工程教育專業(yè)認證背景下電力電子課程實驗教學(xué)研究

摘要：解決復(fù)雜工程問題能力是工程教育認證的核心能力指標(biāo)，為通過實驗來提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，文章以電力電子技術(shù)課程中三相橋式整流實驗為例，將硬件平臺實驗與軟件平臺仿真融合，分別從復(fù)雜問題提出、實驗設(shè)計、實驗分析多個環(huán)節(jié)出發(fā)，對基于解決復(fù)雜工程問題能力的實驗教學(xué)進行了研究。該研究能夠加強學(xué)生對復(fù)雜工程問題的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對工程教育專業(yè)認證背景下實驗教學(xué)改革具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；工程教育認證；復(fù)雜工程問題；三相橋式整流實驗

中圖分類號：G642""" 文獻標(biāo)識碼：A"" 文章編號：1009-3583（2024）-0102-05

Research on Experimental Teaching of Power Electronics with the Background of Engineering Education Accreditation

CAO Zhen-guan

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： The ability to solve complex engineering problems is the core competency indicator of engineering education certification. In order to enhance students ’ability to solve complex engineering problems through experiments， this article takes the three-phase bridge rectifier experiment in the power electronics technology course as an example， integrates hardware platform experiments with software platform simulation， starts from multiple stages of complex problem proposal， experimental design， and experimental analysis. Research has been conducted on experimental teaching based on the ability to solve complex engineering problems. This study can enhance stu- dents ’understanding of complex engineering problems and cultivate their ability to solve complex engineering problems， and has cer- tain reference significance for experimental teaching reform under the background of engineering education professional certification.

keywords： power electronic technology; engineering education certification， complex engineering problem; experiment of three-phase bridge rectification

工程教育專業(yè)認證堅持“以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向和持續(xù)改進”三大基本理念，目的在于提高工程教育質(zhì)量，促進中國工程教育的國際互認，提升國際競爭力，因此在基于專業(yè)認證的高等教育理念下，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力顯得越發(fā)重要[1，2]。工程教育認證通用標(biāo)準(zhǔn)均以能力目標(biāo)進行表述，12條通用標(biāo)準(zhǔn)中有8條強調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。從培養(yǎng)目標(biāo)制定、課程體系構(gòu)建、課程大綱修訂等都緊扣這一主題，解決復(fù)雜工程問題能力是衡量畢業(yè)生畢業(yè)要求是否達到的重要指標(biāo)[3，4]。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力的重要途徑，目前本科實踐教學(xué)包括各類實驗、課程設(shè)計、實習(xí)實訓(xùn)等環(huán)節(jié)。實驗是對課程理論內(nèi)容的驗證與深入，與實際工程問題緊密關(guān)聯(lián)，優(yōu)秀實驗的設(shè)計能夠加深理論知識的理解、提高實踐動手能力、培養(yǎng)解決工程問題的能力[5，6]。因此，如何做好課程實驗設(shè)計顯得尤為重要，本文以電力電子技術(shù)課程為例，對實驗教學(xué)進行研究，通過實驗設(shè)計案例，介紹如何利用合理實驗設(shè)計來培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

一、實驗是解決復(fù)雜工程問題能力提升的重要途徑

（一）解決復(fù)雜工程問題能力的實驗設(shè)計理念

實驗是理論知識的驗證與應(yīng)用，分為驗證與演示性、設(shè)計性、綜合性等實驗類型，但從本質(zhì)上講，無論哪類實驗都是工程問題的縮影[8]。目前，課程實驗是根據(jù)課程內(nèi)容凝練而成，每個實驗都是知識的綜合應(yīng)用，是基于一定知識基礎(chǔ)，通過實驗環(huán)境搭建、分析實驗結(jié)果、改進實驗方法與實驗方案、驗證課程知識、課程知識的綜合運用。實驗內(nèi)容及過程與工程問題緊密相關(guān)，好的實驗設(shè)計能夠鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[9]。根據(jù)復(fù)雜工程問題這一特征，在進行實驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計時，教學(xué)內(nèi)容與實踐緊密結(jié)合，實驗過程與步驟遵循工程實際，實現(xiàn)現(xiàn)象與結(jié)果反映工程問題本質(zhì)。利用實驗來提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的實驗設(shè)計路線如圖1所示。

