實(shí)用型電力電子技術(shù)教學(xué)

陳新河 楊漢生 魯業(yè)頻

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

實(shí)用型電力電子技術(shù)教學(xué)

陳新河 楊漢生 魯業(yè)頻

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展使其教學(xué)內(nèi)容不斷增加和更新。如何利用有限的學(xué)時(shí)讓學(xué)生掌握該課程的精髓，培養(yǎng)出適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)需要的工程技術(shù)人才是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)等幾方面對(duì)電力電子技術(shù)課程的實(shí)用教學(xué)進(jìn)行探索，在一定的程度上解決了上述問(wèn)題。

電力電子；教學(xué)改革；教學(xué)方法；實(shí)踐教學(xué)

電力電子技術(shù)（課程）是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。他是一門(mén)利用電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件對(duì)電能進(jìn)行高效率變換和控制的技術(shù)，如今已發(fā)展成了一門(mén)橫跨電子、電力和控制三個(gè)領(lǐng)域的新型工程技術(shù)科學(xué)。[1]該課程以其電路圖多、波形圖多、波形圖復(fù)雜、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，給其教學(xué)提出了一定的挑戰(zhàn)。然而隨著電力電子技術(shù)的新發(fā)展，新電子器件、新電路拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的不斷涌現(xiàn)，使電力電子技術(shù)課程的內(nèi)容不斷增加和更新，這給有限課時(shí)的教學(xué)提出了更高的要求。如何利用有限的課時(shí)使學(xué)生掌握該課程的精髓內(nèi)容，培養(yǎng)出具有一定水平的應(yīng)用型工程技術(shù)人員是當(dāng)前眾多高校教師關(guān)注的話題。[2～5]

筆者所在的學(xué)院因課程設(shè)置改革的需要，使電力電子技術(shù)課程的課時(shí)不但沒(méi)有增加，反而有所減少。這種情況下既要培養(yǎng)出適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)需要的高素質(zhì)的應(yīng)用型電力電子技術(shù)人才，又只能利用有限的課時(shí)進(jìn)行教學(xué)，就必須對(duì)傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行改革。以下為本人從多方面對(duì)電力電子技術(shù)課程的探索性改革介紹，供各位同仁參考。

1 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

與上個(gè)世紀(jì)90年代前相比，電力電子技術(shù)有了許多變化。如全控新型器件（MOSFET、IGBT、MCT）的產(chǎn)生改變了半控型器件（SCR）在電力電子變換器件中一統(tǒng)江湖的狀況；控制電路與保護(hù)電路由原來(lái)的分立元件搭建而成逐漸被集成電路所代替，特別是IPM模塊的出現(xiàn)，使控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)變的簡(jiǎn)單化、模塊化；新的控制技術(shù) （軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、PWM技術(shù)和矩陣變頻技術(shù)）的產(chǎn)生降低了開(kāi)關(guān)器件的工作應(yīng)力，提高了功率因素和減少了諧波分量。針對(duì)這些變化，本人在介紹內(nèi)容上做了一些調(diào)整。

1.1 元件方面：新型全控型電力電子器件以其控制方便、工作頻率高、工作容量漸大等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代半控型器件，而成為電力電子器件的主力軍。在內(nèi)容介紹時(shí)多全控器件而少半控和不控器件器件，著重介紹BJT、MOSFET、IGBT和MCT等全控型器件的構(gòu)造結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性和相關(guān)參數(shù)。對(duì)于信息電子中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)只做快速回顧。為確保學(xué)生認(rèn)識(shí)器件的深度，介紹時(shí)還介紹實(shí)物外型、簡(jiǎn)單測(cè)量方法、元件特性查詢和元件選擇等相關(guān)實(shí)踐知識(shí)。

1.2 電路方面：分立元件電路是分析電路工作原理的基礎(chǔ)，但以集成電路為中心的控制、驅(qū)動(dòng)電路以其外圍元件少、連接簡(jiǎn)單，分布參數(shù)小、調(diào)試方便，控制可靠、保護(hù)齊全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在中小電力變換系統(tǒng)中。介紹時(shí)首先介紹典型分立元件電路的原理，然后著突出紹介紹幾種常見(jiàn)的集成控制和驅(qū)動(dòng)芯片 （如PM20CHA060、IR2110系列和EXB840系列），供學(xué)生以后方便使用。

