“電力電子技術”課程理論教學與案例分析

王琪　羅印升

摘 要：針對“電力電子技術”課程存在的課程框架體系不明確，教學目標模糊，教學內容較多，重難點教學難度大，教學理論化現象嚴重，實驗教學匱乏等問題，提出了一種理論教學與案例分析的方法。以課程中直流-直流升壓斬波電路為實例，對升壓斬波電力進行理論教學和基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件進行案例分析，使得學生深刻理解所學知識點，教學效果良好。

關鍵詞：電力電子技術；理論教學；案例設計；MATLAB/SIMULINK

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）02-0107-04

“電力電子技術”是一門新興的應用于電力領域的電子技術，即使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。“電力電子技術”應用非常廣泛，大到目前國內外高度關注的新能源發電設備，如太陽能光伏發電，小到日常生活中的手機充電器。“電力電子技術”是全國高等學校電氣工程及其自動化以及自動化等專業的專業必修課程，同時也是“電機學”、“伺服系統”和“電力拖動控制”等課程的先行課程。另外，電力電子作為電氣工程碩博士研究生招生的一個重要方向，其地位舉足輕重。針對“電力電子技術”課程教學存在的問題，結合筆者所在的以培養有特色高水平應用型人才的普通高等本科院校為例[1-2]，提出理論教學與案例分析的教學改革方法，旨在讓學生更加深刻地理解“電力電子技術”的知識，為日后從事相關研究或者技術工作奠定堅實基礎。

1 “電力電子技術”課程教學存在的問題

1.1 課程框架體系不明確，教學目標模糊

課程框架體系是任何一門課程在教學之前任課教師必須要了解的系統知識，任課教師了解了該課程在整個專業課程框架體系中的地位，才會有針對性地對課程進行系統全面的備課，制定完善的教學目標。“電力電子技術”在電氣工程及其自動化專業中地位突出，但是很多教師只是當作一門普通的專業課，導致該課程在整個專業課程框架體系中的地位不明確，從而制定的教學目標相對較模糊。

1.2 教學內容較多，重難點教學難度大

“電力電子技術”目前國內大多數院校都采用王兆安教授編寫的《電力電子技術》第5版教材，該教材中將課程分為十章內容，包括緒論、電力電子器件、整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、PWM控制技術、軟開關技術、電力電子器件應用的共性問題以及電力電子技術的應用，每一章內容都很重要，要在有限的學時內，將這十章內容教完，幾乎無法完成。面對這種情況，重難點教學尤為重要[3]。但是課程中的重難點又難以區分，每個知識點前后聯系緊密，學生理解不易。

1.3 教學理論化現象嚴重，實驗教學匱乏

“電力電子技術”屬于偏應用的課程，共分為十章內容，目前大多數的課時都中在理論教學，然而在理論教學時學生往往反映枯燥無味，難以理解。所以，等到實驗教學時，很多同學甚至連理論都不清楚，或者理論理解不透徹，導致自己動手實驗無法完成。再加上實驗課時少，實驗設備資源欠缺，整體實驗教學匱乏。

2 “電力電子技術”理論教學與案例分析

2.1 理論教學與案例分析教學改革方法介紹

針對第1節中“電力電子技術”課程教學存在的問題，在實驗教學課時有限的前提下，我們提出“電力電子技術”理論教學與案例分析教學改革方法，即在理論教學的基礎上，針對重難點知識，配備上典型案例分析。案例分析主要運用到MATLAB/SIMULINK仿真軟件， MATLAB/SIMULINK仿真軟件中具備搭建電路拓撲、設計控制程序以及對仿真結果進行測試等功能，結合各種仿真波形，讓學生更加形象直觀地理解重難點知識。理論教學與案例分析方法將學生所學的“電路原理”和“MATLAB課程設計”重拾，任課教師花費課外更多的時間來準備典型案例，在課堂上進行演示，學生課后可以重復教師演示的過程，將知識點進行鞏固。理論教學與案例分析方法激發了學生對“電力電子技術”課程的學習興趣，加深了學生對所學知識的理解，學生普遍反響較好。

