電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新思維拓展

蘇良昱，王 武，葛 瑜

（許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

“電力電子技術(shù)”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，被稱為人類社會(huì)的第2次電子革命[1]。國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的電力電子學(xué)會(huì)將電力電子技術(shù)表述為有效地使用電力半導(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)理論以及分析工具實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制的一門技術(shù)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，隨著我國(guó)科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和對(duì)傳統(tǒng)電力工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)降損節(jié)能改造的進(jìn)展，電力電子技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用也將日益得到普及和推廣，只有電力電子技術(shù)的教學(xué)改革趕上社會(huì)對(duì)電力電子技術(shù)人才的需求，才能為社會(huì)培養(yǎng)出專業(yè)的電力電子技術(shù)人才，促進(jìn)電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，是電力電子教學(xué)的一個(gè)嚴(yán)峻課題[2]。受傳統(tǒng)觀念影響，電力電子技術(shù)實(shí)際教學(xué)過程中存在著諸多問題：實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受重視，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)是對(duì)課本知識(shí)的驗(yàn)證，造成理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)，實(shí)踐教學(xué)處于依附于理論教學(xué)的從屬地位；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，無法趕上新型電力電子器件和裝置的發(fā)展，缺乏新的實(shí)踐教學(xué)手段和方法；設(shè)備的更新?lián)Q代比較慢，實(shí)驗(yàn)開展受到硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，跟不上技術(shù)革新的步伐；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，綜合性實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，在實(shí)驗(yàn)方法上基本是簡(jiǎn)單的模仿，學(xué)生始終處于被動(dòng)地位，沒有積極的思維和創(chuàng)新，也沒有探索的目標(biāo)和方向，沒有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施；另外，在電力電子技術(shù)的教學(xué)中，往往以主電路講解為主，忽視了電力電子技術(shù)的“倒三角形”描述，從而在很大程度上忽略了對(duì)控制電路的講解，很難使電力電子電路投入實(shí)用[3]。如何更大程度地提高實(shí)踐教學(xué)水平，成為從事電力電子技術(shù)教學(xué)人員教研的重點(diǎn)，很多教育工作者都在電力電子的教學(xué)實(shí)踐上提出了建設(shè)性的意見，并取得了較好的效果[4－6]。

1 仿真教學(xué)引入與創(chuàng)新思維拓展

1.1 引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

電力電子技術(shù)課程理論教學(xué)中，十分注重對(duì)電路的波形與相位分析，電力電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的電壓、電流等波形分析，以方便理解電力電子器件在電路中導(dǎo)通與截止的開關(guān)過程，從而加深對(duì)整流、逆變、交流變換、PWM控制技術(shù)等知識(shí)的理解。大量的波形分析內(nèi)容，如果在黑板上手工畫，是一個(gè)比較困難的事情，并且學(xué)生不易理解。通過在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中完成，同時(shí)回饋到多媒體教學(xué)，會(huì)取得更好的教學(xué)效果，所以，引入仿真教學(xué)是對(duì)理論課教學(xué)的必要補(bǔ)充[7]。另外，一些較為復(fù)雜的電力電子電路創(chuàng)新和綜合性實(shí)驗(yàn)，無法通過模擬實(shí)驗(yàn)完成實(shí)踐課教學(xué)，通過引入仿真教學(xué)，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的維度，擴(kuò)大了實(shí)踐教學(xué)的可操作性。電力電子技術(shù)是電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)交叉學(xué)科，學(xué)生僅通過理論教學(xué)很難理解學(xué)科交叉性，對(duì)電力電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)也不夠全面，通過引入仿真教學(xué)，既能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)主電路的認(rèn)識(shí)，也能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制電路的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程，如“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”、“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。在結(jié)合當(dāng)今產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，如新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、變頻調(diào)速、柔性交流輸電、高壓直流輸電等，具有一定的前瞻性和創(chuàng)新性，然而受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性無法完成，引入仿真教學(xué)，可以進(jìn)行對(duì)新技術(shù)的研究，拓展學(xué)生的工程意識(shí)[9]。