1.3 控制技術(shù)方面：相控和斬控兩種方式中，斬控方式以其工作功率因素高、產(chǎn)生諧波容易控制等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)在電力電子研究和應(yīng)用的主要方向。在介紹斬波、逆變、AC/AC變換（交流/交流變換）時(shí)著重介紹PWM控制技術(shù)。同時(shí)也介紹軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和矩陣變頻技術(shù)等新興斬控技術(shù)。

2 改進(jìn)教學(xué)方法

以往的教學(xué)狀況是老師在上邊滿堂講，學(xué)生在下邊全盤(pán)聽(tīng)；教老師在上邊辛苦推（公式），學(xué)生在下邊快速記；老師上完一本書(shū)，學(xué)生不知道說(shuō)了些什么；考試時(shí)教師仔細(xì)的“復(fù)習(xí)”，學(xué)生使勁的背。這使學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)很累，對(duì)學(xué)習(xí)不感興趣，學(xué)習(xí)的目的就是為了考及格。為此本人在教學(xué)方法上做了以下幾點(diǎn)的嘗試改進(jìn)。

2.1 分層教學(xué)：結(jié)合學(xué)生認(rèn)知的實(shí)際和教學(xué)大綱對(duì)不同專業(yè)、不同層次（本、專科）學(xué)生的要求，選擇與之相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難度，使不同學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)方面的認(rèn)識(shí)都有一個(gè)提高，都能知道電力電子技術(shù)介紹的主要內(nèi)容，但知道的細(xì)節(jié)和深度不同。如?？茖W(xué)生不進(jìn)行復(fù)雜的公式推導(dǎo)和知識(shí)的深入討論、研究，只需知道結(jié)論和應(yīng)用即可。

2.2 遵循教學(xué)規(guī)律：本著從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的學(xué)習(xí)規(guī)律，先介紹單相知識(shí)，再介紹三相知識(shí)；先介紹信息電子中學(xué)習(xí)過(guò)的整流知識(shí)，再介紹AC/AC變換和逆變知識(shí)。介紹知識(shí)時(shí)注意前后知識(shí)的連貫性和相關(guān)性，注意總結(jié)單相和三相、整流和逆變中的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。如單相電路中（不論整流和逆變），他們的產(chǎn)生諧波成分都為奇次諧波。

2.3 重視分析：重視電路原理、工作波形的分析，淡化和簡(jiǎn)化復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，原則上理論夠用即可。著重培養(yǎng)學(xué)生在電力電子技術(shù)方面的思維能力和分析問(wèn)題的能力。

2.4 引導(dǎo)教學(xué)：在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)多提啟發(fā)性問(wèn)題，讓學(xué)生積極主動(dòng)參與教學(xué)過(guò)程，提高他們的學(xué)習(xí)熱情，活躍他們的思維，培養(yǎng)他們創(chuàng)造性的想象能力。在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)能使學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)前后連貫、形成系統(tǒng)并與實(shí)際相關(guān)。

2.5 擴(kuò)展學(xué)習(xí)途徑：在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生推薦電力電子技術(shù)相關(guān)網(wǎng)站、論壇和相關(guān)書(shū)籍（如查芯片資料：www.21cn.com；電力電子技術(shù)：www.chinaperi.com）。讓學(xué)生課下能通過(guò)各種途徑接觸電力電子技術(shù)相關(guān)的知識(shí)，了解電力電子技術(shù)的作用、應(yīng)用和發(fā)展前沿。從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生學(xué)有所途、學(xué)有所知、學(xué)有所用、學(xué)有所圖。

2.6 提出困難：在教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合生產(chǎn)、生活實(shí)際，講解當(dāng)前電力電子技術(shù)正面臨的困難（如矩陣變頻的控制、功率因素校正等）。讓學(xué)生知道他們應(yīng)該努力的方向和將要克服的障礙，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)沖力和創(chuàng)新斗志。

