李 平，宮世杰，周思康，顧 軍，來(lái)文豪，朱洪波

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著產(chǎn)業(yè)變革和技術(shù)革新，傳統(tǒng)工科育人模式已經(jīng)很難滿足社會(huì)對(duì)人才的需求。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和科技的變革，教育部于2017年2月分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開(kāi)新工科研討會(huì)，標(biāo)志著對(duì)“新工科”探索的開(kāi)始。[1]《電力電子技術(shù)》作為電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，綜合性強(qiáng)且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。[2]《電力電子技術(shù)》內(nèi)容涉及電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

相比于傳統(tǒng)有線輸電方式，無(wú)線電能傳輸技術(shù)(Wirless Power Transfer，WPT)不僅能避免因輸電線路老化破損帶來(lái)的漏電風(fēng)險(xiǎn)，而且輸電方式更加靈活，同時(shí)降低了輸電成本，且無(wú)線電能傳輸技術(shù)打破了傳統(tǒng)電能傳輸過(guò)程中線纜的束縛，所以被大量用于環(huán)境惡劣場(chǎng)所或不適合安裝線纜的區(qū)域，如水下設(shè)備[3]、醫(yī)用器材[4]、電動(dòng)汽車[5]、智能手機(jī)[6]等。將無(wú)線電能傳輸項(xiàng)目引入電力電子技術(shù)教學(xué)不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，也拓寬了學(xué)生的科學(xué)眼界。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法即以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)，項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生主動(dòng)加入課堂教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力，培養(yǎng)發(fā)散思維。[7]論文介紹了在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)踐，以無(wú)線電能傳輸技術(shù)作為課程案例，旨在探討“新工科”教育背景下如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。

1 項(xiàng)目描述

整流電路和逆變電路作為《電力電子技術(shù)》課程中的基礎(chǔ)電路，對(duì)深入學(xué)習(xí)《電力電子技術(shù)》有重要意義。但傳統(tǒng)《電力電子技術(shù)》教學(xué)方式過(guò)于枯燥，很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法以電場(chǎng)式無(wú)線輸電為案例對(duì)整流電路和逆變電路進(jìn)行講解，不但可以提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且拓展了學(xué)生的知識(shí)面。

現(xiàn)階段主流無(wú)線輸電方式分為電場(chǎng)式(Electric-field Wireless Power Transfer，EC-WPT)[8]、磁場(chǎng)式(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，MC-WPT)[9]以及微波輻射式(Microwave Power Transfer，MPT)[10]。電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)與磁場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)的前級(jí)電路和后級(jí)電路基本一致，不同點(diǎn)在于傳輸?shù)鸟詈显O(shè)備不同，電場(chǎng)式無(wú)線輸電通過(guò)電容板進(jìn)行耦合傳輸，磁場(chǎng)式無(wú)線輸電通過(guò)線圈進(jìn)行耦合傳輸。

圖1所示的傳輸系統(tǒng)中，前級(jí)電路由逆變電路和補(bǔ)償電路組成，耦合機(jī)構(gòu)一般為電容板或線圈，后級(jí)電路由補(bǔ)償電路和整流電路組成。前級(jí)逆變電路的作用是將電源所提供的直流電變換成耦合機(jī)構(gòu)所需要的高頻交流電，再通過(guò)耦合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生高頻電場(chǎng)或者高頻磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，后級(jí)整流電路的作用是將耦合機(jī)構(gòu)傳輸?shù)母哳l交流電轉(zhuǎn)換成可以供用電器使用的直流電。

圖1 無(wú)線輸電傳輸系

電場(chǎng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)相較于磁場(chǎng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有成本低、易安裝和傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)。[11]所以本次項(xiàng)目選取電場(chǎng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并從課程目標(biāo)及課程思政兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)。

核心目標(biāo)分解：(1)分別搭建逆變電路和整流電路；(2)通過(guò)項(xiàng)目結(jié)合逆變電路和整流電路實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)的搭建。

課程思政：在對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行描述時(shí)，加入無(wú)線輸電技術(shù)的發(fā)展歷史和意義，以及重慶大學(xué)蘇玉剛教授團(tuán)隊(duì)[12](我國(guó)最早一批從事無(wú)線電能傳輸研究的團(tuán)隊(duì))如何在沒(méi)有設(shè)備、沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下在無(wú)線輸電領(lǐng)域取得重大成果的事跡，樹立起學(xué)生科學(xué)報(bào)國(guó)的科研價(jià)值觀。

