加强理论基础强化石油特色的电工学教学探索与实践
时间：2020-12-07 02:01:52 来源：达达文档网 本文已影响 人 
尹洪东
[摘要]本文提出了建设具有石油特色电工学教学的一些做法，把电工学教学内容与石油工业相结合，适时把科研、教学中相关的新知识及发展趋势引进课堂，通过介绍石油领域使用电类新技术带来质的飞跃科研实例，增强了学生学习电学知识的兴趣及急迫感，并拓宽了学生视野。通过深入理论剖析及理论上引申使得学生透彻理解，并为学生将来理论深造指明了方向。
[关键词]电工学 理论剖析、石油化
一、概述
随着社会的发展及进步，信息量巨增，石油工业勘探生产等行业的自动化、信息化、智能化越来越高，要求学生所需学习的课程、知识及深度也不断增长，要求学生及科技人员不仅要掌握本专业主干学科的理论知识，而且也要具备相关行业特别是必要的电工电子学知识。《电工学》是高等院校为本科非电类专业开设的一门电类专业基础课，没有专门针对石油行业而编著的课本。而且《电工学》课程具有理论性和专业性较强的特点，知识面广，概念抽象、枯燥[1]，我校的一些石油主干专业及其相关专业与电类专业相对有一定距离，如果不将该课程与学校的石油主干及其相关专业结合，更容易使得学生因难以理解而影响学生对该课程的接受程度。因此如何将电工学课程进行深入的理论分析以及与石油等相关专业相结合，建设具有石油特色的电工学课程是我们在做教学、课程建设时必须思考的一个问题。
二、以深入理论分析为基础、强化石油特色教学
在讲RC电路的暂态过程时，如果按课本上讲解：首先按基尔霍夫电压定律列出微分方程，然后再解分方程。在讲全响应时，将零状态响应与零输入响应两者叠加。虽然学生能理解数学推导过程，但是对RC电路的暂态过程，许多数学生晕晕忽忽，没有深刻理解。考试也是机械记忆。
图1：RC电路
图2：RC电路零状态响应
为了解决该问题，在按上述过程讲完零状态响应[2]内容后，对照图1、图2，笔者进行了如下讲解：
（1），刚开始时，uc=0，从（1）式中看出，电流i最大。因
（2），所以，开始时电容的电压uc上升比较快。随着时间增加， 也增加，由此从（1）式看出，电流uc逐渐减小，从式（2）看出uc的上升速度逐渐变缓，如图2所示。用同样的思路讲解零输入响应过程。
在按课本基本思路讲完RC电路全响应后，对照公式
与图4讲解全响应：f（0+）即U0，若f（0+）
在此基础上进行引申：在工程实际中，绝大多数微分方程没有解析解，随着计算机技术的进步，可以通过研究生阶段课程《数值分析》的学习、结合计算机及计算机语言，对微分方程给出数值解。虽然不知道精确解，但能知道数值解与精确解的误差范围。如果通过逐步的计算，当数值解与精确解的相对误差达到1%或更小时、这个精度满足工程要求时，数值解完全可以代替解析解。为学生在学历上、理论上进一步攀升指明了方向。
图3：RC电路零输入响应
图4：RC电路全响应
在讲解磁、电感、功率因数时，在讲完课本内容时，补充对部分理论分析及工程应用等。首先讲分析电感公式，长直螺线管中没有铁磁材料时的电感计算如下：
（3）
在绝大多数情况下电感线圈中有磁铁棒等铁磁材料，此时公式（3）中的μ0改为μ，μ非恒值，如图5所示；
而且，在电感线圈中是变化的交流电流，感应强度B的磁滞回线曲线如图6所示， ，在电流的正向、反向变化时，即使在同一H（磁场强度H与线圈中的电流是单值函数关系）处，μ也不同。书本上或大家平时都把L当作恒值，用Z=ωL计算电感的感抗，由于磁铁棒等铁磁体μ非恒值，所以计算的感抗Z并不是一个恒值，而是随着电感线圈中电流的变化及磁滞效应的变化而变化。特别是在精密的井下测量电路中，在使用电感元件，要注意此影响。同时也为学生留下了进一步深究的空间。
图5：B、μ、H的关系曲线
图6：RC零输入响应曲线
然后介绍石油现场的抽油机的交流电机就是一个巨大的感性负载，造成电流的相位滞后电压相位，致使功率因数降低。同时，油田现场使用的各种整流设备造成的各次谐波回馈电网，造成电力污染。前几年，边疆一个油田的某个采油矿因该电力污染，每年被罚款1100多万元。据资料介绍，2010年大庆油田因此损失约100亿元。
三、紧跟行业发展趋势，让课堂贴近时代步伐
Z=ωL，对于单一的50Hz的交流电ω1，通过调整L到L1，就可以确定阻抗Zl即Z1=ω1L1，根据阻抗三角形就可以确定所调的阻抗角 。当供电存在ω3、ω5、ω1等各次谐波污染时，该线圈电感确定为L1既L=L1，却不能由Z=ωL得到适合各次谐波ω2、ω3的阻抗Z2、Z3或阻抗角 。