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引入，很好地解決了上述問題，同時(shí)提高了調(diào)試和設(shè)計(jì)的靈活性，可以最大限度地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮，開闊學(xué)生視野。

1.2 創(chuàng)新思維培養(yǎng)與拓展

創(chuàng)新思維就是帶有創(chuàng)見性的思維，更具體地說，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中善于獨(dú)立思索和分析，不因循守舊，能主動(dòng)探索、積極創(chuàng)新的思維因素[10]。從創(chuàng)新思維的角度來看，創(chuàng)新教育就是要培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、隱喻聯(lián)想思維能力、發(fā)散思維能力以及有助于創(chuàng)新思維的非智力因素。對(duì)知識(shí)的“開墾性”越高，知識(shí)的系統(tǒng)性越強(qiáng)，減縮性越大，遷移性越靈活，則創(chuàng)造性就越突出[11]。創(chuàng)新人才培養(yǎng)是教育者及全社會(huì)共同關(guān)注的熱點(diǎn)話題，更是推動(dòng)我國(guó)盡快走上創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展軌道的現(xiàn)實(shí)的迫切需要。

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力的創(chuàng)新型人才，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)大學(xué)生基本技能、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)該把培養(yǎng)人才的綜合素質(zhì)和能力作為出發(fā)點(diǎn)和歸宿，學(xué)生在校期間創(chuàng)新思維的培養(yǎng)顯得尤為重要[12]。電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中，雖然有一些產(chǎn)學(xué)研結(jié)合和科技創(chuàng)新方面的課題，學(xué)生也有參與熱情，但對(duì)于這種創(chuàng)新的課題，學(xué)生感覺高不可攀，遙不可及，然而，軟件仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試和設(shè)計(jì)靈活，可最大限度地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮，同時(shí)也能解決人才缺乏和行業(yè)需求的矛盾，開闊學(xué)生視野，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[13]。

2 仿真教學(xué)開展實(shí)例分析

直流—直流變換（斬波電路）是電力電子技術(shù)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，其中，升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路及Zeta斬波電路結(jié)構(gòu)不同，但其輸入輸出關(guān)系完全相同，此處通過應(yīng)用PLECS軟件，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力電子控制技術(shù)的分析，通過開展仿真教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

2.1 理論教學(xué)與電路工作原理分析

升降壓斬波電路、Cuk斬波電路和Sepic斬波電路如圖1（a）、（b）、（c）所示，可見電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，升降壓斬波電路的工作原理為：當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)過開關(guān)管V向電感供電儲(chǔ)能；V處于斷態(tài)時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放[14]。

圖1 斬波電路原理圖

Cuk斬波電路當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。V處于斷態(tài)時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流，負(fù)載電壓極性與電源電壓極性相反，為反極性斬波電路。

Sepic斬波當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時(shí)導(dǎo)通，L1和L2同時(shí)儲(chǔ)能。V處于斷態(tài)時(shí)，E—L1—C1—VD—負(fù)載回路及L2—VD—負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)通，此階段E和L1既向負(fù)載充電，同時(shí)也向C1充電，C1儲(chǔ)存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。

推導(dǎo)可得，3個(gè)電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

上式中，ton為開通時(shí)間，toff為關(guān)斷時(shí)間，α為占空比。

2.2 電路的PLECS仿真分析

在傳統(tǒng)升降壓斬波電路分析中，只注重主電路分析，而關(guān)于全控器件如何控制以及系統(tǒng)開閉環(huán)形式等內(nèi)容，往往忽略了講解和分析，此外，導(dǎo)出電路的輸入輸出關(guān)系后，對(duì)不同電路結(jié)構(gòu)下，為什么具有相同的輸入輸出關(guān)系不作明確解釋，各個(gè)電路的特點(diǎn)和利弊不作分析，從而使得學(xué)生在開關(guān)電源設(shè)計(jì)等方面具有很大的困惑，同時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程變?yōu)楸粍?dòng)的知識(shí)傳教，也無法引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更談不上創(chuàng)新思維的開發(fā)[15]。

