電力電子技術綜合創新性實驗教學改革

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，為學科競賽和畢業設計打下基礎。

關鍵詞：電力電子技術；綜合創新性；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的9門專業核心課程之一。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節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，培養學生的操作技能、創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節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節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，也缺乏個人發揮空間。

5.目前學生的畢業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，為學生的自由發展創造良好條件，而且可以提高實驗室的利用率，同時還開發了學生的潛力，為學校組織廣東省機電產品創新大賽、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

在全世界致力于發展低碳經濟的大環境下，高效節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節。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新大賽、全國電子設計大賽等各類型學科競賽培養人才，促進我院工科類教學質量的提高。同時也為學生的畢業設計打下良好的基礎。根據這幾年帶畢業設計的經驗，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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