“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中虛實(shí)融合式手段實(shí)踐

牛天林，樊 波，張 強(qiáng)，張安堂，楊旭峰

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051）

0 引言

“電力電子技術(shù)”是工科院校電氣工程專業(yè)本科必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它承載著學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)向?qū)嵺`應(yīng)用技能轉(zhuǎn)化的重任，該課程內(nèi)容集電力、電子和控制等技術(shù)于一體，具有非常強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性［1］。通過對(duì)一線教學(xué)過程和施教實(shí)效的跟蹤審視，我們發(fā)現(xiàn)：教學(xué)理念落后、內(nèi)容拘泥于教材、手段方法科學(xué)性不強(qiáng)、學(xué)以致用效果不好等問題還不同程度的存在，制約了“過程與方法、知識(shí)與技能”相統(tǒng)一教學(xué)目標(biāo)的真正實(shí)現(xiàn)。

盡管針對(duì)該課程特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助提升教學(xué)效果的做法已被廣泛認(rèn)可并開展了大量積極有益的嘗試［2～5］，但總體上還偏重于驗(yàn)證教材內(nèi)容，深度內(nèi)涵不夠；缺乏精心設(shè)計(jì)，與教學(xué)內(nèi)容融合不好，從而導(dǎo)致未能全面發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。另外，課程教學(xué)終極目標(biāo)是讓學(xué)生在“學(xué)會(huì)、理解知識(shí)”的基礎(chǔ)上向具備“能用、善用技能”的方向發(fā)展，這就表明實(shí)踐認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練是該課程教學(xué)進(jìn)程中必不可缺的環(huán)節(jié)［6～8］。因此，如何更好地通過教學(xué)方法改革實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)融合、合力促進(jìn)”是“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中非常值得思考和研究的現(xiàn)實(shí)問題。

1 基本構(gòu)想

我們?cè)谠撜n程教學(xué)中應(yīng)用虛實(shí)融合式實(shí)踐手段，堅(jiān)持“瞄準(zhǔn)問題、立足優(yōu)勢(shì)、精心設(shè)計(jì)、融合促進(jìn)”的指導(dǎo)思想，其基本構(gòu)想如圖1所示。

圖1 虛實(shí)融合式實(shí)踐手段在課程教學(xué)中的應(yīng)用構(gòu)想

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有成本低、無風(fēng)險(xiǎn)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并且在器件選取、參數(shù)調(diào)整、條件設(shè)置、波形輸出、數(shù)據(jù)分析等方面具有高度靈活性和便捷性，便于對(duì)理論知識(shí)的動(dòng)態(tài)比較與研析。但基于數(shù)學(xué)模型的電路仿真求解具有一定的近似性和理想化特征，因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的手段更加適用于理論知識(shí)學(xué)習(xí)與理解階段。

實(shí)物示教裝置集功能主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)量電路于一體，它的使用是以學(xué)生具有系統(tǒng)完善的理論基礎(chǔ)和掌握常用電工儀表使用方法為前提，因此，更適用于升華技能的高級(jí)目標(biāo)階段。借助實(shí)物示教可啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)物系統(tǒng)認(rèn)知、鍛煉基本動(dòng)手技能、提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，使教學(xué)內(nèi)容由單一理論知識(shí)講解向?qū)W以致用方向推進(jìn)轉(zhuǎn)化。

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物系統(tǒng)示教有機(jī)融入“電力電子技術(shù)”課程學(xué)習(xí)進(jìn)程的關(guān)鍵在于“精心設(shè)計(jì)，融合增效”，它也是實(shí)踐手段促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量的紐帶和橋梁。首先，要打破驗(yàn)證教材內(nèi)容的常規(guī)作法，圍繞課程教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)計(jì)打造虛擬仿真電路案例，幫助學(xué)生理解和掌握知識(shí)要點(diǎn)。其次，實(shí)物示教裝置應(yīng)緊扣理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的主旨，圍繞知識(shí)系統(tǒng)化、功能集成化、方法技巧化進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮輔助學(xué)生認(rèn)知實(shí)踐的積極作用。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含著分析、解決、研究電力電子電路的諸多有益思維和方法，在教學(xué)過程中應(yīng)注重引導(dǎo)啟發(fā)和感悟總結(jié)，從而內(nèi)化成學(xué)生開展相關(guān)問題科學(xué)研究的方法與技能。