由圖1可見，實驗設(shè)計要根據(jù)實驗內(nèi)容進行工程問題分析，根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)提出復(fù)雜工程問題，進而進行實驗設(shè)計。在實驗過程中，要根據(jù)目標(biāo)達成度進行實驗方案修改，最終完成實驗設(shè)計。好的實驗設(shè)計能夠引導(dǎo)學(xué)生積極思考、善于觀察，透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)，并進行深入分析，提出問題解決方案和增強創(chuàng)新思維?？梢哉f，實驗是解決復(fù)雜工程問題能力提升的重要途徑。

（二）電力電子實驗需要解決的問題

目前，電力電子課程實驗主要在實驗臺上進行，實驗操作依照指導(dǎo)書實施，根據(jù)實驗臺的掛件布局，完成線路連接，實驗參數(shù)基本固定，通過示波器進行波形觀察及測量?，F(xiàn)有實驗存在的主要問題如下[10-12]：

1.具體線路與元器件都隱藏在掛件箱內(nèi)，無法直接觀察或觸及，直觀性和可操作性差，學(xué)生不能直接了解具體的電路組成。

2.實驗結(jié)果具有確定性，學(xué)生容易形成機械式操作，被動式學(xué)習(xí)；一致的實驗結(jié)果不利于促進學(xué)生發(fā)散思維的形成，難以使學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力得到提升。

3.在出現(xiàn)硬件不一致或故障時，容易造成實驗結(jié)果不理想。由于硬件平臺實驗條件難以調(diào)整，使學(xué)生不能對實驗結(jié)果與現(xiàn)象進行類比分析，阻礙了學(xué)生對深層次原因的探究。

4.實驗未與工程實際有效結(jié)合，學(xué)生通過實驗只能了解實驗表象，不能進一步深入，更不能對所掌握內(nèi)容進行拓展，與工程實際相結(jié)合，缺乏系統(tǒng)性概念。

針對上述電力電子課程實驗教學(xué)問題，本文以三相橋式半控整流實驗為例，通過虛實結(jié)合的實驗手段，以工程應(yīng)用背景，以提升復(fù)雜工程問題解決能力為目標(biāo)，進行電力電子課程實驗教學(xué)設(shè)計，介紹如何通過好的實驗設(shè)計來提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、基于復(fù)雜工程問題的實驗方案設(shè)計

（一）三相橋式半控整流實驗復(fù)雜工程問題的提出

三相橋式半控整流電路是電力電子技術(shù)課程的重要內(nèi)容之一，是其他變流技術(shù)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、日常生活中，在電力電子課程中占有重要的地位，也是電力電子技術(shù)課程必做實驗之一[13]。根據(jù)復(fù)雜工程問題特征描述，實驗過程及結(jié)果必須深入工程原理，通過深入分析才能得到，同時要涉及多方面的技術(shù)，具有較高的綜合性等。根據(jù)這一特征，在進行三相整流電路實驗設(shè)計時，必須考慮以下要素：

一是三相整流電路必須有合適的工程應(yīng)用對象及指標(biāo)參數(shù)；

二是整個實驗需要有其他相關(guān)理論及實踐內(nèi)容支持，如控制算法、檢測技術(shù)、實現(xiàn)工具等方面的知識；

三是實驗過程及結(jié)果要呈現(xiàn)多樣性，須通過深入分析加以解決，如實驗過程中故障設(shè)計、波形多樣化呈現(xiàn)；

四是在實驗過程中學(xué)會建立模型，并采用虛實結(jié)合的方式實施實驗，以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向。

