基于任務驅動式教學的“電力電子技術”課程改革與實踐
——以“三相橋式全控整流電路”為例

張 寶，徐小軍，婁建國，戴文俊，梁繼俊

(淮南師范學院機械與電氣工程學院，安徽淮南 232000)

0 引言

“電力電子技術”是電氣工程專業的一門專業基礎課，涉及電子、電力和控制三個領域的新型工科技術，涉及的器件更新快，廣泛應用于通信、交通、國防、社會生活等方面.“電力電子技術”課程在當前的教學過程主要圍繞 “教”的過程，采用PPT展示與板書的方式對波形分析、電路講解，內容抽象，理論性強，而忽略了 “學”的重要性，學生被動的掌握，難以理解，缺乏興趣.

近年來，“電力電子技術”課程結合Matlab/Simulink軟件進行輔助教學已被廣泛運用[1]，Simulink具有豐富的仿真資源、設計簡單、可視化與直觀性強的特點.根據課程應用性強的特點，以實際工程為案例，提煉課程問題[2-7]，要求學生完成電路設計、仿真與分析，在教學過程中講解與分析，與學生深入交流探討，提高學生參與度，增加學生的積極性.本文結合“三相橋式全控整流電路”的教學案例闡述任務驅動式的教學方式在“電力電子技術”課程教學中的應用.

1 提煉學習任務

教師根據教學計劃和學生水平提煉教學重難點，結合工程案例提出問題并做簡單分析后給出仿真分析思路.學生根據老師的分析，結合課本知識，學習相關內容.學生利用所學知識解決具體工程問題，幫助學生更好的認識自己的價值取向以及思維方式，增加學生的求知欲，發揮學生的主動性.

以“三相橋式全控整流電路”的教學內容為例.在教學過程中，三相橋式全控整流電路的晶閘管通斷順序以及輸出電壓波形和電流流向問題是學生較難理解的內容.因此，讓學生通過仿真觀察便于理解，引用工程實例，要求學生完成預習.

圖1 電動挖掘機三相整流電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of three-phase rectifier circuit of electric excavator

工程中，常需要把三相交流電整流成直流電，驅動直流負載.在礦用電動挖掘機的發電機組中主要采用三相橋式全控整流方式把三相交流電轉成直流電提供電動機運轉[8-9]，本文采用12個晶閘管組成的整流電路改變輸出電流的方向，實現電動挖掘的直流電動機正反轉，其中6個晶閘管實現電流正向輸出，另外6個晶閘管實現電流反向輸出.在講述礦用電動挖掘機的基本工作過程后，給學生提出學習任務，要求學生利用Matlab/Simulink軟件搭建出礦用電動挖掘機的發電機整流電路仿真模型，試對仿真做簡要分析.給出發電機電路圖如圖1所示，提示學生根據單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路設計分析，觀察輸出電壓電流波形.

2 三相橋式全控整流原理講解

圖2 三相橋式全控整流電路的原理圖Fig.2 Schematic diagram of the three- phase bridge fully controlled rectifier circuit

整流電路是電力電子課程的教學重點，其中三相橋式全控整流電路又是整流電路的難點.在教學安排上，老師先給出三相橋式全控整流電路的原理圖，如圖2所示，把晶閘管VT1、VT3、VT5的陰極接在一起構成共陰極組；把晶閘管VT4、VT6、VT2的陽極接在一起構成共陽極組.再分別討論帶電阻負載和阻感負載時的工作情況，由于篇幅限制在這里不給出輸出電壓電流波形，可以參考機械工業出版社出版由王兆安等編寫的《電力電子技術》教程[10].觸發角分別為α=30o和α=60o時電阻負載和阻感負載的輸出電壓波形完全相同；α=90o時輸出電壓波形發生了變化，向學生提問發生變化的原因，以及帶電阻負載和阻感負載時的電流波形都不相同的原因，再給出解釋原因是由于電感具有儲能以及阻礙電流變化的特性，當電壓發生過零變化時，電流不能突變并沒有過零，同時電感可以向晶閘管提供維持導通的能量，所以阻感負載在α=90o時輸出波形有負電壓，電感先儲能再穩定不變，輸出電流恒定.由于電阻負載不具備儲能作用所以在觸發角α=90o時沒有負電壓，輸出電流變化趨勢與電壓變化相同.

3 整流電路仿真分析

圖3 Simulink仿真環境下建模分析基本流程Fig.3 The basic flow of modeling and analysis in Simulink simulation environment

Matlab/Simulink環境下的電力系統仿真模型庫Sim-Power System可以用于電力電子電路建模仿真，操作簡單，可以把抽象的公式轉化成圖形顯示，利用萬用表或示波器觀察各點電壓電流信號，有利于學生仿真練習.運用Simulink仿真環境建模分析流程如圖3所示.