2 實(shí)踐案例

2．1 教學(xué)內(nèi)容描述

基本斬波電路是“電力電子技術(shù)”課程中“直流-直流變換”教學(xué)模塊的開篇內(nèi)容，它也是當(dāng)前高能效開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要以直流電源、功率開關(guān)管、儲(chǔ)能元件為基礎(chǔ)，通過不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式實(shí)現(xiàn)直流電壓的升高或降低，從而滿足用戶的實(shí)際需求。

過去這部分內(nèi)容的教學(xué)主要按照拓?fù)浣榻B、原理分析、理論計(jì)算的思路按部就班地講解，教學(xué)反映和實(shí)施效果一般。究其原因在于方法單一，內(nèi)涵深度挖掘不夠。因此，作為改進(jìn)舉措，我們將虛實(shí)融合式實(shí)踐手段引入這一教學(xué)進(jìn)程。

2．2 虛擬仿真用于強(qiáng)化教學(xué)重難點(diǎn)理解

在降壓斬波電路中（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（a）所示），由于系統(tǒng)參數(shù)的差異使其有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，可利用分段求解微分方程的方法推導(dǎo)出斷續(xù)判據(jù)，如式1所示［1］。

其中，m為反電動(dòng)勢(shì)與電源電壓的比值；α為占空比；ρ為功率開關(guān)管工作周期與常數(shù)τ的比值；常數(shù)τ為儲(chǔ)能電感與負(fù)載電阻之比。顯然，斷續(xù)判據(jù)受多變量影響，如何深刻理解其內(nèi)涵成為教學(xué)難點(diǎn)所在。

利用Matlab軟件搭建降壓斬波電路仿真模型，如圖2（a）所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：直流電源電壓28 V；反電動(dòng)勢(shì)電壓6 V；負(fù)載電阻5 Ω，IGBT觸發(fā)脈沖頻率5 kHz。固定其它參數(shù)，改變占空比α和儲(chǔ)能電感L的值，仿真輸出波形分別如圖2（b）、（c）和（d）所示。

從仿真輸出波形可以看出，當(dāng)占空比為50%，儲(chǔ)能電感為1 mH時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)；保持占空比不變，將電感值減小至0．2 mH，負(fù)載電流出現(xiàn)斷續(xù)情況，這是由于電感較小導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通階段內(nèi)儲(chǔ)能較少，不能夠滿足其關(guān)閉階段的全程蓄流要求；保持電感值為0．2 mH，增大占空比至75%，負(fù)載電流又恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，這是因?yàn)楸M管電感儲(chǔ)能能力較小，但適當(dāng)增大工作周期內(nèi)儲(chǔ)能時(shí)間（周期內(nèi)釋放能量時(shí)間相應(yīng)減少）仍可保持連續(xù)狀態(tài)。

圖2 降壓斬波仿真模型及輸出波形

因此，可得結(jié)論：電感值大小決定周期內(nèi)儲(chǔ)存和釋放能量的速度；而占空比則反映周期內(nèi)儲(chǔ)存與釋放能量過程的時(shí)間分配，它們共同影響著降壓斬波電路的斷續(xù)與否。顯然，借助虛實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析非常有助于學(xué)生理解難點(diǎn)知識(shí)內(nèi)涵，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確選取電路參數(shù)的重要性。同時(shí)，再提出改變IGBT工作周期和負(fù)載電阻的仿真實(shí)驗(yàn)要求，由學(xué)生課后自主實(shí)驗(yàn)并分析現(xiàn)象，從而鞏固學(xué)習(xí)思維與方法，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外的互補(bǔ)。