上述要素是基于復(fù)雜工程問題特征而提出的，在實驗設(shè)計時要充分考慮以上要素。在設(shè)計三相橋式整流實驗時，將本實驗與蓄電池結(jié)合起來，構(gòu)成一套蓄電池充電系統(tǒng)，由三相橋式整流電路提供可調(diào)直流電源，由控制器構(gòu)成控制核心，由電流、電壓檢測構(gòu)成反饋單元，其系統(tǒng)拓撲如圖2所示。從圖中可以看出，蓄電池充電這一工程問題，涉及電力電子技術(shù)、自動控制原理、檢測技術(shù)、嵌入式技術(shù)、系統(tǒng)仿真等多門課程知識，不只是簡單驗證實驗，而需要實驗者針對工程原理進行深入分析，搭建實驗電路、通過模型仿真、借助控制算法去追求蓄電池充電過程中各項指標(biāo)參數(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)，顯然這是一個復(fù)雜的具有較高綜合性的實驗項目，滿足復(fù)雜工程問題特征要求，能夠達到鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目標(biāo)。三相橋式整流電路實驗共4個學(xué)時，硬件平臺實驗和軟件平臺實驗各占2個學(xué)時，采用硬件平臺實驗在前、軟件平臺實驗在后的順序。

（二）三相整流實驗方案設(shè)計

上文中給出了三相橋式整流電路的實驗系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖，該實驗是基于工程問題而設(shè)計，有助于訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。根據(jù)復(fù)雜工程問題的要素對實驗方案進行設(shè)計，采用基于虛實結(jié)合的方案，即硬件平臺實驗方案和軟件平臺實驗方案。硬件方案采用天煌實驗臺完成，從硬件角度完成三相橋式半控整流實驗，讓學(xué)生了解實際直流電壓輸出波形，并進行實驗分析；軟件方案采用 Matlab 來實現(xiàn)，從軟件角度模擬仿真蓄電池充電系統(tǒng)，讓學(xué)生掌握恒流恒壓輸出控制方法[14]。兩種方案取長補短，能夠解決目前電力電子實驗單純依靠硬件平臺實現(xiàn)存在的問題，同時又能鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1.硬件平臺實驗方案設(shè)計

硬件平臺實驗方案是基于天煌教儀電力電子實驗臺，主要設(shè)備包括實驗臺主控制屏、NMCL-33組件、MEL-03組件、NMCL-31A 組件、NMCL-331電感和二蹤示波器。由于硬件的確定性，在實際實驗中無法實現(xiàn)蓄電池充電功能，硬件方案只完成三相橋式半控整流輸出實驗，蓄電池充電實驗由軟件實驗完成。

（1）實驗內(nèi)容

根據(jù)實驗電路原理圖進行接線、上電，完成基本的輸入、輸出測量。

（2）波形觀察

觀察6個觸發(fā)脈沖波形，了解相位關(guān)系；觀察不同負載下的直流輸出電壓、晶閘管電壓輸出波形，理解電阻、阻感負載下晶閘管工作過程；觀察故障狀態(tài)下電壓輸出波形，分析故障原因，并清除故障，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（3）數(shù)值計算

計算直流輸出電壓的理論值，并與實際值進行比對，分析誤差原因，培養(yǎng)學(xué)生深入分析能力；計算非理想波形狀態(tài)下輸出電壓值，根據(jù)計算結(jié)果分析波形產(chǎn)生的原因。

（4）復(fù)雜工程問題設(shè)計

認真觀察波形，并對實驗結(jié)果進行計算，若整流電壓Ud 測量值與計算值存在較大誤差，查找誤差產(chǎn)生原因；在波形失真的情況下，分析波形失真與誤差之間的關(guān)系，查找波形失真原因，并通過理論分析得以驗證；針對輸出誤差及波形失真現(xiàn)象，提出解決方案，并在后續(xù)軟件實驗中進行驗證。

