電力電子技術綜合創(chuàng)新性實驗教學改革

劉金華　朱春媚

摘要：針對本校現有的電力電子實驗裝置不能滿足學生實驗要求現狀，提出了電力電子技術綜合創(chuàng)新性實驗教學改革。本文闡述了教學改革的內容、具體改革實施方案與方法。本教學改革的實施增強了學生獨立進行硬件電路制作的能力，為學科競賽和畢業(yè)設計打下基礎。

關鍵詞：電力電子技術；綜合創(chuàng)新性；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0209-02

《電力電子技術》是本校自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)的9門專業(yè)核心課程之一。電力電子技術跨“電力”、“電子”和“控制”3個領域，是“弱電子”對“強電力”實現控制的橋梁和紐帶。該課程的實踐性非常強，很多概念和方法必須通過實踐環(huán)節(jié)才能較好地領會和掌握。在做好理論教學的同時，加強實驗教學非常重要。實驗教學對幫助學生理解和鞏固課堂理論知識，培養(yǎng)學生的操作技能、創(chuàng)新意識和探索精神具有重要的作用。在工程實踐中，該課程始終呈現高速發(fā)展趨勢，不斷有新的器件、新的電路拓撲結構與新的控制方法問世。這些因素決定了對該課程的實踐環(huán)節(jié)進行改革是非常必要的。

一、教學改革背景

目前我院在電力電子技術實驗教學環(huán)節(jié)中仍在使用某公司的“TKDD一1型電力電子技術及電機控制實驗裝置”，該實驗裝置經過多年使用，器件老化，存在如下問題：

1.故障率高，燒壞設備的情況經常出現，如直流斬波電路的MOSFET管子經常燒壞，概率幾乎達到100%，做完一組下一組幾乎沒法做，三相全控整流電路的晶閘管也有類似情況。

2.實驗數據與理論值之間的誤差很大，嚴重影響了實驗效果，如控制角α的調整范圍很窄，無法實現逆變，這些實驗參數廠家也無法完全修復。

3.能做的實驗數量少，而且多數為驗證性實驗，學生只能被動地接受實驗結果，學習興趣不大。

4.現有的實驗設備是模塊化、封閉的實驗箱，學生在上面進行接線、用示波器觀察波形，測試數據，能夠理解基本電力電子電路的原理和工作過程，但是對電力電子實際元器件電路缺乏直觀的認識，也缺乏個人發(fā)揮空間。

5.目前學生的畢業(yè)設計面臨硬件電路制作無從下手的局面，所以必須進行前期積累，掌握基本的硬件電路制作方法，為以后畢業(yè)設計制作綜合性電路打下基礎。

二、教學改革的內容

1.保留必要的驗證性實驗。在實驗初級階段，學生剛接觸電力電子技術實驗，對實驗設備和儀器還很陌生，此時采用傳統(tǒng)的“老師講、學生聽”的方式，通過教師操作演示給學生看，對學生掌握實驗設備和儀器的正確使用方法、強電實驗中安全用電的基本知識和注意事項以及進行規(guī)范操作很有好處。

需要根據現有設備的情況以及該實驗課程特點，確定3個驗證性實驗，最好包括整流、斬波、調壓、逆變四個基本電路拓撲。

2.開展綜合創(chuàng)新性實驗教學改革。該課程是一門實踐性非常強的課程，需要學生熟悉常用電力電子仿真軟件的使用、常用的元器件及選型、掌握高頻變壓器的繞制、高頻電感的制作、熟悉電路原理圖繪制、熟悉電路板布線及制作、掌握常用的硬件電路調試方法，最后完成電力電子電路制作的完整工藝流程。

根據學生的情況分為兩個層次：

第一個層次：欠缺電路制作經驗的學生選作教師提供的課題；

第二個層次：有基礎的學生可以自主設計產品。設計過程中教師要給予一定的指導，學生可自行查閱資料，購買元器件，設計、焊接和調試電路。學生在采購元器件的過程中了解了元件的參數和特性，在調試過程中學會了使用示波器等設備，培養(yǎng)了分析問題、解決問題的能力，這樣做不僅有利于因材施教，為學生的自由發(fā)展創(chuàng)造良好條件，而且可以提高實驗室的利用率，同時還開發(fā)了學生的潛力，為學校組織廣東省機電產品創(chuàng)新大賽、全國電子設計大賽、機器人比賽、三菱自動化杯等培養(yǎng)人才。