由于學生根據任務要求，完成仿真模型的搭建并做簡要分析，對三相橋式全控整流仿真有了初步了解.在講解上述三相橋式全控整流電路原理時，學生理解相對容易，提高了聽課注意力，有利于知識的講解.

課堂上老師借助Matlab/Simulink演示搭建三相橋式全控整流電路仿真如圖4所示，設置相應參數.通過改變晶閘管的觸發角，一個工作周期內的電壓、電流波形變化顯著.取α=30o，α=60o，α=90o時的整流輸出電壓波形如圖5、圖6所示，可以看出仿真得到的波形與理論分析波形完全相同，說明理論分析的正確性.學生可以在同時利用仿真軟件演示驗證過程中，驗證自己的學習成果的正確性.以直觀生動的觀察改變觸發角引起的輸出波形的變化，可以很好的吸引學生的注意力，通過演示刺激提高學習興趣.

圖4 三相橋式全控整流電路仿真模型Fig.4 Simulation model of three-phase bridge-type full圖5 帶電阻負載時輸出的電壓電流波形Fig.5 The output voltageand current waveforms witha resistive loady controlledrectifier circuit圖6 帶阻感負載時輸出的電壓電流波形Fig.6 The output voltageand current waveformswith resistive load

4 仿真分析

通過對三相橋式全控整流電路內容的講解和仿真分析，學生可以很好地了解其工作原理.老師再利用Simulink軟件演示礦用電動挖掘機整流電路仿真模型的搭建，完成對預留任務的解答.電路主要采用12個晶閘管構成兩組三相橋式全控整流電路實現負載電流正反向，仿真模型如圖7所示，其中6個晶閘管組合構成電流正向輸出，另外6個晶閘管組合實現電流反向輸出，實現電動挖掘的直流電動機正反轉.設置晶閘管觸發角為30o，得到仿真波形如圖8所示.從圖8中可以看出利用三相橋式全控整流可以得到負載電流穩定輸出，達到挖掘機的持續穩定工作，通過改變正反向觸發得到正反向電流實現電機正反轉.學生認識到所學知識在實際工程中的運用，增加對專業知識的認同感.

圖7 電動挖掘機整流電路仿真模型Fig.7 Simulation model of rectifiercircuit of electric excavator圖8 礦用電動挖掘機整流電路輸出波形Fig.8 The output waveform of the rectifiercircuit of an electric mining excavator

5 教學改革效果

5.1 學生更易掌握教學內容

采用任務驅動式教學模式，教師圍繞如何完成電力電子技術教學任務進行設計教學內容，學生圍繞如何完成任務進行學習.教師教學思路清晰，學生學習目的明確，使學生更容易掌握學習內容.通過改革，試點班級對比其他班級的學生期末成績平均分高7.52分.

5.2 學生的主動參與意識得到了提升

學生的聽課、學習的積極性和主動參與意識增強，將任務與教學內容融合在一起，圍繞著“任務”主動參與交流、討論.培養了學生發現問題、解決實際問題的能力，充分激發學生的學習興趣，發揮學生學習的主觀能動性.有利于學生舉一反三、不斷創新.在后續課程中如電力電子技術實訓、電力工程仿真，教師反映試點班級學生動手能力、積極性、操作熟練性等明顯高于其他班級學生.

5.3 學生的技術能力得到了提高

學生的創新能力和綜合實踐能力得到了充分的發展，職業能力得到了提高.2019年經教學改革的兩個教學班72人，通過培訓后參加“西門子杯”智能制造挑戰賽、飛思卡爾智能車競賽與大學生電子設計大賽等比賽，獲得全國一等獎1項、全國二等獎2項、省特等獎1項、省一等獎8項、省二等獎7項與省三等獎3項的成績.

6 結語

結合工程運用提煉課程問題，布置學習任務驅動教學的方式，即讓大學生忙起來，符合教育部發布的《關于一流本科課程建設的實施意見》的新舉措；也培養了學生的實踐動手能力，使學生具備專業技能符合市場需求，提高學生的自我認知、提升處理工程問題的思維方式.

結合Simulink仿真的可視化、直觀性的特點，使學生提高了自學能力，增加了對電力電子技術課程的學習興趣.在教學過程中，老師經常對教學成果進行總結評價，反饋調整教學方法，修正、補充教學內容，優化課堂時間分配，整合教學內容，組織新的教學安排，最終達到提高教學質量的目標.