3 采用先進(jìn)的教學(xué)手段

電力電子技術(shù)最大的特點(diǎn)就是電路圖多、波形圖多、波形圖復(fù)雜、實(shí)踐性強(qiáng)。在“黑板+粉筆”的授課方式中，教師畫(huà)電路圖、波形圖時(shí)間用的比較多，而且一些復(fù)雜的波形圖難以用語(yǔ)言描述清楚。為在有限的時(shí)間內(nèi)有效的完成教學(xué)工作，本人利用了多媒體和電子仿真進(jìn)行教學(xué)。

3.1 利用多媒體：多媒體的使用可以完全省去教師在課堂上畫(huà)電路圖和波形圖的時(shí)間，同時(shí)多媒體中的不同顏色、不同字體靈活顯示，使波形圖中不同對(duì)象區(qū)分更加明顯、容易；將波形圖分不同情形沿時(shí)間軸制成動(dòng)畫(huà)，不但使波形分析變的簡(jiǎn)單、生動(dòng)，而且可以對(duì)比不同情形下的電路工作情況。如將三相整流按不同觸發(fā)角、不同負(fù)載作成動(dòng)畫(huà)。

3.2 利用電子仿真軟件：現(xiàn)在可以進(jìn)行電子仿真的軟件很多，如PSPICE、ALTIUM DESIGNER、PROTEUS和POWERSIM等。這些仿真軟件內(nèi)部已經(jīng)擁有大量的電子元件模型和電路模型，他們仿真精度高、重復(fù)性好。通過(guò)電子仿真不但可以驗(yàn)證教學(xué)理論，而且可以通過(guò)虛擬儀表隨時(shí)觀看各結(jié)點(diǎn)的波形和電壓、電流值。通過(guò)典型的電子仿真還可以介紹電路設(shè)計(jì)的一般過(guò)程——如何選擇電路、如何選擇器件、如何搭建電路、如何調(diào)試和如何排除故障等等。利用電子仿真可以使理論和軟實(shí)踐很好的結(jié)合。

本人利用PROTEUS仿真軟件對(duì)電力電子技術(shù)課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行仿真。下圖1是對(duì)單相半波可控整流（帶RL負(fù)載）仿真的電路圖和仿真波形圖。圖2是對(duì)三相半波可控整流仿真的電路圖和仿真波形圖。

圖1 單相半波可控整流仿真

圖2 三相半波可控整流仿真

3.3 結(jié)合實(shí)際產(chǎn)業(yè)：首先通過(guò)本校教師和外請(qǐng)專家所作電力電子技術(shù)相關(guān)的學(xué)術(shù)講座，開(kāi)拓學(xué)生視野、了解學(xué)術(shù)前沿；其次組織學(xué)生參觀周邊的發(fā)電廠、變電所中的大型電力變換設(shè)施，突顯本課程的重要性，堅(jiān)定學(xué)生的學(xué)習(xí)信念。

4 重視實(shí)踐教學(xué)

“實(shí)踐才是工科專業(yè)的根本”已成為國(guó)際高等工程教育界的共識(shí)。美、日等國(guó)工科專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)時(shí)數(shù)已占總學(xué)時(shí)的35-40%[5]。近年來(lái)新教學(xué)計(jì)劃的修訂中，我校對(duì)工科實(shí)踐教學(xué)也越來(lái)越重視，實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中的比重明顯增大。具體表現(xiàn)在：

4.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：首先是學(xué)?；ù罅抠Y金從天煌教儀購(gòu)進(jìn)11臺(tái)DJDK-1型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置，每1～2人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使每個(gè)學(xué)生都能親自動(dòng)手實(shí)踐。其次是將原來(lái)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（10學(xué)時(shí)）增加到8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（16學(xué)時(shí)），使學(xué)生有更多的時(shí)間進(jìn)行更多方面的實(shí)驗(yàn)。再次是本人從DJDK-1型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)中精選了8個(gè)（如單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)；三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)；三相橋式半控整流電路實(shí)驗(yàn)等）具有代表性、能突破重難點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外本人還鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室來(lái)做其他綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到鞏固知識(shí)的目的，而且有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4.2 開(kāi)設(shè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室：為從根本上提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為電子愛(ài)好者提供一個(gè)實(shí)踐和創(chuàng)新的平臺(tái)和空間，我們學(xué)校還開(kāi)設(shè)了一個(gè)全天候開(kāi)放的“電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”。該實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了常規(guī)電子元件、芯片、電子儀表、焊接材料、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、PLC實(shí)驗(yàn)箱、電力電子和電力拖動(dòng)等等幾乎所有的電類實(shí)驗(yàn)器材。同時(shí)也給該實(shí)驗(yàn)室配備了2臺(tái)能上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，方便學(xué)生查閱資料。在管理和指導(dǎo)模式上采用老師指導(dǎo)（程度的）好學(xué)生，好學(xué)生指導(dǎo)其他學(xué)生的寬松式管理和指導(dǎo)模式。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)設(shè)，極大地方便學(xué)生的興趣設(shè)計(jì)和制作、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)。