三、具體的實施方案與方法

該實驗課總共16個學時，其中一部分為基本的驗證性實驗，另外的學時作為綜合創(chuàng)新性實驗，學生分組進行電力電子實際電路的制作和調試，每組（2～3人）上交一個電路作為考核依據，并每人提交綜合創(chuàng)新性實驗報告一份。學生需要完成以下工作：原理電路仿真、電路拓撲確定、元器件參數計算及選型、元器件清單列表、高頻變壓器繞制或者電感繞制、原理圖繪制、電路板布線、電路焊接、電路調試，從而掌握電力電子電路制作的完整過程。

1.2013—2014年第1學期在11自動化A、B班做過初步嘗試，已經采用其中的8個學時做了綜合創(chuàng)新性實驗教學改革，學生能夠初步掌握高頻變壓器的繞制，接近60%的同學能夠焊接并調試出開關電源（輸入85～220V，單輸出或者雙輸出10～24V）電路，11自動化B接近80%，初步達到目的，但仍然存在如下關鍵問題：因為輸入電壓過高的原因，出于安全性考慮，所有的電路調試都是老師在場進行調試的，學生沒有掌握硬件電路調試的要點，這是下一步必須改善的地方；

2.2014—2015年第1學期實施方案：在12自動化3個班進一步開展綜合創(chuàng)新性實驗教學改革，合理確定題目，降低輸入電壓要求，實現36V以下安全電壓輸入，目標是實現90%以上的學生能自主繞制高頻變壓器或者高頻電感、焊接、調試電路，并且形成積累，為相關學科競賽培養(yǎng)和物色人才。

3.2015—2016年第1學期實施方案：在13自動化1個班、電氣工程及其自動化2個班進一步開展綜合創(chuàng)新性實驗教學改革，在前兩輪改革的基礎上，可以增加題目的數量，優(yōu)化題目的內涵，目標是學生的作品可以參加學科競賽。

四、實施案例

在全世界致力于發(fā)展低碳經濟的大環(huán)境下，高效節(jié)能的高頻開關電源具有廣闊的市場，高頻化、高效率、小型化和綠色化是高頻開關電源的發(fā)展趨勢。針對本校學生的特點和接受能力，考慮安全性的前提下，制作小功率輔助開關電源，輸入為36V直流電，輸出為5V直流電，選用PI公司的DPA-Switch系列，基于PI Expert v9.0進行電路設計。

1.電路原理圖和PCB圖紙。設計的DC/DC 5V高頻開關電源以DPA422為核心控制芯片，將220 V高頻MOSFET與全部控制和故障保護電路集成在一起的單片IC，具有較寬的直流電壓輸入范圍（16 VDC至75 VDC），開關頻率可選300/400 kHz。高頻開關電源原理圖如圖1所示，PCB圖紙如圖2所示。

2.電路制作和調試。高頻變壓器的繞制是整個硬件電路制作的關鍵環(huán)節(jié)。圖3是高頻變壓器繞制的電特性原理圖。分為初級繞組、次級繞組和偏置繞組。圖4是輸出電壓的測試結果。

五、結論

本教學改革以11級、12級、13級自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)的學生為教學改革的對象，完成電力電子電路制作的完整工藝流程。為學校組織廣東省機電產品創(chuàng)新大賽、全國電子設計大賽等各類型學科競賽培養(yǎng)人才，促進我院工科類教學質量的提高。同時也為學生的畢業(yè)設計打下良好的基礎。根據這幾年帶畢業(yè)設計的經驗，很多學生到大四都無法獨立進行硬件電路制作，只是停留在簡單的電裝實習階段，所以一到畢業(yè)設計，遇到綜合性較強的硬件制作，根本無法下手。通過此訓練，這種情況將會得到較大改善。

參考文獻

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