“電力電子技術(shù)”課程理論教學(xué)與案例分析

王琪　羅印升

摘 要：針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程存在的課程框架體系不明確，教學(xué)目標(biāo)模糊，教學(xué)內(nèi)容較多，重難點(diǎn)教學(xué)難度大，教學(xué)理論化現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)教學(xué)匱乏等問題，提出了一種理論教學(xué)與案例分析的方法。以課程中直流-直流升壓斬波電路為實(shí)例，對(duì)升壓斬波電力進(jìn)行理論教學(xué)和基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件進(jìn)行案例分析，使得學(xué)生深刻理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；理論教學(xué)；案例設(shè)計(jì)；MATLAB/SIMULINK

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2017）02-0107-04

“電力電子技術(shù)”是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，即使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”應(yīng)用非常廣泛，大到目前國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注的新能源發(fā)電設(shè)備，如太陽能光伏發(fā)電，小到日常生活中的手機(jī)充電器?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”是全國(guó)高等學(xué)校電氣工程及其自動(dòng)化以及自動(dòng)化等專業(yè)的專業(yè)必修課程，同時(shí)也是“電機(jī)學(xué)”、“伺服系統(tǒng)”和“電力拖動(dòng)控制”等課程的先行課程。另外，電力電子作為電氣工程碩博士研究生招生的一個(gè)重要方向，其地位舉足輕重。針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)存在的問題，結(jié)合筆者所在的以培養(yǎng)有特色高水平應(yīng)用型人才的普通高等本科院校為例[1-2]，提出理論教學(xué)與案例分析的教學(xué)改革方法，旨在讓學(xué)生更加深刻地理解“電力電子技術(shù)”的知識(shí)，為日后從事相關(guān)研究或者技術(shù)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 “電力電子技術(shù)”課程教學(xué)存在的問題

1.1 課程框架體系不明確，教學(xué)目標(biāo)模糊

課程框架體系是任何一門課程在教學(xué)之前任課教師必須要了解的系統(tǒng)知識(shí)，任課教師了解了該課程在整個(gè)專業(yè)課程框架體系中的地位，才會(huì)有針對(duì)性地對(duì)課程進(jìn)行系統(tǒng)全面的備課，制定完善的教學(xué)目標(biāo)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中地位突出，但是很多教師只是當(dāng)作一門普通的專業(yè)課，導(dǎo)致該課程在整個(gè)專業(yè)課程框架體系中的地位不明確，從而制定的教學(xué)目標(biāo)相對(duì)較模糊。

1.2 教學(xué)內(nèi)容較多，重難點(diǎn)教學(xué)難度大

“電力電子技術(shù)”目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)院校都采用王兆安教授編寫的《電力電子技術(shù)》第5版教材，該教材中將課程分為十章內(nèi)容，包括緒論、電力電子器件、整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、PWM控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、電力電子器件應(yīng)用的共性問題以及電力電子技術(shù)的應(yīng)用，每一章內(nèi)容都很重要，要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，將這十章內(nèi)容教完，幾乎無法完成。面對(duì)這種情況，重難點(diǎn)教學(xué)尤為重要[3]。但是課程中的重難點(diǎn)又難以區(qū)分，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)前后聯(lián)系緊密，學(xué)生理解不易。

1.3 教學(xué)理論化現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)教學(xué)匱乏

“電力電子技術(shù)”屬于偏應(yīng)用的課程，共分為十章內(nèi)容，目前大多數(shù)的課時(shí)都中在理論教學(xué)，然而在理論教學(xué)時(shí)學(xué)生往往反映枯燥無味，難以理解。所以，等到實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，很多同學(xué)甚至連理論都不清楚，或者理論理解不透徹，導(dǎo)致自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)無法完成。再加上實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源欠缺，整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)匱乏。

2 “電力電子技術(shù)”理論教學(xué)與案例分析

2.1 理論教學(xué)與案例分析教學(xué)改革方法介紹

針對(duì)第1節(jié)中“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)存在的問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限的前提下，我們提出“電力電子技術(shù)”理論教學(xué)與案例分析教學(xué)改革方法，即在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，針對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)，配備上典型案例分析。案例分析主要運(yùn)用到MATLAB/SIMULINK仿真軟件， MATLAB/SIMULINK仿真軟件中具備搭建電路拓?fù)?、設(shè)計(jì)控制程序以及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行測(cè)試等功能，結(jié)合各種仿真波形，讓學(xué)生更加形象直觀地理解重難點(diǎn)知識(shí)。理論教學(xué)與案例分析方法將學(xué)生所學(xué)的“電路原理”和“MATLAB課程設(shè)計(jì)”重拾，任課教師花費(fèi)課外更多的時(shí)間來準(zhǔn)備典型案例，在課堂上進(jìn)行演示，學(xué)生課后可以重復(fù)教師演示的過程，將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固。理論教學(xué)與案例分析方法激發(fā)了學(xué)生對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，學(xué)生普遍反響較好。

