啟發式教學法在《電力電子技術》教學中的應用

李莉　任國華

摘要：本文采用啟發式教學法講解降壓直流斬波電路，將知識點從學生已知的電路一步步通過提問問題，導出降壓斬波電路的結構及工作原理，最后通過實驗深化知識點——通過直流斬波電路可以實現直流電動機的無級調速。整個過程大大提高了學生的學習積極性。

關鍵詞：啟發式教學;降壓斬波電路;實驗;直流電動機;無級調速

一、“電力電子技術”課程介紹

“電力電子技術”課程是我國高等職業院校電氣自動化技術專業的專業必修課程，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。主要講述了各類電力電子半導體開關器件的名稱、符號和使用條件，以及各類電力電子變換電路的結構、工作原理及應用場合等，本課程為后續課程“變頻技術”和“電氣自動化專業實訓”打下良好的基礎。“電力電子技術”具有很強的理論性和實踐性，是一科涉及電力技術、電子技術、控制技術的交叉學科，是一門新興的技術。

二、學生學習現狀

高職院校的學生大多喜歡動手操作比較多的實訓課程，因為實訓結果能很快的顯現出來，從而帶來學習的成就感。而對比較復雜的理論知識，大部分學生學習起來感覺比較吃力。

“電力電子技術”課程中的電力電子變換電路，涉及到電路結構分析和電路輸入，輸出波形的變換，這對高職的學生來說學習難度頗大，普遍反映電路分析和波形變換太抽象，影響學習的積極性。

對此，需要對傳統的教學方法進行改進，本文以降壓直流斬波電路為例，采用啟發式教學方法講解，并在講解完成后及時讓學生做實驗以驗證結論，取得了比較好的教學效果。

三、啟發式教學法講解降壓直流斬波電路

人們在生產和生活中需要用到各種各樣的電源，可調的直流電源可以方便的實現直流電動機的無級變速。直流斬波器就是將恒定的直流電壓，通過電力電子器件的開關作用，變換為可調直流電壓的裝置。首先給學生引入下列電路來講解：

（一）初中所學的簡單電路

初中所學的簡單電路如右圖1所示，電路中有直流電源E，開關K1，白熾燈L做為負載。分析電路如下：

當開關K1閉合時，白熾燈L兩端電壓 ;

當開關K1斷開時，白熾燈L兩端電壓 ;

這個電路大家都會分析，與學生產生共鳴，提高學生的積極性。

圖4

（二）升級電路

電力電子器件包括不可控的電力二極管，半控的晶閘管及其派生器件，還有全控型的電力晶體管，門極可關斷晶閘管，電力MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管等。這些電力電子器件的本質就是開關，以絕緣柵雙極型晶體管IGBT為例，當IGBT的柵極和發射極之間加正向電壓，集電極和發射極間加正向電壓時，IGBT的集電極和發射極間相當于開關閉合，閉合壓降很小;當柵極和發射極間電壓小于等于零時，IGBT的集電極和發射極間相當于開關斷開。所以上圖1所示中的開關我們可以用絕緣柵雙極型晶體管IGBT來代替，稱為斬波器件CH。

白熾燈泡兩端電壓和流過它的電流同相位，其本質為電阻性負載。但是實際中，直流電動機作為負載的情況更多，其本質為電感與電阻串聯的感性負載。所以我們可以用電感與電阻串聯代替上圖一中的白熾燈泡，這樣，電路圖變為如圖2所示。

分析電路如下：

當斬波器件CH導通時，忽略IGBT的導通壓降， ;

當斬波器件CH斷開時，負載兩端電壓 ;

圖2

問題：由上圖2的分析可知，當斬波器件CH斷開時，電路電流為零。而電感性負載大多為電動機負載，流過電動機負載的電流如果時斷時有是會損害電動機特性的，所以上述電路結構對電動機負載來說是有缺陷的，那么應該如何改進呢？加入續流二極管！由此引入本次課的正題——降壓式直流斬波電路。