各种机床基本都是交流电机拖动，正常情况下，电机在50Hz的交流供电下工作，以接近3000转/分转动，当供电含有150、250等各次谐波时，电机将以怎样的速度转动？学生众说纷纭，没有统一定论。笔者然后讲50Hz是主要能量，会在此基础上转动，但叠加以上各次谐波的振动。对于一般机械加工的石油井下零件密封处，公差在微米级，这些谐波会影响加工精度。对于更精密的部件，影响就更严重。从而引出解决此问题的先进有源滤波技术、电力电子技术。通过概要介绍有源滤波技术、电力电子技术，让学生了解该技术，以便在日后的工作中进行参考及选用。
讲完三相交流电机主干内容后，将研究生研究论文的一些新技术引入教学中。我们系的一个研究生，研究工厂断电时，怎样启动备用发电机。工厂突然断电时，由于一些大的重载三相电机等仍在转动，向供电母线馈入几乎同幅度的反向电压，需要检查突然断电时反馈电压的相角，在一个合适的角度接入备用电源，如果两者的相角相差近1800，会发生烧毁电缆线等电力设备。
若f（0+）>
在PLC的简介部分，介绍八十年代末大庆油田引进的1200米小型威尔逊钻机，当时价值约1.5亿人民币。且见其具有复杂的机械、液压等控制。那时自己感觉在美国人面前没了自信。
前几年笔者带学生到辽河油田实习，非常吃惊的看到，辽河油田总机厂生产的钻机用PLC控制，比原来引进的威尔逊钻机更先进。并且出口到美国、澳大利亚等国。然后概要介绍PLC技术，开阔了学生视野，激发学生进一步学习PLC技术的兴趣、以及作为中国人自信与自豪。
在讲解运算放大器的虚短、虚断时，涉及到忽略到输入端的微伏级信号。而在笔者的油田科研项目中，涉及到了纳伏级的信号检测，顺便把科研中的一些新技术及困惑介绍给同学，使学生了解了该知识点在石油勘探现场遇到的挑战。也使学生加深了对虚短、虚断的理解。在测试井间的流动状态及剩余油分布时，介绍使用井地电位成像技术与使用石油主干学科（渗流力学等）的常规示踪迹技术相比，其效率及经济性等方面会代来革命性的变化。通过类似的介绍，增强了学生对电工学的重视、学习电工学的急迫感。
如上所述，利用课堂及答疑时间，适时把自己、研究生及同事等科研课题中相关的一些新技术、新理念介绍给学生。让学生及时了解行业相关的最新知识、动态及发展趋势，让课堂贴近时代步伐。
四、让知识贴近生活、贴近实战
在介绍完电机主要内容后，简单介绍一下单相交流电机在石油现场的应用，以及在家用电器如洗衣机、电风扇、电冰箱中的应用。简介直流电机在电动自行车、电动剃须刀中的应用。顺便介绍了自整角机在随动系统中的应用--如军事中的头盔瞄准器、战场侦察用的头盔遥控摄影机等，为同学报考军事院校提供了思考空间。
通过以上对电机的介绍，使同学感到这些电机就在自己的身边、在自己的生活中、在自己茶余饭后的闲谈中、在将来的工作中、在理想的梦中……。从而使学生对该知识印象深刻、亲切，加深了记忆、理解，对今后的知识应用有了更广泛的认识。
五、小结
以上介绍了在电工学教学中的部分做法，时代在飞速发展，课堂教学内容及方法、手段也在随着时代的进步而进步。《电工学》课程的教材五花八门， 基本上是电路、磁路、电机、模电、数电等课程的基础内容组合， 内容体系完整严密， 但存在知识较为陈旧， 新技术介绍较少， 理论应用的介绍方面偏弱等缺点。与石油工业相关的技术介绍、联系几乎没有。重点大学虽然教学、科研并重，但向研究型大学的转变是一种趋势。然而，本科是教育之本。在科研任务的压力下，如何将电工学知识与石油及其相关专业结合，拓宽学生的视野，使其及时了解与石油有关的电工学最先进、最前沿的知识，尽快适应中国石油大学的特色化发展是值得我们思考、权衡的一个问题。笔者在教学中，通过深入的理论剖析、引申，根据讲课内容，适时融入了一些具有石油特色的电工学教学内容，适时地把科研及相关领域的新技术、新成果、发展动态进行介绍，拓宽、提高了学生视野，激发学生探索科学知识的愿望以及掌握电学知识的急迫感，从而增强了教学效果。
石油工业涉及石油、机械、声、光、核、磁、电、生物等等，几乎涉及各个专业，无穷无尽…….。如何把电工学与石油及其相关辅助专业相结合，跟踪相关知识前沿，对教师的理论知识、专业宽度及深度提出了严峻挑战。同时，也给教师教学能力的发挥提供了无限的空间。教好《电工学》， 对课程进行深入理论剖析、引申、进行石油化特色的教学与改革，任重而道远。
[参考文献]
[1]黄央.提高电工学教学质量的思考[J]广西大学学报（哲学社会科学版），2008，30（增），99-100.
[2]秦曾煌.《电工学简明教程》[M]北京：高等教育出版社，2007.6.P36-38
[3]秦曾煌.电工学（第二版）上册[M]北京：高等教育出版社，2004，P172
[4]邓星钟.机电传动控制[M]，武汉：华中科技大学出版社，2007
（作者单位：中国石油大学（北京））