2 項(xiàng)目分析

鑒于大部分學(xué)生在大學(xué)之前缺乏實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，且本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高頻電路存在一定的危險(xiǎn)性，因此本文決定采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行。首先使用多物理場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)耦合電容板進(jìn)行仿真，得到耦合機(jī)構(gòu)的電容值；接著將獲得的電容值帶入MATLAB進(jìn)行電路仿真。在項(xiàng)目實(shí)施前，教師應(yīng)提前要求學(xué)生學(xué)習(xí)多物理場(chǎng)有限元仿真軟件和MATLAB的基本使用方法。在教學(xué)中，教師需要逐步分解電場(chǎng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解每個(gè)結(jié)構(gòu)的具體作用。

在介紹完實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后將全班學(xué)生按照4～5人一組進(jìn)行分組，每個(gè)小組選取一位組長(zhǎng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)，并安排組內(nèi)分工，將項(xiàng)目細(xì)化，分工到每位組員，做出結(jié)果后由組長(zhǎng)匯總，將所得的逆變電路，整流電路以及電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)的結(jié)果統(tǒng)一打包發(fā)送至班長(zhǎng)郵箱，再由班長(zhǎng)匯總后發(fā)送給任課教師。教師在收到結(jié)果后，組織學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行答辯，每組由組長(zhǎng)進(jìn)行答辯，教師對(duì)學(xué)生答辯表現(xiàn)進(jìn)行打分，最后小組總分為各個(gè)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)加權(quán)后累加。教師不僅需要在前期對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，還要在整個(gè)過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生解決仿真實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，幫助學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。同時(shí)教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考課程項(xiàng)目可以應(yīng)用的領(lǐng)域，以激發(fā)學(xué)生的科研興趣提高創(chuàng)新能力。

為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)，現(xiàn)在將項(xiàng)目中的電路進(jìn)行拆分，化簡(jiǎn)為兩個(gè)簡(jiǎn)易電路，學(xué)生可以在搭建完簡(jiǎn)易電路后，自主考慮如何將兩部分電路組合，這樣既降低了項(xiàng)目的起步門檻，又強(qiáng)化了學(xué)生的思維與動(dòng)手能力。

(1)逆變電路

本次項(xiàng)目旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)逆變電路的理解和使用能力，學(xué)生需自主搭建如圖2所示的逆變電路，該逆變電路由四個(gè)MOS管(S1、S2、S3、S4)以及直流電壓源U、濾波電感L1和負(fù)載R1組成。該部分電路的作用是為耦合機(jī)構(gòu)提供高頻電源。教師在介紹完電路后，給學(xué)生20～30分鐘時(shí)間要求學(xué)生自主完成電路圖的繪制。

圖2 逆變電路結(jié)構(gòu)圖

(2)整流電路

圖3所示的整流電路，是在無(wú)線輸電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化得來(lái)。耦合機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的高頻交流電，在這里被等效為一個(gè)交流電壓源。整流電路由四個(gè)二極管(D1、D2、D3、D4)交流電壓源VAC電容C3以及負(fù)載R2組成。該電路的作用是將耦合機(jī)構(gòu)所傳輸?shù)母哳l交流電轉(zhuǎn)換成可以供用負(fù)載使用的直流電。

圖3 整流電路結(jié)構(gòu)圖

圖2、圖3為本次項(xiàng)目的兩個(gè)基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)圖。學(xué)生需在完成這兩個(gè)電路搭建的基礎(chǔ)上將它們組合，以構(gòu)建電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)。下面是筆者在整理完學(xué)生作業(yè)后選取的一個(gè)小組的作業(yè)情況，圖4為該小組通過(guò)MATLAB搭建的逆變電路圖以及仿真結(jié)果，如圖4所示，學(xué)生已經(jīng)具備搭建逆變電路的能力；圖5為該組逆變電路的電壓輸出波形，從結(jié)果看該組所搭建的逆變電路有較好的效果。

圖4 逆變電路圖

圖5 逆變結(jié)果

圖6為該組學(xué)生搭建的整流電路，從電路搭建結(jié)果看，學(xué)生已經(jīng)具有獨(dú)立搭建與使用整流電路的能力；圖7為整流電路輸出的電壓波形；從圖5和圖7可見(jiàn)，學(xué)生對(duì)逆變電路和整流電路有了較為深刻的理解，且仿真結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖6 整流電路圖

圖7 整流結(jié)果

在做完逆變電路和整流電路實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生需在多物理場(chǎng)有限元仿真軟件上對(duì)電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。圖8為學(xué)生所搭建的多物理場(chǎng)有限元模型，該模型由四塊材料大小完全相同的金屬電容板組成，每塊電容版的寬度、深度和厚度分別為5 cm、2.5 cm和0.1 cm，材質(zhì)為銅，極板間為空氣域。

