“電力電子技術”課程教學改革探索

摘要：針對“電力電子技術”課程教學過程中課時緊張、實踐性強等實際情況，在理論課和實驗環(huán)節(jié)進行了改革。首先強調(diào)實驗的重要性，加強理論和實驗的結合，部分實驗內(nèi)容可以安排在課堂上講解，而一些理論課內(nèi)容也可以安排在實驗室進行。另外充分利用仿真軟件進行輔助教學，加深學生對所學知識點的理解。通過初步的實踐探討取得了較好的教學效果。

關鍵詞：電力電子技術；實驗教學；計算機仿真

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎課，是一門理論與應用緊密結合、實踐性很強的課程，它是電子技術、控制技術和電力技術的交叉學科。該課程的目的和任務是使學生熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握各種電力電子電路的結構、工作原理、控制方法、設計計算方法及實驗技能；熟悉各種電力電子裝置的應用范圍及技術經(jīng)濟指標，培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的能力。因此，“電力電子技術”是一門實踐性很強的課程，很多概念和方法必須通過實踐環(huán)節(jié)才能很好地領會和掌握。為了提高“電力電子技術”課程的教學效果，必須將課程的理論教學和實驗教學真正地相互結合，相互滲透，才能使學生真正掌握電力電子技術的基本原理并能夠?qū)W以致用。另外結合當前的多媒體教學手段，利用Matlab等計算機仿真軟件進行輔助教學也是對傳統(tǒng)教學方法的有益補充。通過鄭州大學（以下簡稱“我校”）自動化專業(yè)“電力電子技術”課程的教學實踐，總結出了一些行之有效的的教學方法和教學手段，取得了良好的教學效果，以下是具體的做法和體會。

一、讓學生熟悉實驗儀器

工欲善其事，必先利其器。要想學好“電力電子技術”這門課，學生必須熟悉實驗裝置和相關的實驗工具，如萬用表和示波器等。在前面的課程中學生都已經(jīng)熟悉了萬用表的使用，而數(shù)字示波器功能較多，相對復雜，很多學生還不能熟練應用。

示波器是進行電力電子實驗不可缺少的工具，用它可以測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差等。例如在三相橋式可控整流電路實驗中，可以通過示波器觀察晶閘管的觸發(fā)脈沖信號、同步信號以及計算觸發(fā)角等。由于理論課時和實驗課時都很緊張，所以不可能拿出一次實驗專門讓學生學習示波器的使用。因此關于示波器的學習就放在平時的理論課和實驗課當中。例如把示波器的操作和使用制作成15～20分鐘左右的錄像在課堂上進行播放學習，學生也可以下載到自己的電腦上觀看，達到預習的效果。另一方面，在實驗當中，對示波器的學習應用也遵循循序漸進的原則，前面的實驗著重讓學生實踐示波器的基本應用，如怎樣調(diào)整水平刻度、垂直刻度和讀數(shù)，如何使用觸發(fā)控制等。在后續(xù)的實驗中可以逐步讓學生使用示波器的高級功能如測量信號的時間和電壓以及數(shù)學計算等。

因此，只有正確地使用示波器才能保證實驗的順利進行，尤其是利用雙蹤示波器測量信號時兩個探頭的地線一定要注意。由于兩個探頭的地線都與示波器的外殼相連接，所以兩個探頭的地線不能同時接在某一電路的不同兩點上，否則由于兩點的電位不同，將造成直接短路，造成實驗設備的損壞。所以必須找到兩個被測量信號的公共參考點，將探頭的其中一個地線接上即可。[1]如果兩個被測量的信號沒有公共參考點，例如在三相橋式可控整流電路中，要同時觀察晶閘管的觸發(fā)信號和整流輸出電壓信號，而這兩個被測量信號不共地，那么主回路信號必須經(jīng)過隔離變壓器隔離后分別接到示波器的一個探頭和對應的地線上，另一個探頭與其對應的地線則測量晶閘管觸發(fā)電路的觸發(fā)信號。因此，在學習和使用示波器中一定要求學生牢記這一點。

二、理論教學和實驗教學的結合

在“電力電子技術”這門課程的傳統(tǒng)教學當中，實驗和理論往往是分開的，由不同的老師負責。理論課老師只講解教材的內(nèi)容，實驗室老師負責實驗的完成，這就很容易造成理論教學和實驗教學的脫節(jié)。而“電力電子技術”是一門實踐性很強的課程，只有把理論教學和實驗教學緊密的結合起來，學生才能達到學以致用。這就要求在理論課當中要糅合進實驗的內(nèi)容，既講解相關知識點又進行實驗的預習，從而達到舉一反三的效果。教材上的理論結果通常是在理想條件下，各種輸出波形往往是理想波形，而實驗中的設備是面向?qū)嶋H的，觀察到的信號與教材上繪制的曲線在某些情況下不一致。老師在課堂上講解時要對理想情況和實際情況進行說明并解釋造成二者不同的原因。例如在直流降壓斬波電路這一節(jié)中，電路原理圖如圖1所示。[2]教材中二極管VD兩端電壓理想波形如圖2中UVD所示，UGE為開關管源漏極之間的電壓。當開關管導通時，UGE為低電平，二極管截止，兩端電壓等于電容C1兩端的電壓，而用示波器觀察實際電路中的二極管兩端的電壓波形如圖2中URVD所示，可以觀察到在電壓上升沿產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象。造成理想輸出波形與實際波形不同的原因就是當開關管不導通時，二極管VD在電感L2的感應電動勢的作用下續(xù)流導通，二極管的結電容進行放電，當開關管由關閉變?yōu)閷〞r，二極管VD兩端施加反向電壓，對二極管結電容進行充電，開始時刻會有較大的充電電流通過電感線圈L1，并逐漸減小，那么電感線圈L1與二極管VD的結電容就構成了振蕩電路并很快衰減為0。