2.2 理論教學與案例分析具體實例

以“電力電子技術”課程中直流-直流升壓斬波電路為實例，重點介紹理論教學與案例分析方法。圖1中為直流-直流升壓斬波電路拓撲結構，其中[E]為輸入直流電壓，[i1]為輸入直流電流，[L]為電感，[V]為開關管，[VD]為二極管，[C]為濾波電容，[R]為負載電阻，[ic]為控制信號，[uo]為輸出直流電壓。該電路的工作原理為：假設[L]和[C]值很大，當[V]處于通態時，電源[E]向電感[L]充電，電流恒定[I1]，電容[C]向負載[R]供電，輸出電壓[Uo]恒定。當V處于斷態時，電源[E]和電感[L]同時向電容[C]充電，并向負載提供能量[4]。

根據電路的工作原理，給出基本的數量關系，當電路工作于穩態時，一個開關周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等[5]，即

[ EI1ton=（U0-E）I1toff] （1）

化簡得：

[U0=ton+tofftoffE=TtoffE] （2）

公式（1）和公式（2）中，[ton]為開關周期內的導通時間，[toff]為開關周期內的關斷時間，顯然[T] / [toff] >1。因此輸出電壓[U0]大于輸入電壓[E]，達到升壓的目的。

在MATLAB/SIMULINK仿真軟件中搭建直流-直流升壓斬波電路，見圖2，電路拓撲結構與圖1中一致，開關管為IGBT。設置[E]=20V，[L]=1.5H，[C]=3F，[R]=10Ω，[T]=2s，[toff]=1s，升壓比[T] / [toff]=2，采用開環PWM控制方法生成[ic]。

按照公式（2），帶入各參數數據，計算得出[U0]=40V。MATLAB仿真結果如圖3-圖5所示，圖3為PWM控制信號，用來控制IGBT；圖4為輸入電壓，可以看出電壓值為20V；圖5為輸出電壓，穩定后電壓值在40V左右。不難發現，理論計算結果與仿真結果一致。

3 結論

本文總結了“電力電子技術”課程存在的課程框架體系不明確，教學目標模糊，教學內容較多，重難點教學難度大，教學理論化現象嚴重，實驗教學匱乏等問題，提出了一種理論教學與案例分析的方法。并以課程中直流-直流升壓斬波電路為實例，對該方法進行演示，得到如下結論：

（1）理論教學與案例分析方法在教學中可行，學生能深刻理解所學知識點，教學效果良好；

（2）理論教學與案例分析方法對“電路原理”和“MATLAB課程設計”等先前課程進行知識鞏固，進一步促進所學知識的運用；

（3）理論教學與案例分析方法可有針對性的進行推廣應用。

參考文獻：

[1] 楊益飛， 邢紹邦， 韓曉新， 等. “電機學”理論教學與實踐[J]. 江蘇理工學院學報， 2014， 20（6）： 81-85.

[2] 周小勇， 朱 雷， 劉素芬， 等. 應用型本科測控專業實踐教學體系探索與實施[J]. 江蘇理工學院學報， 2015， 21（6）： 142-145.

[3] 于冬梅， 韓曉新， 朱成喜. “DSP技術與應用”課程中實驗教學改革研究[J]. 江蘇理工學院學報， 2015， 21（2）： 116-120.

[4] 王兆安. 電力電子技術 [M]. 5版.北京： 機械工業出版社， 2013.

[5] 郭世明. 電力電子技術 [M]. 2版.成都： 西南交通大學出版社， 2008.

Theory Teaching and Case Analysis of Power Electronics Technology Course

WANG Qi， LUO Yin-sheng

（School of Electronic Information Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： Facing the problems of “Power Electronics Technology” course， such as ambiguous curriculum framework and teaching target， too much teaching content and teaching difficulty as well as theoretical teaching and lacking of experimental teaching， we present a method combining theory teaching and case analysis. Take the course of DC / DC boost chopper circuit as an example， we apply theory teaching and case analysis under MATLAB/SIMULINK simulation software. This method makes the students understand the knowledge points deeply， and the teaching effect is good.

Key words： power electronics technology； theory teaching； case analysis； MATLAB/SIMULINK

責任編輯 祁秀春