电力科技论文电力技术论文

电力科技论文电力技术论文

“电力电子技术”教学的改革与实践

摘要：针对“电力电子技术”课程的特点，在教学方法上使用Flash 动态演示课件。理论教学形式上采用从上到下的教学模式，教学内容模块化分解。实践环节方面构建集验证性、应用研究性和综合课程设计三位一体的实验体系。这些措施的改革与实践，适应了学校学科建设从教学型向应用研究型人才培养的需求，取得了良好的效果。

关键词：电力电子技术；教学改革；教学模式

电力电子历经五十多年的高速发展后，该课程已成为电类专业的一门重要专业基础课。教学内容涵盖了各类电力电子电路结构、控制方法、工作原理、波形分析、工程应用及设计计算。内容繁杂且容易混淆。如何充分利用现代教育技术达到预期的教学效果？文献1～3都做了很多有益的探索和研究。本文从学科建设发展需要出发，从教学方法、教学内容和实践环节几方面对“电力电子技术”课程的传统模式进行了研究探索。

一、现代教学方法的改进

由于电力电子电路类型多，波形分析和参数计算是教学的重点和难点。在以往的教学实践中，大多采用静态的文字、电路和波形图片，再辅以板书的方式来进行。然而，从实际教学效果来看，两种教学手段往往在效率、生动上难以达到统一。为充分挖掘多媒体教学的优势，

课程组成员开发了电力电子电路Flash动态演示课件。这种课件可直观展示各种参数变化对电路波形图的影响。

比如在理论教学中，对基本单元拓扑电路的讲授时，通过图1所示的Flash动态演示课件，可以直观的观察和分析电路中主要器件电压或电流波形在一个周期内的变化。由图1还可以看出，改变单端反激式基本单元电路的电感参数，电路的工作模式亦随之改变，同时，电路各工作模式通过电流的标记清晰地展现出来。课题组开发了基本单元拓扑电路所有的Flash动态演示课件。通过Flash动态演示课件，电路工作原理、参数计算和波形分析很直观的再现。把课本上大量枯燥的文字叙述转变为生动直观的图形、数据说明。

二、理论教学模式改革

1.教改思想

在以往的电力电子教学实践中，大多采用条块分割，按章逐节进行讲解。本次教改过程中，认为电力电子技术是一个系统（如图2所示），通过引导学生用系统的观念去认识和把握该门课程。即功率器件是基础；基本单元拓扑电路或者基本单元的组合是工程应用的物理载体；控制策略是工程应用装置的灵魂；工程应用是目标。教学顺序遵循从上到下的原则，按照图2每个模块的层次依次展开，但由于控制策略和工程应用联系紧密，故把控制策略模块的相关内容融合于工程应用模块中一并讲解。需要说明的是，图2所列教学内容可依据各专业侧重点的不同，相应进行增减。

2.开关电源教学案例

在完成功率器件、基本单元这两大基础模块的讲授后。通过工程某方面应用的实例来把两大基础模块联系起来。如在讲授开关电源技术这一章节的时候，通过直流电源和交流电源分别引入软开关技术、PWM/SPWM技术知识点。为说明问题，下面以实验环节要用到的“开关型电能表校验台用工频电压源”进行说明。

首先说明校验台用电源装置所带的被检电能表电压线圈有很强

的感性，同时要求装置输出波形失真度较小的工程特点。这样，把问题分解成两个方面。一是如何构建可满足感性负载的能量变换电路，二是采用怎样的控制策略可达到相应的指标要求。

（1）两大基础模块的回顾和提炼。从上文的表述中，如果以市电为输入电源，那么有两种方案可供选择：AC/AC、AC/DC/AC。在讲完直流电源的基础上，采用AC/DC/AC这一方案易于学生的掌握和理解。沿着这一思路，先在各基本单元拓扑电路中寻找可满足式（1）形式的数学模型。发现

（1）

降压式这一单元电路在数学形式上非常接近。只须令：

D=kSinωt，K为一系数。

为满足正负电源输出的要求，采用上下对称的电路结构。但在功率器件模块的介绍和对功率管物理性实验中知道，任何一个功率器件的通、断都不可避免的存在延迟和死区，再加之当D绝对值趋近于

零时，要求储能元件为无穷大。这在工程实际中，几乎难以实现。因此以降压式这一单元电路方案放弃，但考虑到电源装置的输出存在正、负电源，采用上下对称结构的单元组合思路符合输出要求的一个特性，故对其他基本单元电路进行相应的组合。设想上、下两Cuk 线路由D+D'=1的互补导通比信号驱动，其组合电路的数学模型是：（2）

D、D'：下、上Cuk线路导通占空比

U1、U2：下、上Cuk线路输出电压

把互动关系代入（2）式，可得：

定义电压增益M：（3）

借助MATLAB辅助软件，对（3）式进行辅助分析，其电压增益(M)局部曲线图如图3所示。从图3中可看到以D=0.5为中心，定义域为(0.3，0.7)区间表现出了较好的线性度。这个特性适合做推挽输出功率放大。

通过以上对学生的引导分析后，继续指出工程实际中的另外一个问题，即感性负载中能量双向流动问题。考虑到功率管的单向导电性，有必要把单向功率管改造为双向管子。由此，自然推出如图4所示的由上、下对称Cuk基本单元组合的变换电路。

（2）SPWM控制技术及控制策略。“开关型电能表校验台用工频电压源”主要电路结构设计思想出来后，就是采用什么控制策略来达到装置输出波形失真度较小的指标要求。先对学生进行二点式、三

点式、PWM控制技术进行简单的回顾和交流输出的分析，指出采用这类控制技术，后面加一滤波器的方法，其输出波形依旧含有丰富的谐波，从而引出SPWM的教学内容。

在SPWM控制技术的教学内容完成后，结合图3仿真结果。强调电压增益(M) 在定义域为(0.3，0.7)区间才表现出较好的线性度。同时，在边界值附近开始出现非线性关系。故而，如单纯使用SPWM 控制技术难以达到指标要求，有必要加入电压反馈等辅助控制策略，如借用文献4的控制思想。这部分内容要求学生在综合设计性实验中通过阅读相关文献，在指导教师帮助下完成。

三、三位一体实验体系

1.设计思想

“电力电子技术”构建合理的实验教学体系是课程建设的一个重

要方面。教学团队在实际操作中，把握“一个基本点,两条途径,三种层次”的从下到上教学思想。即一个基本点是指以培养学生应用研究型的创新能力为中心；两条途径是指学生从课堂和实验教学两个途径实现互补学习及自学能力的提高；三种层次是说实验教学体系包含了验证性实验、应用研究性实验和综合课程设计实验三个层次的递进。

2.实验教学案例

第一层次的实验教学是安排有“功率器件电气特性”的仿真和测试。学生通过仿真和物理性的验证性实验，达到对功率器件电气特性的深刻认识和把握。以满足半导体器件和微电子技术日新月异的发