2．3 實(shí)物示教用于提升學(xué)生實(shí)踐技能

升壓斬波電路與降壓斬波電路在內(nèi)容和方法上具有很多相似之處，為提高學(xué)習(xí)實(shí)效，一方面采用差異對(duì)比法講解兩者原理，另一方面則側(cè)重于從認(rèn)知實(shí)踐角度強(qiáng)化技能訓(xùn)練。對(duì)于后者，我們引入自主設(shè)計(jì)制作的升壓斬波電路示教裝置，如圖3所示。其引入的主要用意在于：“系統(tǒng)認(rèn)知、重點(diǎn)強(qiáng)化、技能訓(xùn)練和深度啟發(fā)”。

圖3 升壓斬波電路實(shí)物示教裝置

（1）系統(tǒng)認(rèn)知。示教裝置以功能主電路為主體，包含PWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路、功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、脈寬與頻率調(diào)節(jié)旋鈕、預(yù)留信號(hào)測(cè)試端子等，構(gòu)成了一套典型的電力電子電路系統(tǒng)。學(xué)生借助裝置可彌補(bǔ)教材中僅講解功能主電路原理的不足，形成更為系統(tǒng)完善的認(rèn)知，為理論知識(shí)向?qū)嵺`應(yīng)用的轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

（2）重點(diǎn)強(qiáng)化。驅(qū)動(dòng)控制是電力電子電路非常重要的問題，采用專用PWM控制芯片SG3525及其外圍電路構(gòu)成［9］。一方面，通過改變外接阻容參數(shù)可產(chǎn)生不同開關(guān)頻率（調(diào)節(jié)CT端子外接電容或RT端子外接電阻）；另一方面，在芯片脈寬比較器輸入端直接將流過電感線圈信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比。因此，設(shè)置外部旋鈕用于改變對(duì)應(yīng)位置阻容值，實(shí)現(xiàn)工作頻率和占空比的簡(jiǎn)易可調(diào)，便于電路的動(dòng)態(tài)比較與分析。

（3）技能訓(xùn)練。學(xué)生在教師示范操作之后可進(jìn)行自主操作，有助于對(duì)交直流電源、示波器、萬用表、電子負(fù)載等常用電氣儀表使用技能的提升。操作案例：直流輸入電源12 V，負(fù)載電阻值60 Ω，工作頻率調(diào)節(jié)為40 kHz，分步調(diào)整占空比，測(cè)量記錄的電路主要工作參數(shù)如表1所示：

表1 升壓斬波電路主要工作參數(shù)

學(xué)生通過動(dòng)手操作得出數(shù)據(jù)，以此分析理論與實(shí)際值的偏差，了解電力電子電路中的功率損耗問題。

（4）深度啟發(fā)。如果繼續(xù)大幅增大占空比，控制信號(hào)將出現(xiàn)急劇不穩(wěn)定現(xiàn)象，輸出直流電壓也不能按照理論公式（2）無限升高。

式中，Uin為直流輸入電壓，Uour為直流輸出電壓，D為點(diǎn)空比。

針對(duì)這一現(xiàn)象開展課堂互動(dòng)討論，得出結(jié)論：受器件工作性能、電路工作機(jī)理和保護(hù)門限設(shè)置等綜合因素影響，升壓斬波電路只能在一定的頻率、電壓、功率范圍內(nèi)可靠工作，這便是為什么常見斬波電路模塊的輸入輸出參數(shù)標(biāo)識(shí)都是范圍值的緣故。因此，在今后的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，學(xué)生應(yīng)格外重視參數(shù)設(shè)計(jì)和電路的可靠性等問題。

3 結(jié)語

通過“精心設(shè)計(jì)、融合增效”的舉措，我們將虛擬仿真和實(shí)物示教有機(jī)融入“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中。這種瞄準(zhǔn)教學(xué)中實(shí)際問題、注重啟發(fā)引導(dǎo)、突出技能培養(yǎng)的融合式實(shí)踐教學(xué)手段，較好地實(shí)現(xiàn)了提升教學(xué)質(zhì)量和解決學(xué)以致用的問題，并可為實(shí)踐教學(xué)在電工類課程中的科學(xué)應(yīng)用提供有益借鑒。