此處，引入PLECS仿真軟件，構(gòu)建3種電路的仿真系統(tǒng)，分別如圖2（a）、（b）、（c）所示，系統(tǒng)中電路仿真參數(shù)按圖示進(jìn)行選取，此處輸入電壓選為10V，占空比設(shè)為α＝0.6，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果分別如圖3（a）、（b）、（c）所示。通過PLECS仿真軟件引入，輔助了對(duì)斬波電路的分析，學(xué)生可以充分理解在主電路背后，由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，其電路的運(yùn)行效果不同，如：Cuk斬波電路與升降壓斬波電路相比，其輸入電源電流和負(fù)載電路都連續(xù)，脈動(dòng)小，有利于輸入、輸出進(jìn)行濾波。Sepic斬波電路為正極性斬波電路，而其他2種為反極性斬波電路。如此，結(jié)論和總結(jié)都可以通過仿真結(jié)果得到更清晰的認(rèn)識(shí)。另外，學(xué)生可以借助仿真手段，靈活地修改參數(shù)，分析不同參數(shù)下電路的輸入、輸出關(guān)系，還可借助于其他的控制方式，研究在不同的控制方式下對(duì)系統(tǒng)的控制效果，從而為以后設(shè)計(jì)開關(guān)電源構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，對(duì)電力電子技術(shù)是電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論交叉學(xué)科有更清晰的認(rèn)識(shí)。

圖2 電路仿真模型

圖3 斬波電路仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

在工科專業(yè)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其工程意識(shí)和工程能力具有重要的意義，結(jié)合在電力電子技術(shù)教學(xué)過程中出現(xiàn)偏重主電路講解、忽略控制電路講解，強(qiáng)化理論灌輸、忽略創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)等一系列問題，提出將PLECS軟件仿真教學(xué)引入實(shí)踐教學(xué)過程中，作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。論文分析了升降壓斬波電路、Cuk斬波電路和Sepic斬波電路的具體工作原理，并結(jié)合具體實(shí)例給出開展仿真教學(xué)的必要性和可行性，以期在電力電子實(shí)際教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，更大程度地提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（References）

[1] 程瓊，鄭建勇，廖冬初.電力電子技術(shù)課程改革新探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，4（2）：13－14.

[2] 趙凱岐，蘭海，杜春洋，等.新型電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（9）：32－35.

[3] 王明彥.電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開展研究性教學(xué)的探索[J].中國(guó)電力教育，2009（3）：137－139.

[4] 趙凱岐，蘭海，杜春洋.電力電子技術(shù)雙環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6（3）：73－90.

[5] 王明彥.電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開展研究性教學(xué)的探索[J].中國(guó)電力教育，2009（3）：137－139.

[6] 莫京軍，陳翠娥.基于電力電子的虛擬綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，10（5）：62－64.

[7] 李曉寧，胡天友，葛一楠，等.電氣自動(dòng)化專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)改革與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25（6）：694－709.

[8] 孫宇新.MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)在電氣專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002，19（1）：96－97.

[9] 譚平.地方高校應(yīng)用型人才工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（5）：93－95.

[10] 徐瑩.淺議高等數(shù)學(xué)教學(xué)與創(chuàng)新思維培養(yǎng)[J].教育與職業(yè)，2009，9（26）：83－84.

[11] 周霞，陳奎慶.工科院校學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，12（4）：92－95.

[12] 錢國(guó)英，朱秋華，尹尚軍.重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容 改革教學(xué)方法 訓(xùn)練創(chuàng)新思維 培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2009（6）：36－38.

[13] 葛瑜，王武.電力電子技術(shù)遞階式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，27（5）：156－159.

[14] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[15] 王武.基于Matlab和PLECS的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）：110－112.