案例教學法在《電力電子技術》課程教學中的應用研究

東莞理工學院　張　志

?

案例教學法在《電力電子技術》課程教學中的應用研究

東莞理工學院張志

“電力電子技術”課程是一門實踐性很強的專業(yè)課程，同時也是電氣控制類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程。針對該課程實用性較強、電路種類較多、學生難以理解等問題，本文以案例教學的方式，在電力電子技術教學改革實踐中進行了應用研究。通過實踐案例可以學生更全面深入地理解和掌握“電力電子技術”課程內容，同時對豐富課程教學手段、提高教學質量、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。

電力電子技術；案例教學；教學改革

“電力電子技術”是高校電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課程，具有較強的理論性和實踐性，同時也是一門涉及電力技術、電子技術、控制技術相結合的交叉學科，它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的一門新興技術，具有較強的實用性及廣泛的應用領域和前景。

一、案例教學法在《電力電子技術》課程中實施的必要性

由于“電力電子技術”具有實踐性較強的特點，其課程實驗是培養(yǎng)學生分析和解決問題的關鍵環(huán)節(jié)，對提高學生動手實踐能力的具有很大作用，同時也是提高學生認知能力和理論水平的重要途徑。目前傳統課程教學存在實驗學時較少、實驗設備緊缺、實驗內容陳舊、教學方法落后和教學手段單一等缺點，影響和制約教學質量，不利于學生綜合素質的提高和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。將案例教學方法引入到教學和實踐環(huán)節(jié)，不僅可以驗證課堂理論教學內容，同時也可以讓學生動手設計和開發(fā)新型電路，對提高學生的思維能力和動手能力具有較大幫助。

“電力電子技術”課程的核心內容是變流技術和控制技術，包括整流電路、逆變電路、直流斬波電路和交交變頻電路這幾個模塊。通過案例教學，希望能達到以下教學目的：1）使學生掌握電能高效率變換與控制方面的知識。2）培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。3）訓練和培養(yǎng)學生利用電力電子器件對電能進行變換和控制，能主動探索、積極創(chuàng)新。

二、案例教學法的實施步驟

（1）案例教學的提出。課堂教學依然是整個教學活動的主體部分，按照整本教材的內容，我們將電力電子技術課程分為四個教學單元，每個教學單元設計一個工程案例，同時將工程案例與課程的知識點結合起來。隨著電力電子技術的發(fā)展，需及時更新案例，尋找更為典型或更具代表性的案例，同時案例設計不能太過簡單，同時也不應難度太大，否則容易導致學生失去動手的興趣。根據本課程的內容，作者設計了四個工程案例：直流升壓或降壓（boost或buck）變換器、單相全橋逆變器、單相有源功率因數校正和晶閘管相控交流變換器。

（2）案例的選擇。根據課程的教學大綱，對應每個教學單元，將同學分為6個小組，每個小組選擇兩個工程案例，設置兩個負責人，負責工程案例的統籌安排，每個工程案例實施的時間為6個星期。課堂上，務必要將案例所涉及的基本概論、原理和設計步驟進行詳細闡述。

（3）案例的具體實施。為了讓學生更好的理解案例工作的基本原理，針對每個案例，要求學生先利用MATLAB或PSIM軟件進行仿真。在項目實施的過程中，學生可以利用仿真軟件來驗證不同控制方式、各種電路拓撲或調制方式的正確性和可行性，并由此將方案基本確定下來。

（4）案例結果考核。案例結果考核是整個案例教學中重要環(huán)節(jié)，分為兩個階段考核，中期考核和期末考核。中期考核主要已報告的方式，課題組推薦一位報告人，報告人利用10分鐘的時間做中期匯報，課題組其他參與人討論案例的合理性以及進度，有報告人進行解答。期末考核安排在學期末，每個小組提交一份案例作品，課題組每個人提交一份小論文，小論文應該以每個學生在整個案例中所作的工作來撰寫。根據案例的完成情況，適當給出學生的平時分。

圖1　降壓斬波電路

案例舉例：

筆者在教學過程匯總設計了幾個案例，已直流斬波電路和單相有源功率因數校正為例進行介紹。

（1）直流斬波電路是電力電子技術教學的重點內容，包括Buck降壓斬波電路、Boost升壓斬波電路、Buck-Boost升降壓斬波電路、Sepic斬波電路、Cuk斬波電路和Zeta斬波電路等。本案例以Buck降壓斬波電路為例，設計指標為：1）采用單片機進行脈寬調制（PWM）控制，拓撲采用Buck電路降壓拓撲結構；2）輸入直流電壓為24V；3）使用MOSFET開關管，開關頻率為10kHz，并設計MOSFET開關管的驅動電路、濾波電感、輸出電容；4）輸出直流電壓12V，紋波小于5%，負載接電池，則需要實現恒流恒壓充電功能。要求先對原理進行仿真驗證（用MATLAB或PSIM軟件），最后給出實物。

圖1是降壓斬波電路的電路圖及工作模式分析，由電源、MOSFET、續(xù)流二極管VD、電感L、電組R等元件構成。

經過資料查找、老師指導，學生給出了系統控制框圖如圖2所示。

圖2　系統控制框圖

如圖2所示，采用恒流充電時檢測電感電流，為維持電池組電流恒定，讓電流設定值Iref與反饋電流值Ifeb進行PI調節(jié)，控制主開關管S；恒壓充電時控制電池組電壓，為維持電池組電壓恒定，電池組電壓設定值Vref與電池組電壓反饋值Vfeb進行PI調節(jié)，控制主開關管S。

最后，學生采用DSP28035作為主控芯片，采用MOSFET作為降壓斬波電路的開關器件，選用TLP3120作為功率管驅動芯片。

（2）單相有源功率因數校正

單相有源功率因數校正內容同樣是電力電子技術課程中典型的功率因數校正電路，具體電路見圖3，設計指標為：1）輸入電壓為80V～130V。2）輸出功率200W。3）采用平均值控制方式或峰值電流控制方式。4）要求輸入功率因數達到0.90以上。要求先對原理進行仿真驗證（用MATLAB或PSIM軟件），最后給出實物。

圖3　單相有源功率因數校正主電路圖

圖4　系統控制框圖

如圖4所示，采用電壓外環(huán)電流內環(huán)雙環(huán)控制，為維持母線電容電壓恒定，通過參考值與電容電壓值相比較，經過PI調解器，然后乘以輸入電壓同相位的正弦表，形成內環(huán)電流參考值，最后與電感電流比較，經過PI調節(jié)器，形成開關管脈沖信號，控制開關管S。

三、結束語

通過工程案例教學方式，將課程中分散學習的知識結合起來，調動了學生的積極性，培養(yǎng)了學生解決實際技術問題的思維方式，增強了對本專業(yè)知識學習的積極性，同時也提高了學生的專業(yè)技術能力，當然，如何選擇更具典型的工程案例，如何進一步優(yōu)化案例的實施過程，仍需更深入的探索。將工程案例引入到“電力電子技術”課程教學中，是對傳統教學方式的一種有效補充，也有助于增強學生學習興趣，提高教學質量，培養(yǎng)高素質工程技術人才。

［1］黃俊，王兆安.電力電子技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］李鵬飛.工程案例在“電力電子技術”課堂教學中的應用探索［N］，中國電力教育，2011（5）.

張志（1981-），男，湖南華容人，博士，高級工程師，研究方向：電力電子裝置系統及控制。