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美国工程院院士Prof. Philip Krein讲授原味课程

发表日期:2017年06月13日     访问次数:1298

2017610-11日,原味课程-电力电子技术第二部分由Philip Krein教授开讲。Krein教授是美国工程院院士,IEEE Fellow,国家千人计划专家,曾作为专家代表,受国家总理李克强接见。目前Krein教授还担任浙江大学-UIUC国际合作学院执行院长。

在为期两天的课程中,Krein教授主要讲授磁元件和电力电子控制系统。他以一个非常幽默的事例开始了本次课程。“多年前,一家拥有几千人的电力电子公司,只有一个磁元件工程师,每次这个工程师出去度假,老板都会嘘寒问暖,要不要公司给你定机票?要不要给你定旅馆?对了,一定要记得回来!”听得大家哈哈大笑。不过,现在的公司都逐步意识到了磁元件的重要性。教授补充说。

Krein教授讲授知识由浅入深,层层深入。在磁元件部分,他以麦克斯韦公式为基础,介绍磁元件中磁路的概念,推导磁路的基本公式,然后再总结磁元件设计的三个限制:电流-圈数限制、伏秒限制和能量限制。这三个限制归根结底都来源于磁芯会饱和。在此基础上,教授根据窗口面积限制,计算出变压器最大传输功率。这些限制厘清了电感和变压器设计最关键的要素。

在闭环控制部分,Krein教授先介绍了控制的基本目标:静态特性、动态特性、稳定性和鲁棒性,并通过工程实例介绍为什么这些控制目标是重要的。接着,他讲解了两类控制环路,前馈和反馈,他说大多数人设计控制时只着眼于反馈控制,但实际上前馈能大大提高系统的响应速度。如果能利用,则尽可能利用。有一位同学提问,是不是所有时候都应该综合利用反馈和前馈?有两种情况不应该使用,一是传感器有很大误差,二是采集前馈信号成本过高,除此之外都应该更多的利用前馈信号。

Krein教授在理论知识的讲解过程中,总是伴随着工程介绍,理论与工程紧密结合。教授先通过公式,说明了磁芯的磁导率越大,储存的电能反而越小。教授立即问学生,用一个开气隙的磁芯制作电感,电能是储存在气隙中,还是在磁芯中?通过比较公式,同学们能立刻意识到,原来电能是储存在气隙中。教授又问,既然磁芯不能储存电能,成本又高,我们制作电感时,为什么还要用磁芯呢?部分同学确实被这个问题带偏了,认为确实可以不用磁芯。教授说,一般情况下还是需要磁芯,主要有两点原因,一是磁导率低,导致电感量很小;更重要的是,没有磁芯来限制磁路的话,那么磁通散发到空间中的其他元件,造成很大电磁干扰。有些场合,电力系统中要使用空芯电感,需要用铁皮把电感包裹起来,否则周遭的物品都会震动。此外,他还介绍了励磁电感对损耗有何影响,变压器和耦合电感的励磁电感设计时要怎样考虑,怎么测量磁芯的B-H曲线等问题。这些工程问题让同学们大开眼界。

在磁元件部分的最后,Krein教授说磁路分析仅在形式上把磁场的问题等效成路来分析,其结果远没有电路分析那样准确。因为电导体比周围材料如空气的电导率高几千亿倍,电路中电流限定在导线内。但是在磁路中,磁导体与周围的磁导率只有几千倍的差别,有较多的磁通进入周围的空气。他做了一个形象的比喻,磁路就像把电路放在海水中运行。更加精确的分析需要借助于有限元的方法。

Krein教授的课程,让人常有豁然开朗的感觉,即便是以前学习过知识,听完他的讲解也常有茅塞顿开的感觉。Krein教授掀开了知识最后的一层面纱,把知识的本质呈现给了学生。

透彻的理解与高超的讲课水平与Krein教授长期奋斗在教学和研究第一线是分不开的,他拥有34项美国专利,曾担任IEEE PELS协会主席;他在2003年创立了SolarBridge Technolog公司,并担任总监;他把自己的讲义写成了Elements of Power Electronics一书,成为美国本科生电力电子的教材之一。

除本科学生外,该课程还吸引了十多名研究生前来听课。原味课程负责老师马皓、邵帅全程参与听课,汪涛、谌平平两位老师也参与了课程。