4.3 利用教師科研項(xiàng)目：如同博士生、碩士生一樣，本科生也是創(chuàng)新人才的一部分，具有一定的研究能力和創(chuàng)新能力。學(xué)校鼓勵(lì)教師科研課題帶學(xué)生參與，讓學(xué)生完成力所能及的任務(wù)，從而使學(xué)生加深對(duì)專業(yè)知識(shí) （包括電力電子技術(shù)知識(shí)）的掌握，了解本專業(yè)的學(xué)術(shù)前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，倍增學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

4.4 規(guī)范課程設(shè)計(jì)：首先是選題應(yīng)該具有綜合性、實(shí)踐性。所選課題不能過(guò)小，但也不能過(guò)大、過(guò)抽象。應(yīng)該是對(duì)實(shí)際生活生產(chǎn)有一定意義，通過(guò)綜合運(yùn)用所學(xué)各科知識(shí)能夠解決的題目。其次是鼓勵(lì)創(chuàng)新。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生使用新器件、運(yùn)用新方法，提出課題的獨(dú)特解決方案。最后是綜合評(píng)價(jià)。課程設(shè)計(jì)的成績(jī)不僅要看是實(shí)物結(jié)果，仿真結(jié)果，還要看解決思路。即使沒(méi)有作出理想的結(jié)果，只要理論正確，解決方法新穎、獨(dú)特可行，也可以得到好的課程設(shè)計(jì)成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

本課程的教學(xué)改革工作取得了較好的教學(xué)效果，增進(jìn)了學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)的廣度和深度，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,使學(xué)生在后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)中也表現(xiàn)出良好的能力。受到了廣大師生的一致好評(píng)。

電力電子技術(shù)課程改革是一個(gè)循序漸進(jìn)的、長(zhǎng)期的過(guò)程，它涉及到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)等多方面的因素。而且本校的電力電子技術(shù)課程的改革目前還處初期階段，為適應(yīng)電力電子技術(shù)的新發(fā)展，為培養(yǎng)出能適應(yīng)社會(huì)需要的創(chuàng)新型應(yīng)用人才，這一改革將會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]張俊敏.電力電子技術(shù)（課程改革探索）[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊.2008.20：172-174.

[3]程瓊，黃圣超.電力電子技術(shù)（課程教學(xué)的改革）[J].理工高教研究.2008，4（27）：109-110.

[4]洪武.PSIM在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù).2009，2（7）:37-38.

[5]李久勝，王明彥，孫鐵城.電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2008，（7）:81-87.

THE PRACTICAL TEACHING OF POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY

CHEN Xin-heYANG Han-sheng LU Ye-pin
（Physics and e-Science Department， Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

The rapid development of “power electronics technology” have increased and updated the course contents.As a teacher,how to make the students to grasp the essence of the course in limited time and,how to train them as a high-tech personnel for society need is an urgent problem.The practical teaching search of"Power Electronics technology"was been introduced in this article in teaching content,teaching methods,practice training and other aspects.To a certain extent,the search have solved the above problem.

Power Electrinics；Teaching Reform；Teaching Method；Practical Teaching

G642.0

A

1672－2868（2010）06－0140－05

2010－09-21

巢湖學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLZ201004）；安徽省2009年度省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目

陳新河（1976-），男，講師，碩士，研究方向：自動(dòng)化專業(yè)。

責(zé)任編輯：陳 鳳