電路。Sepic斬波當V處于通態(tài)時,E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導通,L1和L2同時儲能。V處于斷態(tài)時,E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導通,此階段E和L1既向負載充電,同時也向C1充電,C1儲存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移。
2.2電路的PLECS仿真分析
在傳統(tǒng)升降壓斬波電路分析中,只注重主電路分析,而關(guān)于全控器件如何控制以及系統(tǒng)開閉環(huán)形式等內(nèi)容,往往忽略了講解和分析,此外,導出電路的輸入輸出關(guān)系后,對不同電路結(jié)構(gòu)下,為什么具有相同的輸入輸出關(guān)系不作明確解釋,各個電路的特點和利弊不作分析,從而使得學生在開關(guān)電源設(shè)計等方面具有很大的困惑,同時,學生的學習過程變?yōu)楸粍拥闹R傳教,也無法引起學生的學習興趣,更談不上創(chuàng)新思維的開發(fā)[15]。此處,引入PLECS仿真軟件,構(gòu)建3種電路的仿真系統(tǒng),分別如圖2(a)、(b)、(c)所示,系統(tǒng)中電路仿真參數(shù)按圖示進行選取,此處輸入電壓選為10V,占空比設(shè)為α=0.6,進行系統(tǒng)的仿真,仿真結(jié)果分別如圖3(a)、(b)、(c)所示。通過PLECS仿真軟件引入,輔助了對斬波電路的分析,學生可以充分理解在主電路背后,由于電路拓撲結(jié)構(gòu)不同,其電路的運行效果不同,如:Cuk斬波電路與升降壓斬波電路相比,其輸入電源電流和負載電路都連續(xù),脈動小,有利于輸入、輸出進行濾波。Sepic斬波電路為正極性斬波電路,而其他2種為反極性斬波電路。如此,結(jié)論和總結(jié)都可以通過仿真結(jié)果得到更清晰的認識。另外,學生可以借助仿真手段,靈活地修改參數(shù),分析不同參數(shù)下電路的輸入、輸出關(guān)系,還可借助于其他的控制方式,研究在不同的控制方式下對系統(tǒng)的控制效果,從而為以后設(shè)計開關(guān)電源構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)打下基礎(chǔ),對電力電子技術(shù)是電力學、電子學和控制理論交叉學科有更清晰的認識。
3結(jié)束語
在工科專業(yè)教學中,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,提高其工程意識和工程能力具有重要的意義,結(jié)合在電力電子技術(shù)教學過程中出現(xiàn)偏重主電路講解、忽略控制電路講解,強化理論灌輸、忽略創(chuàng)新實驗開展,學生被動學習、主動性和創(chuàng)新意識不強等一系列問題,提出將PLECS軟件仿真教學引入實踐教學過程中,作為傳統(tǒng)教學的有益補充。論文分析了升降壓斬波電路、Cuk斬波電路和Sepic斬波電路的具體工作原理,并結(jié)合具體實例給出開展仿真教學的必要性和可行性,以期在電力電子實際教學過程中實現(xiàn)理論教學和實踐教學環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)、相互補充,更大程度地提高教學質(zhì)量,提高學生解決復雜問題的能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。
作者:蘇良昱 王武葛瑜 單位:許昌學院電氣信息工程學院

責任編輯:電力交易小郭
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