（三）降壓斬波單路

圖3

降壓斬波電路的電路結構如圖3所示。

分析電路如下：

1、當斬波器件CH導通時，二極管VD承受反向電壓截止，等效電路如下圖4所示。若假設理想情況下，斬波器件導通壓降可以忽略不計，則有： ;;

2、當斬波器件CH截止時，續流二極管開始導通，等效電路如下圖5所示。此時有： ; ; 電感中儲存的能量通過續流二極管組成的閉合回路釋放，使負載中依然有電流流過。

圖4圖5

在斬波器件CH的集電極和發射極間加正向電壓的情況下，其導通和截止受柵極和發射極間電壓的控制，此電壓可以由單獨的控制電路來實現。假設0— 時刻，斬波器件CH閉合導通; —T時刻，斬波器件CH斷開，如此周期性的閉合和斷開CH（周期為T），則可把輸出端的電壓 隨時間變化的情況用波形表示出來，如右圖6所示：

根據前面所學，我們可以求出圖6的平均電壓值為：

;

令占空比 ，則 ;

當 不變， 改變時，占空比D變化，則 變化，如果給直流電動機供電，則電動機轉速可調。

圖6

又根據斬波器件CH導通時間必小于等于周期T可知， ，則有： ，這就是降壓斬波電路的工作原理。

四、實驗深化降壓斬波電路結論

采用啟發式教學法將降壓直流斬波的理論講解完畢后，讓學生在實驗臺按照電路圖接線，接線時將直流電動機也串聯入負載電路中，斬波器件CH的柵極和射極之間加入PWM輸出波形，旋轉旋鈕，改變PWM輸出矩形波的占空比，則可以改變斬波器件的導通時間，即圖6中的占空比D發生改變，根據公式 ，從而負載端的平均電壓改變，電動機的轉速也在改變。學生可以通過調節旋鈕很方便的看出電動機轉速的變化，加深了對直流斬波電路可以實現直流電動機無級調速的認識。

五、延伸問題

學生在實驗過程中，還可以通過提問以下問題加深學生對課程知識點的理解：

1、電路里的電阻值R如果采用滑動變阻器，改變電阻的值，也可以影響直流電動機的轉速嗎？為什么？

2、我想觀測負載兩端的電壓值，可以采用什么設備？如果采用萬用表，那應該打到哪一檔，屏幕上顯示的是什么值？如果采用示波器，那示波器上的波形應該是什么樣子的？

3、我想監測流過負載的電流波形，應該用什么設備？示波器只能直接測量電壓波形，能用它來測量電流波形嗎？

通過實驗，學生會知道三個問題的答案：電路里的R阻值越大，電動機轉速就越慢，這是因為電阻R阻值越大，R兩端電壓就越高，流過電動機的電流就會變小，從而速度就減慢;如果電阻R過大，導致電路里的電流過小，則電動機可能就啟動不起來。

如果采用萬用表測負載兩端的電壓值，則應打到直流電壓檔位，此時測得的是負載兩端的平均電壓值。如果采用示波器測量負載端的電壓，則電壓波形應該如上圖六所示的矩形波。

如果想檢測負載端的電流波形，則可以用示波器測量電阻兩端的電壓波形，對電阻而言，電壓波形和電流波形同相位，只是在數值上電流值等于電壓值除以電阻值，所以電流波形的形狀和相位可以通過電阻兩端電壓波形來等效。

六、結論

在講解降壓直流斬波電路中，采用啟發式教學法，理論知識點環環相扣，緊湊而有序，最后又有實驗深化理論，形象生動，學生的學習積極性得到很大提高，取得了不錯的教學效果。

作者簡介：李莉：濟南職業學院、副教授、研究方向：電氣自動化技術。任國華：濟南職業學院、講師、研究方向：電氣自動化技術。