2.2 理論教學(xué)與案例分析具體實(shí)例

以“電力電子技術(shù)”課程中直流-直流升壓斬波電路為實(shí)例，重點(diǎn)介紹理論教學(xué)與案例分析方法。圖1中為直流-直流升壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中[E]為輸入直流電壓，[i1]為輸入直流電流，[L]為電感，[V]為開關(guān)管，[VD]為二極管，[C]為濾波電容，[R]為負(fù)載電阻，[ic]為控制信號(hào)，[uo]為輸出直流電壓。該電路的工作原理為：假設(shè)[L]和[C]值很大，當(dāng)[V]處于通態(tài)時(shí)，電源[E]向電感[L]充電，電流恒定[I1]，電容[C]向負(fù)載[R]供電，輸出電壓[Uo]恒定。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，電源[E]和電感[L]同時(shí)向電容[C]充電，并向負(fù)載提供能量[4]。

根據(jù)電路的工作原理，給出基本的數(shù)量關(guān)系，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等[5]，即

[ EI1ton=（U0-E）I1toff] （1）

化簡(jiǎn)得：

[U0=ton+tofftoffE=TtoffE] （2）

公式（1）和公式（2）中，[ton]為開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，[toff]為開關(guān)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間，顯然[T] / [toff] >1。因此輸出電壓[U0]大于輸入電壓[E]，達(dá)到升壓的目的。

在MATLAB/SIMULINK仿真軟件中搭建直流-直流升壓斬波電路，見圖2，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1中一致，開關(guān)管為IGBT。設(shè)置[E]=20V，[L]=1.5H，[C]=3F，[R]=10Ω，[T]=2s，[toff]=1s，升壓比[T] / [toff]=2，采用開環(huán)PWM控制方法生成[ic]。

按照公式（2），帶入各參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出[U0]=40V。MATLAB仿真結(jié)果如圖3-圖5所示，圖3為PWM控制信號(hào)，用來控制IGBT；圖4為輸入電壓，可以看出電壓值為20V；圖5為輸出電壓，穩(wěn)定后電壓值在40V左右。不難發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了“電力電子技術(shù)”課程存在的課程框架體系不明確，教學(xué)目標(biāo)模糊，教學(xué)內(nèi)容較多，重難點(diǎn)教學(xué)難度大，教學(xué)理論化現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)教學(xué)匱乏等問題，提出了一種理論教學(xué)與案例分析的方法。并以課程中直流-直流升壓斬波電路為實(shí)例，對(duì)該方法進(jìn)行演示，得到如下結(jié)論：

（1）理論教學(xué)與案例分析方法在教學(xué)中可行，學(xué)生能深刻理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)效果良好；

（2）理論教學(xué)與案例分析方法對(duì)“電路原理”和“MATLAB課程設(shè)計(jì)”等先前課程進(jìn)行知識(shí)鞏固，進(jìn)一步促進(jìn)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用；

（3）理論教學(xué)與案例分析方法可有針對(duì)性的進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王兆安. 電力電子技術(shù) [M]. 5版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[5] 郭世明. 電力電子技術(shù) [M]. 2版.成都： 西南交通大學(xué)出版社， 2008.

Theory Teaching and Case Analysis of Power Electronics Technology Course

WANG Qi， LUO Yin-sheng

（School of Electronic Information Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： Facing the problems of “Power Electronics Technology” course， such as ambiguous curriculum framework and teaching target， too much teaching content and teaching difficulty as well as theoretical teaching and lacking of experimental teaching， we present a method combining theory teaching and case analysis. Take the course of DC / DC boost chopper circuit as an example， we apply theory teaching and case analysis under MATLAB/SIMULINK simulation software. This method makes the students understand the knowledge points deeply， and the teaching effect is good.

Key words： power electronics technology； theory teaching； case analysis； MATLAB/SIMULINK

責(zé)任編輯 祁秀春