面向新工科的“電力電子技術(shù)”教學(xué)方法探索

郭磊磊 李琰琰 鄭安平 金楠 武潔 竇智峰

[摘 要] 該文探討了基于Matlab/Simulink的電力電子技術(shù)教學(xué)方法，以克服常規(guī)教學(xué)方法存在的諸多問題，提高電力電子技術(shù)的教學(xué)效果，并切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)分析和解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。

[關(guān)鍵詞] 電力電子技術(shù);新工科;Matlab/Simulink;復(fù)雜工程問題

[基金項(xiàng)目] 2020年度河南省新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向新經(jīng)濟(jì)的電氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革探索與實(shí)踐”（2020JGLX050）;2019年度鄭州輕工業(yè)大學(xué)第五批青年教師教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“工程認(rèn)證背景下電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2019JG03）

[作者簡(jiǎn)介] 郭磊磊（1987—），男，河南新鄉(xiāng)人，博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)講師，主要從事電力電子技術(shù)理論與實(shí)踐教學(xué)方法研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）38-0303-02? ? [收稿日期] 2020-04-08

近年來，在新工科、新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)快速發(fā)展的背景下，相對(duì)于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展而言，國內(nèi)部分高校的電力電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容與方案依然陳舊，無法實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)代的發(fā)展。因此，在工程認(rèn)證和新工科教育發(fā)展背景下，如何培養(yǎng)電力電子技術(shù)專業(yè)人才，滿足企事業(yè)單位對(duì)高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才的迫切需求，成為亟待解決的關(guān)鍵問題[1]。

以下以鄭州輕工業(yè)大學(xué)的電力電子技術(shù)教學(xué)為例進(jìn)行介紹。目前，我校的電力電子技術(shù)專業(yè)課主要覆蓋了電氣信息工程學(xué)院的電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等多個(gè)專業(yè)近300名學(xué)生。然而，現(xiàn)有的電力電子技術(shù)教學(xué)過程中還存在諸多問題，如下所述：

（1）過度理論化的教學(xué)存在內(nèi)容枯燥、無法吸引學(xué)生興趣等缺點(diǎn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。

（2）教學(xué)內(nèi)容陳舊，無法實(shí)時(shí)跟蹤現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生接受的知識(shí)不能聯(lián)系實(shí)際。

為了切實(shí)提高我校電力電子技術(shù)的教學(xué)效果，提高學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和研究電力電子技術(shù)的能力，增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，本文探討了基于Matlab/Simulink的電力電子技術(shù)教學(xué)方法[2]，并以降壓型（Buck）DC/DC電路為例進(jìn)行了介紹。

一、DC/DC變換器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

為了吸引學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)解決復(fù)雜工程問題的能力，可以將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起。例如，DC/DC變換器在我們的生活中就擁有非常多的實(shí)際應(yīng)用，包括手機(jī)充電器、筆記本電腦電源適配器等。因此，可通過對(duì)手機(jī)充電器的工作原理進(jìn)行介紹，加深學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、Buck型DC/DC變換器

常用的Buck型DC/DC電路如圖1所示[3]。電力電子技術(shù)中專門對(duì)該電路拓?fù)涞墓ぷ髟磉M(jìn)行了介紹，并通過理論分析得到了輸入輸出電壓和電流波形，從而解釋了其實(shí)現(xiàn)直流電壓變換的基本原理。

然而，純粹的理論教學(xué)無法吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的方案固然可以提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)一方面會(huì)存在一定的安全隱患，另一方面由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的限制，無法保證每名學(xué)生都能親自對(duì)所學(xué)的電力電子電路進(jìn)行分析和驗(yàn)證。再者，固定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)常常只包括若干種固定的電路拓?fù)?，這就阻礙了學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行一些探索性的研究。

三、基于Matlab/Simulink的電力電子技術(shù)教學(xué)

Matlab/Simulink為廣大教師、學(xué)生及工程技術(shù)人員提供了一個(gè)研究、開發(fā)電力電子技術(shù)的平臺(tái)，允許使用者按照自己的思考進(jìn)行電力電子技術(shù)研究，提出新理論或進(jìn)行分析驗(yàn)證等，且不需要搭建任何硬件平臺(tái)，具體成本低、安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

