實用型電力電子技術教學

陳新河 楊漢生 魯業頻

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

實用型電力電子技術教學

陳新河 楊漢生 魯業頻

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

電力電子技術的迅速發展使其教學內容不斷增加和更新。如何利用有限的學時讓學生掌握該課程的精髓，培養出適應當前社會需要的工程技術人才是一個急需解決的問題。本文從教學內容、教學方法、教學手段、實踐教學等幾方面對電力電子技術課程的實用教學進行探索，在一定的程度上解決了上述問題。

電力電子；教學改革；教學方法；實踐教學

電力電子技術（課程）是電氣工程及其自動化專業的專業基礎課。他是一門利用電力半導體開關器件對電能進行高效率變換和控制的技術，如今已發展成了一門橫跨電子、電力和控制三個領域的新型工程技術科學。[1]該課程以其電路圖多、波形圖多、波形圖復雜、實踐性強等特點，給其教學提出了一定的挑戰。然而隨著電力電子技術的新發展，新電子器件、新電路拓撲和控制技術的不斷涌現，使電力電子技術課程的內容不斷增加和更新，這給有限課時的教學提出了更高的要求。如何利用有限的課時使學生掌握該課程的精髓內容，培養出具有一定水平的應用型工程技術人員是當前眾多高校教師關注的話題。[2～5]

筆者所在的學院因課程設置改革的需要，使電力電子技術課程的課時不但沒有增加，反而有所減少。這種情況下既要培養出適應當前社會需要的高素質的應用型電力電子技術人才，又只能利用有限的課時進行教學，就必須對傳統的電力電子技術課程教學進行改革。以下為本人從多方面對電力電子技術課程的探索性改革介紹，供各位同仁參考。

1 調整教學內容

與上個世紀90年代前相比，電力電子技術有了許多變化。如全控新型器件（MOSFET、IGBT、MCT）的產生改變了半控型器件（SCR）在電力電子變換器件中一統江湖的狀況；控制電路與保護電路由原來的分立元件搭建而成逐漸被集成電路所代替，特別是IPM模塊的出現，使控制保護電路的設計變的簡單化、模塊化；新的控制技術 （軟開關技術、PWM技術和矩陣變頻技術）的產生降低了開關器件的工作應力，提高了功率因素和減少了諧波分量。針對這些變化，本人在介紹內容上做了一些調整。

1.1 元件方面：新型全控型電力電子器件以其控制方便、工作頻率高、工作容量漸大等優點逐漸取代半控型器件，而成為電力電子器件的主力軍。在內容介紹時多全控器件而少半控和不控器件器件，著重介紹BJT、MOSFET、IGBT和MCT等全控型器件的構造結構、工作原理、工作特性和相關參數。對于信息電子中已經學習過的知識只做快速回顧。為確保學生認識器件的深度，介紹時還介紹實物外型、簡單測量方法、元件特性查詢和元件選擇等相關實踐知識。

1.2 電路方面：分立元件電路是分析電路工作原理的基礎，但以集成電路為中心的控制、驅動電路以其外圍元件少、連接簡單，分布參數小、調試方便，控制可靠、保護齊全等優點被廣泛使用在中小電力變換系統中。介紹時首先介紹典型分立元件電路的原理，然后著突出紹介紹幾種常見的集成控制和驅動芯片 （如PM20CHA060、IR2110系列和EXB840系列），供學生以后方便使用。

1.3 控制技術方面：相控和斬控兩種方式中，斬控方式以其工作功率因素高、產生諧波容易控制等優點而成為現在電力電子研究和應用的主要方向。在介紹斬波、逆變、AC/AC變換（交流/交流變換）時著重介紹PWM控制技術。同時也介紹軟開關技術和矩陣變頻技術等新興斬控技術。

2 改進教學方法

以往的教學狀況是老師在上邊滿堂講，學生在下邊全盤聽；教老師在上邊辛苦推（公式），學生在下邊快速記；老師上完一本書，學生不知道說了些什么；考試時教師仔細的“復習”，學生使勁的背。這使學生感覺學習很累，對學習不感興趣，學習的目的就是為了考及格。為此本人在教學方法上做了以下幾點的嘗試改進。

2.1 分層教學：結合學生認知的實際和教學大綱對不同專業、不同層次（本、專科）學生的要求，選擇與之相適應的教學內容和教學難度，使不同學生對電力電子技術方面的認識都有一個提高，都能知道電力電子技術介紹的主要內容，但知道的細節和深度不同。如專科學生不進行復雜的公式推導和知識的深入討論、研究，只需知道結論和應用即可。

