基于产学研相结合的无功补偿综合实践环节设计

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  摘要:无功功率的基本概念以及无功补偿的基本原理是电气专业学生必须掌握的知识点。紧密围绕中国石油大学(华东)电气专业学生的培养目标,把油田配电网无功补偿技术与专业实践教学内容结合,将专业教师的科研成果与体会带入课堂教学,提出了一种产学研相结合的电气专业综合实践设计思路。在论述专业实践改革立足点的基础上,详细给出了综合实践平台以及模块化实践内容设计原则。连续几届学生的实践结果证明了该思路的有效性。
  关键词:无功补偿;产学研;实践环节;电气专业
  作者简介:仉志华(1977-),男,山东夏津人,中国石油大学(华东)信息与控制工程学院电气工程系,副教授;冯兴田(1978-),男,山东广饶人,中国石油大学(华东)信息与控制工程学院电气工程系,讲师。(山东 青岛 266580)
  中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)36-0111-02
  无功功率的基本概念以及无功补偿的基本原理是电气专业学生必须掌握的知识点,在相关课程中都有所涉及,但许多学生对此没有系统性认识。本文紧密围绕中国石油大学(华东)(以下简称“我校”)电气专业学生的培养目标,将油田配电网无功补偿技术与专业实践教学内容相结合,实现了理论教学与实际应用的紧密结合;将专业教师的科研成果与体会带入课堂教学,实现了产、学、研三者的有机结合;将原有课程中讲述的零散知识点融汇成知识面,实现了知识点之间的内在融合。该方法经两届学生的暑期实践证明效果非常明显,不仅系统地补充和完善了我校电气专业综合实践教学内容,更为电气专业乃至其他学科进一步探索“产学研相结合”的教学模式积累了宝贵经验。
  一、实践环节设计的立足点
  1.体现学生培养的目标
  我校作为石油、石化高层次人才培养的重要基地,专业课程设置均围绕石油石化行业背景展开,无功补偿技术在工业现场及石油石化生产实际中应用广泛,而且伴随着国家“节能减排”政策的大力推广,该技术在石油石化生产中的应用前景更为广阔。无功补偿基本原理是电气工程专业学生必须掌握的知识点,但该内容较为抽象,将此作为实践内容不仅能促进学生对该知识点的理解,也便于学生了解油田现场的生产实际。
  2.兼顾电气专业两个方向
  我校电气专业主要有供电和拖动两个方向,专业课程设置及培养侧重点有所不同,而无功补偿相关知识作为重要的基础内容,两个专业方向学生都必须掌握,因此将此作为实践内容能够结合两个方向专业课程知识的交叉点,兼顾电气专业两个方向的所有学生,避免了部分传统实践环节设计内容的片面性,从根本上保证了实践教学效果。
  3.良好的产学研基础
  我校电气专业教师已结合油田生产实际从事无功补偿方面的研究多年,承担过多项相关科研项目,发表相关研究论文多篇,对油田无功补偿技术的现状、存在问题及解决方案具有系统认识与深入体会,通过设置实践环节将科研体会带入课堂教学,将理论与实际有机结合,不仅激发学生的学习兴趣,也将教师的科研成果融入教学,体现了产学研相结合的思想。
  4.无功补偿技术的特点
  经过多年的发展,无功补偿技术已形成专门的理论体系,涉及内容较多。无功补偿的相关知识在多门理论课程中均有所涉及,但往往仅涉及部分知识点,缺乏系统性。通过设置实践教学环节,将无功补偿零散的知识点融汇成系统的知识面,便于学生深入理解和掌握。[1-3]而且无功补偿技术理论与实际应用结合紧密,强弱电相结合、软硬件兼顾,将其作为实践环节能够加强对学生实际动手能力、分析及解决实际问题能力的培养,真正达到实践环节的锻炼效果。
  二、电气专业综合实践环节的设计
  为保证该实践环节的实施效果,主要针对两个方面进行了研究:无功补偿综合实践平台的设计和无功补偿综合实践内容的设计。前者是结合油田生产实际,以现场广泛采用的游梁式抽油机为原始模型,设计了综合实践平台,作为开展实践教学环节的基础;后者结合相关课程中无功补偿技术的教学内容,将零散的知识点进行系统融合并科学划分,以“模块化实践教学思想”为基本出发点优化设计了综合实践内容。
  1.无功补偿综合实践平台的设计
  基于实验室现有设备条件,以油田广泛采用的不同功率的游梁式抽油机电机为基础模型,结合无功补偿相关知识点的内在联系,设计出无功补偿综合实践平台。该平台总体结构如图1所示,主要由以下四个环节组成:
  (1)系统阻抗模拟环节。在实际的电力系统中,大量无功功率流动是造成电压偏移的主要因素之一,严重时会带来电压稳定问题,这是电力系统电压无功控制的理论依据。该知识点在“电力工程基础”、“电力系统分析”、“电力电子技术在电力系统中的应用”等课程中均作为重点内容讲解。该知识点由串联电抗器模拟实现,主要用于测量、分析无功功率流动引起电压偏移量,能够直观对比无功补偿前后系统的电压变化情况,并利用实测数据验证电压偏移公式。
