電力電子技術(shù)教學(xué)方法探索

顧波

摘 要 電力電子技術(shù)是自動化和電氣專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。電力電子技術(shù)由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科所形成的一門交叉學(xué)科，這決定了電力電子技術(shù)這門課程不僅重要，而且難學(xué)。論文從明確重點(diǎn)難點(diǎn)、改進(jìn)課堂教學(xué)方法、增強(qiáng)學(xué)生動手能力及學(xué)習(xí)積極性等方面對電力電子技術(shù)的教學(xué)方法進(jìn)行探討，達(dá)到提高電力電子技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù) 教學(xué)方法 動手能力 教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.02.054

Exploration Teaching Method of Power Electronic Technology

GU Bo

（School of Electric Power， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， He'nan 450011）

Abstract Power electronic technology is a professional basic course of automation and electrical professional. Power electronic technology is an interdisciplinary which is formed by the power of science， electronics and control theory of three disciplines， and this determines the power electronics technology is not only important， but also difficult to learn. This paper discussed the teaching method of the power electronic technology， including improving teaching methods， and strengthening students' practical ability and enthusiasm for learning etc.， the purpose is to improve the teaching quality of power electronic technology.

Key words power electronic technology; teaching method; manipulative ability; quality of teaching

0 引言

作為強(qiáng)電和弱電之間的轉(zhuǎn)換和連接技術(shù)，電力電子技術(shù)在電類專業(yè)中具有重要作用，因此，自動化專業(yè)及電力系統(tǒng)自動化專業(yè)都將電力電子技術(shù)課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行學(xué)習(xí)，而相關(guān)的電類專業(yè)也將其作為重要課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。隨著電力系統(tǒng)和控制技術(shù)發(fā)展，特別是新能源發(fā)電與控制技術(shù)的發(fā)展，使得電力電子技術(shù)得到了空前進(jìn)步和應(yīng)用，不少新型電力電子器件和電力電子控制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，給電力電子技術(shù)的教學(xué)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。在電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步過程中，如何提高電力電子技術(shù)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生既能掌握傳統(tǒng)電力電子技術(shù)原理，又能實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前發(fā)展的新技術(shù)，是目前電力電子技術(shù)教學(xué)的難點(diǎn)之一。論文從明確重點(diǎn)難點(diǎn)、改進(jìn)課堂教學(xué)方法、增強(qiáng)學(xué)生動手能力及學(xué)習(xí)積極性等方面對電力電子技術(shù)的教學(xué)方法進(jìn)行探討，以達(dá)到提高電力電子技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 明確課程內(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)

本文所述的電力電子技術(shù)教材以王兆安編著的第五版為討論對象，該教材的整體框架如圖1所示。整個(gè)教材由10章構(gòu)成，可分為5部分。各部分之間緊密聯(lián)系，層次和結(jié)構(gòu)合理。本文接下來將對該教材各部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明，以便于進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。

第一部分為教材的第1章，該部分為緒論部分，主要講述電力電子技術(shù)與電子技術(shù)、電力學(xué)和控制理論之間的相互關(guān)系，及電力電子技術(shù)在各個(gè)學(xué)科之間的地位，同時(shí)也介紹了電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域。本章的講授主要以提高學(xué)生對該課程的整體認(rèn)識和學(xué)習(xí)積極性為主要目標(biāo)。

圖1 電力電子技術(shù)整體結(jié)構(gòu)

第二部分包括教材第2章和教材第9章。第2章主要講述電力電子器件，第9章講述電力電子器件的共性問題。在教學(xué)過程中，應(yīng)將這兩章內(nèi)容進(jìn)行融合，一起進(jìn)行講解，使學(xué)生在掌握電力電子器件基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)和應(yīng)用特性的同時(shí)，能夠理解和掌握電力電子器件的共性問題，包括電力電子器件的驅(qū)動、電力電子器件的保護(hù)及電力電子器件的使用特性。

教材的第三部分包括第3章、第4章、第5章和第6章，主要講述基本的電力電子電路，包括整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路和交流交流變流電路。其中，第3章所講授的整流電路是第三部分的基礎(chǔ)，也是變流電路的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在教學(xué)過程中應(yīng)讓學(xué)生充分理解和掌握單相整流電路和三相整流電路的電路結(jié)構(gòu)、整流原理和輸入輸出波形。在學(xué)生充分掌握單相和三相整流電路原理的基礎(chǔ)上，再概要講述電容濾波不可控整流電路、整流電路的諧波和功率因素及整流電路的有源逆變等內(nèi)容。在充分掌握第3章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，理解和掌握第4章的逆變電路、第5章的直流-直流變流電路和第6章的交流-交流變流電路。

教材的第四部分內(nèi)容包括第7章和第8章。第7章為脈寬調(diào)制技術(shù)，第8章為軟開關(guān)技術(shù)。第7章是本部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在進(jìn)行第7章的講授過程中，應(yīng)將實(shí)驗(yàn)、仿真和理論相結(jié)合，使學(xué)生充分理解PWM控制的基本原理;在學(xué)生理解PWM控制原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)講授PWM逆變電路及其控制方法。PWM逆變電路及其控制方法是第7章的主要內(nèi)容，在講授過程中以掌握原理為目標(biāo)，適當(dāng)結(jié)合理論。在第8章的講授過程中，主要讓學(xué)生理解軟開關(guān)的基本思想，以及典型的軟開關(guān)電路。