2.2 遵循教學規律：本著從簡單到復雜的學習規律，先介紹單相知識，再介紹三相知識；先介紹信息電子中學習過的整流知識，再介紹AC/AC變換和逆變知識。介紹知識時注意前后知識的連貫性和相關性，注意總結單相和三相、整流和逆變中的相同點和不同點。如單相電路中（不論整流和逆變），他們的產生諧波成分都為奇次諧波。

2.3 重視分析：重視電路原理、工作波形的分析，淡化和簡化復雜數學公式的推導，原則上理論夠用即可。著重培養學生在電力電子技術方面的思維能力和分析問題的能力。

2.4 引導教學：在教學過程中通過多提啟發性問題，讓學生積極主動參與教學過程，提高他們的學習熱情，活躍他們的思維，培養他們創造性的想象能力。在這個過程中同時能使學生學習的知識前后連貫、形成系統并與實際相關。

2.5 擴展學習途徑：在教學過程中為學生推薦電力電子技術相關網站、論壇和相關書籍（如查芯片資料：www.21cn.com；電力電子技術：www.chinaperi.com）。讓學生課下能通過各種途徑接觸電力電子技術相關的知識，了解電力電子技術的作用、應用和發展前沿。從而激發學生的學習熱情，讓學生學有所途、學有所知、學有所用、學有所圖。

2.6 提出困難：在教學過程中，結合生產、生活實際，講解當前電力電子技術正面臨的困難（如矩陣變頻的控制、功率因素校正等）。讓學生知道他們應該努力的方向和將要克服的障礙，激發學生的學習沖力和創新斗志。

3 采用先進的教學手段

電力電子技術最大的特點就是電路圖多、波形圖多、波形圖復雜、實踐性強。在“黑板+粉筆”的授課方式中，教師畫電路圖、波形圖時間用的比較多，而且一些復雜的波形圖難以用語言描述清楚。為在有限的時間內有效的完成教學工作，本人利用了多媒體和電子仿真進行教學。

3.1 利用多媒體：多媒體的使用可以完全省去教師在課堂上畫電路圖和波形圖的時間，同時多媒體中的不同顏色、不同字體靈活顯示，使波形圖中不同對象區分更加明顯、容易；將波形圖分不同情形沿時間軸制成動畫，不但使波形分析變的簡單、生動，而且可以對比不同情形下的電路工作情況。如將三相整流按不同觸發角、不同負載作成動畫。

3.2 利用電子仿真軟件：現在可以進行電子仿真的軟件很多，如PSPICE、ALTIUM DESIGNER、PROTEUS和POWERSIM等。這些仿真軟件內部已經擁有大量的電子元件模型和電路模型，他們仿真精度高、重復性好。通過電子仿真不但可以驗證教學理論，而且可以通過虛擬儀表隨時觀看各結點的波形和電壓、電流值。通過典型的電子仿真還可以介紹電路設計的一般過程——如何選擇電路、如何選擇器件、如何搭建電路、如何調試和如何排除故障等等。利用電子仿真可以使理論和軟實踐很好的結合。

本人利用PROTEUS仿真軟件對電力電子技術課程中的相關內容進行仿真。下圖1是對單相半波可控整流（帶RL負載）仿真的電路圖和仿真波形圖。圖2是對三相半波可控整流仿真的電路圖和仿真波形圖。

圖1 單相半波可控整流仿真

圖2 三相半波可控整流仿真

3.3 結合實際產業：首先通過本校教師和外請專家所作電力電子技術相關的學術講座，開拓學生視野、了解學術前沿；其次組織學生參觀周邊的發電廠、變電所中的大型電力變換設施，突顯本課程的重要性，堅定學生的學習信念。

4 重視實踐教學

“實踐才是工科專業的根本”已成為國際高等工程教育界的共識。美、日等國工科專業的實踐教學時數已占總學時的35-40%[5]。近年來新教學計劃的修訂中，我校對工科實踐教學也越來越重視，實驗、課程設計等實踐環節在整個教學計劃中的比重明顯增大。具體表現在：