  (2)功率测量环节。该环节用于理解三表法与两表法测量有功功率与无功功率的理论依据及实现方法,通过理论推导,重点采用两表法即采用90度接线方法直接测量无功功率的方法,该环节由有功功率表、电压表、电流表、功率因数表等组成。同时为实现功率的微机测量,设计了电压、电流变换与调理模块,实现了强弱电信号隔离。
  (3)无功补偿控制环节。该环节分为两部分:其一为手动控制环节,主要采用实验室现有的电气控制实验平台,搭建基于常规继电器的交流接触器控制回路,根据模拟仪表测量结果实现电容器的手动投切控制。另一环节为自动测量与控制环节,为保证实践实施进度,课题组专门基于51单片机开发了无功补偿智能控制硬件电路,只需接入调理后的电压电流信号,软件编程即可实现。为保证动手能力强、学有余力的学生进一步了解硬件电路知识,也可基于实验室现有的51单片机实验箱,根据参考电路图重新搭建硬件驱动电路,并软件编程实现无功自动测量与补偿控制。此环节在有效控制实施进度的基础上有利于因材施教。   (4)可调负载模拟环节。此环节主要由调压器、异步电动机、发电机及灯箱负载组成,模拟可变的有功与无功负载:通过调压器改变电动机的端电压,调节其主磁通,从而改变无功功率的大小;通过改变励磁电压或者灯箱负载的大小可改变系统有功功率的大小。该环节通过灵活连续调整有功功率大小,模拟现场抽油机上下冲程电机的输出有功功率变化;通过调整电机端电压,模拟不同功率电机所需的无功功率变化情况。二者结合即可完整模拟不同型号抽油机工作过程中的有功功率、无功功率以及功率因数变化规律,为实施无功补偿奠定基础。
  2.无功补偿模块化实践内容的设计
  将无功补偿技术所涉及的知识点进行融合,结合理论教学与实际应用关键技术点,把零散的知识点贯穿在一起形成系统的知识面,并基于“模块化实践教学”的设计思想,结合实践环节大纲规定时间,对实践内容进行了模块化综合优化设计。实践内容主要采取集中讲解与分散操作相结合的方式进行,按照两周时间安排,内容分为七个部分,[4]如图2所示。
  3.实践效果
  在2008年、2009年两次暑假实习中已进行了改革尝试,学生普遍反映效果良好,通过强弱电调试、软硬件编程锻炼了综合分析问题及实际动手能力,对于无功补偿原理及相关技术有了全面而深入的理解,并对无功补偿技术的现场应用有了全新的认识。
  三、无功补偿综合实践环节特点
  与国内同类院校电气专业实践环节涉及内容对比分析可知,无功补偿综合实践环节主要特色如下:
  将无功补偿理论体系、油田生产实际应用、教师的科研体会三者有机结合,主动融入实践平台设计与实践内容设置,充分体现了产学研相结合的思想,为日后电气专业乃至全校开展产学研教学模式进行了有益尝试,积累了宝贵经验。
  紧密结合我校学生的培养目标,立足油田生产实际需要,将广泛应用的无功补偿理论体系有机分解,结合相关课程讲述内容与学生原有的知识结构体系,模块化设置实践环节内容。并通过集中讲解、分组操作、交流反馈等多种手段保证了实践效果。
  电气专业多门课程涉及到无功补偿的相关基础知识,但只是零散的知识点,均不够系统。该成果将多门专业课程讲述内容进行融合,把无功功率基本概念、测量方法、补偿原理、效果评价等分散的知识点融汇成系统的知识面,并根据各知识点之间的内在联系,合理安排实践内容;同时兼顾微机控制、单片机、电气控制等软、硬件设计内容,强弱电结合、软硬件兼顾,有利于对学生综合分析能力与实际动手能力的培养。
  为充分发挥部分优秀学生的主观能动性,灵活优化调整实践内容,在保证实践进度的前提下,适当增加深层次内容,在实践过程中有利于因材施教。而且该实践环节在一定程度上能够兼顾电类和部分非电类专业学生的实践要求,具有一定的推广价值。
  四、总结
  本文基于产学研相结合模式下的电气专业学生的综合实践环节进行了系统研究。紧密结合我校学生培养目标,从无功补偿理论体系、油田生产实际需要、产学研基础等多方面论证了将该内容作为实践环节的合理性;紧密结合理论体系、现场应用与科研体会,优化设计了无功补偿综合实践平台与模块化实践内容,不仅系统地补充和完善了我校电气专业实践教学内容,更为重要的是将专业教师的科研成果、体会进行凝练与总结,主动融入到实践课堂教学中,实现了产、学、研三者的有机结合,为电气专业乃至全校进一步探索“产学研相结合”的教学模式积累了宝贵经验。该成果获得2010年校级教学成果二等奖。
  参考文献:
  [1]陈衍.电力系统稳态分析[M].第二版.北京:中国电力出版社,
  2000.
  [2]黄纯华.工厂供电[M].第二版.天津:天津大学出版社,2005.
  [3]任礼维.电机与拖动基础[M].杭州:浙江大学,1994.
  [4]仉志华,冯兴田,何新霞,陈荣.无功补偿综合实践平台的设计[J].电气电子教学学报,2009,31(1):72-74.
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