2.軟件實驗方案設(shè)計

軟件實驗方案基于 Matlab 來實現(xiàn)，依據(jù)圖2系統(tǒng)拓撲圖在simulink 中建立完整的蓄電池充電系統(tǒng)模型，包括三相橋式整流電路、檢測反饋電路、控制器等，負載依次為電阻、阻感負載及蓄電池。由于軟件仿真具有參數(shù)可調(diào)設(shè)置、故障情境預(yù)置等功能，能夠?qū)τ布霈F(xiàn)的現(xiàn)象進行還原和對比。

（1）實驗內(nèi)容

根據(jù)系統(tǒng)拓撲搭建基于simulink 三相橋式半控整流電路、蓄電池充電電路實驗?zāi)Ｐ?；根?jù)硬件平臺實驗波形失真分析結(jié)果，提出解決方案，并利用軟件平臺仿真實驗進行模擬驗證。

（2）波形觀察

模擬三相橋式整流電路不同故障狀態(tài)，觀察波形并分析；觀察蓄電池恒流恒壓充電模式下，輸出直流電壓波形；調(diào)整 PID 參數(shù)，觀察直流電壓輸出波形。

（3）數(shù)值計算

計算反電動勢負載下整流電路的輸出電壓、電流之間的關(guān)系；對PID參數(shù)進行估算，并觀察控制效果；對充電回路中電感電容值進行計算，增強對課本知識電感、電容對整流電路影響的理解，增強學(xué)生針對復(fù)雜工程問題的分析建模能力。

（4）復(fù)雜工程問題設(shè)計

三相橋式半控整流電路控制效果是工程實踐中要考慮的主要問題之一，實驗中蓄電池充電系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)恒流、恒壓充電。本實驗鍛煉同學(xué) PID 參數(shù)整定方法，將 PID 參數(shù)整定應(yīng)用于蓄電池充電系統(tǒng)中，確保三相橋式整流輸出的穩(wěn)定性，提高控制系統(tǒng)的魯棒性。

三、實驗實施

實驗過程中，除要完成基本實驗步驟與操作外，重點是引導(dǎo)學(xué)生對復(fù)雜工程問題設(shè)計的內(nèi)容進行探索。本部分著重介紹復(fù)雜工程問題設(shè)計內(nèi)容的實驗實施與分析。

（一）硬件平臺實驗實施

1.三相半控整流電路基本實驗

硬件平臺實驗在天煌教儀實驗臺進行，在完成實驗接線后，根據(jù)實驗步驟依次完成晶閘管觸發(fā)脈沖觀察、觸發(fā)角調(diào)零、三相電壓接入、基本輸入輸出測量等任務(wù)后，依次調(diào)節(jié)觸發(fā)角“=0。、30。、60。、90。，記錄輸出電壓、電流幅值，并觀整流電壓Ud、晶閘管電壓 UVT 的波形，將測量值與理論值進行對比，進行實驗驗證與誤差分析。

2.基于復(fù)雜工程問題設(shè)計的誤差分析

三相橋式整流電壓輸出，在電流連續(xù)的情況下其公式如式1所示。

根據(jù)式1可以看出，輸出電壓 Ud 只與 U2、觸發(fā)角“有關(guān)，由此可以推斷，誤差原因來自輸入電壓和觸發(fā)信號，具體原因有以下兩種情況：一是輸入電壓 U2是否正常，是否存在缺相、波形畸變等現(xiàn)象；二是觸發(fā)角“是否正常，是否存在觸發(fā)信號不正常，觸發(fā)角度是否精確，驅(qū)動能力是否足夠等問題。

為找到誤差產(chǎn)生的原因，本實驗采用排除法，將可能存在原因逐一排除。首先，排除觸發(fā)信號引發(fā)的誤差，主要做三點工作：一是觀察各晶閘管觸發(fā)信號是否正常；二是將觸發(fā)角“調(diào)為0。，以排除觸發(fā)角不精確帶來的誤差；三是測量晶閘管的波形，判斷晶閘管是否被可靠觸發(fā)；其次，觀察輸入電壓 U2的波形，判斷輸入電壓波形是否正常；最后觀察整流電壓輸出波形是否正常。根據(jù)上述方法，通過排除法確認不存在觸發(fā)信號問題，此外輸入電壓U2波形正常。理想的“為 0。的整流電壓波形圖為線電壓的包絡(luò)線，但實際整流電壓波形已失真。因此，根據(jù)整流電壓波形可以看出，產(chǎn)生誤差原因是輸入三相電壓不平衡而引起的。