教材第五部分主要講授電力電子技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。包括晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)、變頻器和交流電動機(jī)系統(tǒng)、不間斷電源、開關(guān)電源、功率因素校正技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用。這部分內(nèi)容在講授過程中，可根據(jù)授課專業(yè)具體情況選擇授課內(nèi)容，讓學(xué)生能夠充分認(rèn)識到該課程與本專業(yè)的緊密關(guān)系。

2 改進(jìn)課堂教學(xué)方法

通過改進(jìn)課堂教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對該課程的掌握程度是教學(xué)的主要目標(biāo)。電力電子技術(shù)是一門多學(xué)科交叉課程，該課程電路種類、輸入輸出波形復(fù)雜，在教學(xué)過程中，應(yīng)使學(xué)生充分理解電路原理及輸入輸出波形，這是該課程教學(xué)的難點(diǎn)。作者通過對多年電力電子技術(shù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提出了在課堂上對電路進(jìn)行現(xiàn)場仿真的講授方法，這樣即可讓學(xué)生掌握電路的工作原理，同時(shí)教會學(xué)生利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)電力電子電路的能力。

圖2 單相全波整流電路圖

在講授電力電子技術(shù)的第3章、第4章、第5章和第6章時(shí)，作者結(jié)合MATLAB仿真軟件進(jìn)行講解。例如，在進(jìn)行單相全波整流的講授時(shí)，可根據(jù)單相全波整流電路的原理，在MATLAB仿真軟件中搭建仿真模型，理論與仿真相結(jié)合，讓學(xué)生能夠更加直觀理解整流電路的工作原理。單相全波整流電路的原理圖如圖2所示。

圖3為單相全波MATLAB仿真模型圖。在課堂講授過程中，可向?qū)W生詳細(xì)介紹整個(gè)模型的建模過程及模型中每個(gè)模塊的功能，便于學(xué)生課堂下自己實(shí)現(xiàn)模型的建立。

圖4 單相全波MATLAB仿真結(jié)果圖

圖4為單相全波MATLAB仿真模型的結(jié)果圖。圖4中頂部圖形表示電源側(cè)電壓的變化過程;中間圖形表示負(fù)載側(cè)電壓波形的變化過程;底部圖形表示電源側(cè)輸入電流波形變化過程。從圖4中可以看出，輸出電壓波形趨于穩(wěn)定，輸入電壓和電流呈周期性變化，符合單相全波整流電路原理，增強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知程度。

3 增強(qiáng)學(xué)生動手能力

電力電子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，僅僅從理論教學(xué)上要使學(xué)生完全掌握該課程知識是不現(xiàn)實(shí)的。借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生理解能力是電力電子技術(shù)教學(xué)過程的重要手段，但現(xiàn)階段，課程的講授時(shí)間被大量壓縮，無法安排足夠的實(shí)驗(yàn)時(shí)間培養(yǎng)學(xué)生動手能力，這成為目前電力電子技術(shù)教學(xué)的另一個(gè)難題。作者在電力電子技術(shù)課堂講授過程中，增加電力電子技術(shù)MATLAB的仿真方法，既可增加學(xué)生對電力電子技術(shù)理論的認(rèn)知程度，同時(shí)也能增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。

圖5是作者在講授第7章過程中增加的MATLAB仿真內(nèi)容，包括PWM控制的直流-直流斬波電路、PWM控制的直流-交流半橋逆變電路及PWM控制直流-交流全橋逆變電路。整個(gè)仿真模型簡單易懂，便于學(xué)生自己實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。

圖6是PWM控制的直流-直流斬波電路輸出波形圖，圖6中上部圖形是輸出電壓波形圖，下部圖形是輸入脈沖。圖6中的結(jié)果與理論教學(xué)中的結(jié)論相一致，增強(qiáng)了學(xué)生對PWM控制技術(shù)的認(rèn)知程度和學(xué)習(xí)興趣，提高電力電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。

圖6 PWM控制直流斬波電路輸出波形

圖7 PWM控制的直流-交流半橋逆變電路輸出波形

圖8 PWM控制的直流-交流全橋逆變電路輸出波形

圖7和圖8是PWM控制的直流-交流半橋逆變電路和直流-交流全橋逆變電路輸出波形，從兩幅圖中可以看出，輸出波形基本一致，但是，全橋輸出的諧波含量少于半橋的諧波含量，這與理論討論的結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

電力電子技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的課程，并且在電學(xué)專業(yè)中具有重要地位，在有限課時(shí)內(nèi)，清楚明了地講授完該課程，提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是電力電子技術(shù)授課的主要目標(biāo)。

論文從明確重點(diǎn)難點(diǎn)、改進(jìn)課堂教學(xué)方法、增強(qiáng)學(xué)生動手能力及學(xué)習(xí)積極性等方面，對電力電子技術(shù)的教學(xué)方法進(jìn)行探討，達(dá)到提高電力電子技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 于晶榮，吳偉標(biāo).“電力電子”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].課程教材改革，2012.237：61-62.

[2] 陶俊珍.“電力電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容更新例析[J].中國電力教育，2011.9：165-166.

[3] 蔣偉，莫岳平.“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)模式研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013.35（1）：44-46.

[4] 張波，丁金林.電力電子技術(shù)的教學(xué)體會與思考[J].科技信息，2008.19：268-269.

[5] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.