作為實驗室實驗指導老師，在學生做實驗時不僅要完成實驗的講解和演示工作，而且應該把實驗當中所牽涉的知識點進行強調(diào)，對實驗當中接線容易出錯的地方要進行重點講解并解釋其中的原因，避免由于接線錯誤造成設備損壞，影響實驗的正常進行。對實驗當中觀察的現(xiàn)象與教材中不一致的地方向?qū)W生說明，并解釋其原因。學生在做實驗前必須做好預習準備，通常建議學生在做實驗前要有預習報告，提前對實驗的內(nèi)容進行理論驗證，對實驗當中的數(shù)據(jù)進行估計和計算，對實驗設備相應位置處的電壓或電流波形從理論上進行描繪，對實驗報告中的問題嘗試進行解答。[3]等到實驗室在實驗設備上做實驗時，就可以比較實際觀察到的數(shù)據(jù)是否同預習時所想的一致，如果不同，找出原因，增強對知識點的理解和認識。

三、實驗教學地點改革

“電力電子技術”是實踐性非常強的課程，如果條件允許可以把授課地點改在實驗室。利用實驗室現(xiàn)有的實驗設備，對課本中的基本原理進行演示和分析，提高學生對電力電子技術的感性認識，激發(fā)他們對這門課程的興趣。但大多實驗室空間有限，學生又非常多，所以這種想法不容易實現(xiàn)。可以充分利用現(xiàn)代多媒體教學手段，先對理論課上講授的內(nèi)容在實驗室實驗設備上進行操作演示，并用錄像設備進行錄像，然后到教室上課時適時進行播放。錄像的時間不能太長，重點錄制內(nèi)容是實驗設備的介紹、實驗線路的連接、實驗操作過程及實驗結果。[4]例如在三相橋式可控整流電路中這一節(jié)中，到實驗室進行錄像時，對三相橋式主電路，觸發(fā)脈沖電路和電路之間的連接進行介紹，然后觀察觸發(fā)脈沖信號與同步信號之間的關系，調(diào)節(jié)觸發(fā)角分別為0、30、60、90、120度時觀察A相電壓波形和整流輸出電壓波形及輸出電流波形。對比示波器顯示結果與教材上波形圖的異同。錄像的播放時間可以放在該知識點講解之后，一方面增強學生對電力電子設備的感性認識，另一方面可以充實授課內(nèi)容，調(diào)節(jié)課堂氣氛，改善教學效果等。

四、計算機仿真軟件在教學中的應用

把計算機仿真軟件應用到“電力電子技術”課程的教學中也是很好的教學方法。目前廣泛應用的仿真軟件有pSpice和Matlab兩種。首先根據(jù)實際的電力電子線路在仿真軟件上搭建仿真模型，從設計電路到仿真及數(shù)據(jù)分析等都可以在課堂上進行，并且計算機仿真軟件提供了方便的界面和各種工具，能夠觀察到各個環(huán)節(jié)各個物理參數(shù)的仿真結果，教學效果好。其次在計算機仿真軟件中更換電子元器件要比實際設備上更換容易得多，只需要在軟件中更改元件的參數(shù)即可實現(xiàn)，因此，如果觀察電路當中某些物理參數(shù)對系統(tǒng)輸出量的影響，只需要對比不同物理參數(shù)值時系統(tǒng)的輸出就可以了。[5]圖3為三相橋式可控整流電路的Simulink仿真模型，該模型能夠動態(tài)設置觸發(fā)角，觀察橋式觸發(fā)電路中的各個觸發(fā)脈沖以及整流輸出電壓和電流的波形。模型中Synchronized 6-Pulse Generator模塊為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊，可以觀察觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)中各個環(huán)節(jié)的波形。

但需要注意的是，計算機仿真軟件的仿真結果與實際的設備運行結果在某些情況下是不同的。因為計算機仿真軟件往往是在理想情況下仿真的，而實際設備并不是理想的模型，而且實際設備工作中存在各種干擾等因素，所以對計算機仿真軟件的應用重點放在基本理論原理的仿真上。

五、結論

“電力電子技術”課程改革的關鍵是要把教學環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)作為一個有機的整體來看待。兩年的實踐表明，采用這些方法能夠增強學生的學習主動性，激發(fā)他們的學習興趣，提高學生分析問題、解決問題的能力以及動手實踐能力，為培養(yǎng)應用型本科人才奠定良好的基礎。

參考文獻：

[1]廖德利，李先允.應用型本科“電力電子技術”實驗教學探討[J].中國電力教育，2010，（28）：122-124.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]王明彥.“電力電子技術”實驗環(huán)節(jié)開展研究性教學的探索[J].中國電力教育，2009，（5）：137-139.

[4]張紅梅，張慶新，許謹.《電力電子技術》課程教學改革的探索[J].實驗室科學，2008，（3）：17-19.

[5]潘海鵬，雷美珍，等.“電力電子技術”課程實驗教學改革與探索[J].合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2010，24（1）：105-108.

（責任編輯：宋秀麗）