（二）軟件平臺仿真實驗分析

1.硬件平臺實驗波形對比驗證

軟件平臺仿真實驗基于 matlab 來實現(xiàn)，根據(jù)三相橋式整流電路原理圖和實驗參數(shù)搭建仿真模型。軟件仿真實驗優(yōu)勢在于靈活性，可根據(jù)實驗需要進行實驗參數(shù)、實驗電路調(diào)整。根據(jù)前文硬件平臺實驗結(jié)論可知，在觸發(fā)信號正常且相位精確的情況下，誤差主要原因為輸入電壓三相不平衡，而在硬件平臺實驗中，很難完全做到三相電路平衡。為進一步加深學(xué)生對硬件平臺實驗分析的理解與掌握，在軟件平臺實驗過程中，人為制造三相電壓不平衡，進行觀察與對比，可以驗證硬件平臺實驗結(jié)果分析。除此之外，軟件平臺實驗過程中，可模擬缺相、觸發(fā)信號異常、相位偏差等各類情形，讓學(xué)生從理論計算中確切掌握三相橋式整流電路的各項知識。

2.基于復(fù)雜工程問題設(shè)計的恒壓恒流控制實驗

根據(jù)軟件平臺復(fù)雜工程問題設(shè)計，軟件仿真實驗主要完成蓄電池恒流恒壓充電功能，其本質(zhì)是控制三相橋式整流電路直流電壓輸出，核心是利用PID 算法實現(xiàn)直流電壓實時、精確調(diào)節(jié)。本實驗將電力電子技術(shù)與自動控制算法相結(jié)合，以蓄電池充電為控制對象，將PID整定知識應(yīng)用于工程實踐，使學(xué)生在掌握三相橋式整流電路原理與應(yīng)用的同時，拓展知識的工程應(yīng)用，提升學(xué)生面對復(fù)雜工程問題應(yīng)對能力。本實驗主要從工程角度出發(fā)，利用電壓電流輸出曲線，進行PID參數(shù)整定實驗，使學(xué)生快速掌握工程整定法，實現(xiàn)輸出電流電壓穩(wěn)定控制。最后，根據(jù)蓄電池充電實際工程應(yīng)用，制定蓄電池充電曲線，完成蓄電池充電實驗。

本次實驗利用軟件平臺仿真實現(xiàn)蓄電池充電功能，借此實驗讓學(xué)生了解蓄電池充電過程，蓄電池充電是一個復(fù)雜的工程問題，涉及電池充電曲線控制、電池均衡管理、電池荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）等內(nèi)容。本實驗開啟了探索工程實踐的窗口，以此為突破口，吸引更多的同學(xué)從工程角度出發(fā)，鍛煉實踐創(chuàng)新能力，提高復(fù)雜工程問題解決能力。

四、結(jié)語

解決復(fù)雜工程問題能力是工程教育認證的核心能力指標(biāo)，本文探索了基于提高解決復(fù)雜工程問題能力的電力電子實驗教學(xué)研究，以電力電子技術(shù)中三相橋式半控整流實驗為例，將硬件平臺實驗與軟件平臺仿真虛實融合，從復(fù)雜工程問題提出，復(fù)雜工程問題實驗設(shè)計、實驗實施等多個環(huán)節(jié)進行了詳細敘述，介紹了如何通過實驗設(shè)計，加強學(xué)生對復(fù)雜工程問題的理解、提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，促進學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的提升，對基于工程教育認證背景下實驗教學(xué)改革具有一定的借鑒意義。

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（責(zé)任編輯：羅智文）