圖8 有限元模型

對(duì)圖8中模型進(jìn)行有限元計(jì)算得出該耦合結(jié)構(gòu)傳輸電容的電容值為6.5×10-9F，圖9選取了耦合模型在2.7×10-7s時(shí)耦合極板的電勢(shì)分布。學(xué)生在搭建完逆變電路、整流電路和電容板耦合模型后，通過(guò)項(xiàng)目將上述三部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，使用Simlink平臺(tái)搭建圖10所示電路，通過(guò)耦合模型所得的電容值對(duì)其它電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將所得元件參數(shù)帶入電路器件并進(jìn)行仿真。

圖9 電容板-板間電勢(shì)分布

圖10 無(wú)線輸電結(jié)構(gòu)圖

圖10中左側(cè)電路為逆變電路，右側(cè)電路為整流電路。與學(xué)生所做的簡(jiǎn)易電路不同的是，原先接在逆變電路的負(fù)載電阻和接在整流電路的交流電壓源被兩個(gè)電容CE1、CE2取代。L1和L2為一次側(cè)和二次側(cè)的補(bǔ)償電感。通過(guò)簡(jiǎn)化圖10中的電路，我們得到了圖11所示電路，CE1和CE2分別表示發(fā)射端和接收端的板間電容。

圖11 無(wú)線輸電等效電路圖

(1)

(2)

圖11中U1為直流電源U經(jīng)逆變電路等效后的高頻交流電源，通過(guò)式(1)式(2)將CE1和CE2等效為CE，整流電路和負(fù)載R等效為R1。對(duì)圖11所示電路進(jìn)行分析。

(3)

L=L1+L2

(4)

(5)

根據(jù)式(5)令虛部為0得到式(6)：

ω2LCE-1=0

(6)

(7)

其中Z為電路總阻抗，通過(guò)式(1)和式(7)確定電容電感值，并設(shè)置電路參數(shù)如表1所示。

表1 元件參數(shù)

對(duì)圖10電路進(jìn)行仿真結(jié)果如圖12所示。測(cè)量該模型輸出端功率為25.3 W，傳輸效率為48.1 %。

圖12 仿真結(jié)果

盡管結(jié)果顯示該模型的傳輸效率較低，但考慮到學(xué)生對(duì)電場(chǎng)式無(wú)線輸電系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)缺乏學(xué)習(xí)，這個(gè)結(jié)果并不意外，學(xué)生能成功地完成預(yù)期目標(biāo)，并表現(xiàn)出色，值得肯定。在完成項(xiàng)目后教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考，影響傳輸效率的因素有那些，在重新確定參數(shù)后再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提高傳輸效率。

3 項(xiàng)目匯報(bào)與評(píng)價(jià)

項(xiàng)目完成后，每組組長(zhǎng)向教師匯報(bào)所在小組的項(xiàng)目完成情況，主要包括以下幾個(gè)方面：(1)是否完成項(xiàng)目搭建；(2)電路參數(shù)選??；(3)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軟件仿真，展示結(jié)果；(4)介紹每個(gè)電路具體作用。

項(xiàng)目評(píng)價(jià)：在項(xiàng)目的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)中，我們進(jìn)行了7：3的加權(quán)分配方式，其中7分是指小組項(xiàng)目的完成情況，任課教師主要根據(jù)學(xué)生提交的仿真文件及結(jié)果進(jìn)行評(píng)分；3分則是指小組匯報(bào)表現(xiàn)以及在課堂上的表現(xiàn)等綜合因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師在對(duì)學(xué)生的匯報(bào)點(diǎn)評(píng)后，對(duì)優(yōu)秀小組提出表?yè)P(yáng)。同時(shí)再次講解和強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)容的記憶。

4 結(jié)語(yǔ)

論文介紹了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中的具體案例，通過(guò)電場(chǎng)式無(wú)線輸電項(xiàng)目將《電力電子技術(shù)》中的整流電路和逆變電路內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的記憶和理解，同時(shí)也激發(fā)了他們的科研熱情。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式完成項(xiàng)目，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，也強(qiáng)化了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

通過(guò)分析學(xué)生課后作業(yè)的完成情況，以及后期對(duì)該部分內(nèi)容復(fù)習(xí)時(shí)學(xué)生的反應(yīng)看，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程中取得了很好的教學(xué)效果。學(xué)生參與校內(nèi)項(xiàng)目的經(jīng)歷對(duì)于其未來(lái)融入社會(huì)有很大的幫助，同時(shí)也滿足了當(dāng)今社會(huì)對(duì)電氣人才的需求。論文所述教學(xué)方案，不僅適合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，也適合其他專業(yè)，可根據(jù)專業(yè)實(shí)際情況以及具體項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)合，得出適合其它課程發(fā)展的教學(xué)模式。