4.1 加強實驗教學：首先是學校花大量資金從天煌教儀購進11臺DJDK-1型電力電子實驗裝置，每1～2人一組進行實驗，使每個學生都能親自動手實踐。其次是將原來的5個實驗項目（10學時）增加到8個實驗項目（16學時），使學生有更多的時間進行更多方面的實驗。再次是本人從DJDK-1型電力電子實驗裝置配套的實驗指導書中的多個實驗中精選了8個（如單相半波可控整流電路實驗；三相半波可控整流電路實驗；三相橋式半控整流電路實驗等）具有代表性、能突破重難點的實驗作為實驗項目。此外本人還鼓勵學生利用課余時間到實驗室來做其他綜合性和創新性的實驗。這種實驗教學不僅能讓學生對所學的知識進行驗證，達到鞏固知識的目的，而且有助于學生創新能力的培養。

4.2 開設開放式實驗室：為從根本上提高學生的實踐能力和創新能力，為電子愛好者提供一個實踐和創新的平臺和空間，我們學校還開設了一個全天候開放的“電子創新實驗室”。該實驗室為學生提供了常規電子元件、芯片、電子儀表、焊接材料、單片機實驗箱、PLC實驗箱、電力電子和電力拖動等等幾乎所有的電類實驗器材。同時也給該實驗室配備了2臺能上網的計算機，方便學生查閱資料。在管理和指導模式上采用老師指導（程度的）好學生，好學生指導其他學生的寬松式管理和指導模式。這個實驗室的開設，極大地方便學生的興趣設計和制作、課程設計、畢業設計。

4.3 利用教師科研項目：如同博士生、碩士生一樣，本科生也是創新人才的一部分，具有一定的研究能力和創新能力。學校鼓勵教師科研課題帶學生參與，讓學生完成力所能及的任務，從而使學生加深對專業知識 （包括電力電子技術知識）的掌握，了解本專業的學術前沿，激發學生的學習興趣，倍增學生的學習動力，培養學生的實踐能力和創新能力。

4.4 規范課程設計：首先是選題應該具有綜合性、實踐性。所選課題不能過小，但也不能過大、過抽象。應該是對實際生活生產有一定意義，通過綜合運用所學各科知識能夠解決的題目。其次是鼓勵創新。在課程設計過程中鼓勵學生使用新器件、運用新方法，提出課題的獨特解決方案。最后是綜合評價。課程設計的成績不僅要看是實物結果，仿真結果，還要看解決思路。即使沒有作出理想的結果，只要理論正確，解決方法新穎、獨特可行，也可以得到好的課程設計成績。

5 結語

本課程的教學改革工作取得了較好的教學效果，增進了學生掌握專業知識的廣度和深度，提升了學生的實踐能力和創新能力,使學生在后續相關課程的學習、設計中也表現出良好的能力。受到了廣大師生的一致好評。

電力電子技術課程改革是一個循序漸進的、長期的過程，它涉及到教學內容、教學方法、教學手段、實踐教學等多方面的因素。而且本校的電力電子技術課程的改革目前還處初期階段，為適應電力電子技術的新發展，為培養出能適應社會需要的創新型應用人才，這一改革將會持續進行下去。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].4版.北京:機械工業出版社，2008.

[2]張俊敏.電力電子技術（課程改革探索）[J].中國科教創新導刊.2008.20：172-174.

[3]程瓊，黃圣超.電力電子技術（課程教學的改革）[J].理工高教研究.2008，4（27）：109-110.

[4]洪武.PSIM在電力電子技術教學中的應用[J].實驗科學與技術.2009，2（7）:37-38.

[5]李久勝，王明彥，孫鐵城.電力電子技術課程設計的探索與實踐[J].電氣電子教學學報.2008，（7）:81-87.

THE PRACTICAL TEACHING OF POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY

CHEN Xin-heYANG Han-sheng LU Ye-pin
（Physics and e-Science Department， Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

The rapid development of “power electronics technology” have increased and updated the course contents.As a teacher,how to make the students to grasp the essence of the course in limited time and,how to train them as a high-tech personnel for society need is an urgent problem.The practical teaching search of"Power Electronics technology"was been introduced in this article in teaching content,teaching methods,practice training and other aspects.To a certain extent,the search have solved the above problem.

Power Electrinics；Teaching Reform；Teaching Method；Practical Teaching

G642.0

A

1672－2868（2010）06－0140－05

2010－09-21

巢湖學院重點項目（項目編號：XLZ201004）；安徽省2009年度省級質量工程項目

陳新河（1976-），男，講師，碩士，研究方向：自動化專業。

責任編輯：陳 鳳