基于能力提升的電力電子技術課程改革和實踐

沈 霞

(西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500)

0 引言

電力電子技術課程是電氣工程專業的核心課程，是一門綜合的交叉學科。在智能電網、新能源變換、電力傳動以及航空航天、消費類電子電源等生產、生活領域都有著廣泛的應用[1]。課程不僅理論性強，對實踐的要求也很高。但目前電力電子課程存在前后知識點聯系不夠，實驗中存在實驗學時有限，學生安全意識不足等問題，同時由于和工程實際結合不夠緊密，導致分析問題能力培養困難，工程意識不足。

根據專業培養目標，分別從理論教學和實驗教學對課程不同方面進行探索，以學生的能力提升為目標，進行了一些教學改革。

1 課堂教學改革

根據新工科建設要求，以學生能力提升為建設目標[2-3]，從教學內容、教學方法方面進行了改革。

電力電子技術課程從內容上大體分為電力電子器件制造和變流技術兩部分，其中變流的實現既需要進行能量變換的主電路，也需要對開關通斷進行控制的控制電路。在課程結構上，首先是電力電子器件的學習，然后分為四章分別學習4種主電路，包括整流電路、逆變電路、直直變換電路和交交變流電路，最后是專門的脈寬調制控制技術的學習及其他相關內容的學習。由于主電路和控制電路分在不同的章節中進行，如果在學習時不加以引導，學生容易將主電路和控制電路割裂開來，因此，在授課中，注意將知識進行遷移，在進行閘管整流電路學習中，強調相位控制，在逆變等由IGBT構成的線路中，強調脈寬調制控制，注意構建電力電子系統概念。

其次是教學內容和工程實際結合。以控制的實現為例，教學中只在整流電路這一章對相位控制的具體電路進行過分析，分析了分立元件和集成芯片如何構成控制電路，但由于學時有限，這部分內容涉及較少，其他章節基本不涉及具體的控制電路的實現，使學生即使理解一些控制方法，但對于實際工程中該如何實現，仍然不太清楚，因此在課程中通過課后大作業的形式，設計一個具體電路的實現，涉及主電路選型，控制電路的實現，學生通過查找相關芯片資料，理解各引腳的作用。通過設計控制芯片外圍各典型參數，使學生理解如何通過具體電路實現對主電路控制。

2 實驗教學改革

電子技術屬于強弱電相結合的技術，實驗電壓高、電流大，對實驗的安全尤為重要，為此實驗設備考慮了各種過流、過壓保護，實驗室地面鋪設了橡膠絕緣墊，同時在實驗開始前要求對實驗安全進行預習，其中就包含安全相關規則的學習。但同學們對安全的重視程度仍然不夠高。為了讓老師和同學實驗安全更加重視，在進行實驗之前，學生和老師都需通過統一的實驗安全考試方可進入實驗室進行實驗，有效地保證了實驗的安全進行。

本校電力電子技術課程包含6學時的實驗學時。現有實驗學時不多，因此我們引入虛擬仿真軟件，對電路進行仿真分析，通過仿真讓同學們理解電路的原理，正確分析電路工作過程，并得到正確波形，同學們在進實驗室動手之前先通過仿真，加深對實驗原理的理解，觀測各重要變量的波形，再到實驗室動手，實驗效果更好。

圖1是PSIM仿真軟件中搭建的三相半波可控整流電路。

圖1 單相半波可控整流電路仿真原理圖

三相交流電壓通過三相的晶閘管的通斷把三相交流電加在電阻負載上面，通過對晶閘管控制信號相位的控制，實現對整流輸出電壓的調節。在進行電路分析和設計時，還需要求解晶閘管承受的電壓大小，因此晶閘管上的電壓波形圖也是需要關心的內容。雖然不同的觸發角得到不同的輸出電壓波形，但考慮到三相半波可控整流電壓觸發角為30°時是電路的臨界連續點，因此我們以此進行分析。

圖2輸入是三相頻率50Hz，線電壓有效值為100V的交流電，電阻性負載時的波形圖。其中Va、Vb、Vc分別是三相電壓波形，V2是a相觸發波形，觸發角為30°Vd和VVt1分別是輸出電壓波形和晶閘管Vt1的電壓波形。

通過實驗學生會發現觸發信號相對于a相的觸發角為60°，通過輸出電壓波形可以看出電路處于臨界連續狀態，而理論分析應該是觸發信號在30°時，電路處于臨界連續狀態，似乎和理論分析不一致，這時會引導學生思考，三相交流電路和單相交流電路的觸發角的起始點分別是多少，從而回顧三相電路和單相電路的觸發起點分別為正弦波的30°位置和0°的位置，說明雖然該圖中觸發信號相對a相雖然是60°，但計算觸發角時，該時刻是觸發角為30°的位置。通過理論分析，以及通過仿真原理圖和仿真波形的分析，鞏固所學知識，培養學生分析問題的能力。

圖2 單相半波可控整流電路臨界連續仿真波形圖

3 結語

電力電子技術是和工程緊密結合的學科，分別從課堂教學和實驗教學兩方面進行了改革和探索，培養了學生的工程意識，提升了學生的工程能力。通過實驗前先進行虛擬仿真，培養學生分析問題和動手解決問題的能力。