常規(guī)的理論教學(xué)方法可以通過理論分析得到Buck型DC/DC電路的輸入輸出電壓電流波形，但這是一種單方向的依靠教師灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，學(xué)生參與教學(xué)過程較少，因此其教學(xué)效果較差。

Matlab/Simulink為電力電子技術(shù)的理論分析提供了一種可靠的驗(yàn)證手段，且允許學(xué)生進(jìn)行電力電子技術(shù)的自學(xué)習(xí)，從而提高了學(xué)生參與課堂教學(xué)的能動(dòng)性。更重要的是，Matlab/Simulink允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)電力電子拓?fù)洳⑦M(jìn)行研究，因此可以極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果。

圖2給出了通過理論分析得到的Buck型DC/DC電路的電壓電流波形。在VT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Uge為高電平時(shí)，VT導(dǎo)通。此時(shí)，二極管承受的電壓為電源電壓，電感電流在電源電壓的作用下線性增加。在Uge為低電平時(shí)，VT關(guān)斷。此時(shí)VD導(dǎo)通，電感續(xù)流，電感電流在輸出電壓的作用下線性減小。

為了驗(yàn)證所述的理論分析，可以通過Matlab/Simulink建立Buck電路的仿真模型，如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比圖4所示的仿真結(jié)果和圖2所示的理論分析結(jié)果可見，仿真結(jié)果很好的驗(yàn)證了理論分析，從而為理論分析的可靠性提供了仿真驗(yàn)證。

此外，根據(jù)Buck型DC/DC輸入輸出的關(guān)系可知，當(dāng)輸入電壓為200V，占空比為25%時(shí)，其輸出電壓理論值應(yīng)為50V。為進(jìn)行驗(yàn)證，圖5給出了實(shí)際仿真得到的輸出電壓波形。

然而，由圖5可見，實(shí)際理論分析和仿真結(jié)果存在一定的誤差，這也說明了單純的理論分析與實(shí)際結(jié)果是存在一定的差別的。在進(jìn)行理論分析時(shí)，常假設(shè)可控器件IGBT、不可控二極管、濾波電感等元件是理想的。然而，單純依靠這種理論教學(xué)的方法無法讓學(xué)生清楚認(rèn)識(shí)到理論分析與實(shí)際之間的差別及其原因。而借助于Matlab/Simulink則可以讓學(xué)生自由的去分析和研究，從而可以更好的將理論分析和實(shí)際結(jié)果對(duì)應(yīng)聯(lián)系在一起，也能讓學(xué)生更深入的理解書本上理論分析的優(yōu)點(diǎn)及其局限性，為今后解決實(shí)際復(fù)雜工程技術(shù)問題提供良好的理論基礎(chǔ)。

四、結(jié)論

采用Matlab/Simulink來提高電力電子教學(xué)效果的方法不僅可以大幅度提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和興趣，增加學(xué)生課堂參與感，而且可以將理論學(xué)習(xí)和實(shí)際工程問題緊密聯(lián)系在一起，能夠使學(xué)生充分理解理論分析的意義和局限性，切實(shí)提高學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]金楠，楊存祥.PSIM軟件在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育，2013（27）：111-112.

[2]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]張新建，范娟，魯艷旻，等.基于Matlab的“電力電子技術(shù)”課程仿真教學(xué)研究[J].中國電力教育，2014（9）：75-76.

Exploration on Teaching Methods of Power Electronic Technology in the Context of Emerging Engineering

GUO Lei-lei，LI Yan-yan，ZHENG An-ping，JIN Nan，WU Jie，DOU Zhi-feng

（College of Electrical Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，Henan 450002，China）

Abstract：This paper discusses the teaching method of Power Electronic Technology based on Matlab/Simulink，in order to overcome many problems existing in conventional teaching methods，improve the teaching effect of this course，and enhance the students' ability to analyze and solve practical complex engineering problems by theoretical learning.

Key words：Power Electronic Technology;emerging engineering;Matlab/Simulink;complex engineering problems