“電力電子技術”教學實踐應用探索

孫春虎，王 靜，方愿捷

(巢湖學院 電子工程學院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

近年來，電力電子技術已取得飛速的發展，該學科應用性強，已在電氣、機械、化工、醫療等領域得到廣泛應用。電力電子技術是電氣類專業的一門理論性較強的專業基礎課程，在整個專業課程體系中占有舉足輕重的作用。在當前應用型本科院校發展轉型形勢下，高校電力電子技術教學發展的目的是提高學生的理論水平和實踐能力，當前學生的實踐能力與理論知識存在嚴重的脫節現象，理論知識得到提升，但是缺乏電力電子實踐經驗。如何提高高校學生的電力電子技術的實踐教學改革迫在眉睫。

筆者通過對當前電力電子技術實踐教學現狀的分析，提出了電力電子技術實踐教學改革的具體措施，達到了全面提高學生電子電子實踐能力的培養目的，解決了當前應用型本科院校發展形勢下學生的實踐能力與理論知識嚴重脫節的問題。

1 當前電力電子技術實踐教學現狀

當前電力電子技術實踐教學形式單一，內容過于簡單，學生無法獲取足夠的實踐能力，電力電子理論知識教材講解存在不足，無法為實踐提供具體的理論依據支持。目前，實踐教學現狀不容樂觀，主要表現在以下幾個方面。

1.1 控制電路理論內容不詳實

電力電子技術控制電路理論雖然都有講解，但是內容過于簡單，不夠詳實，以陳堅主編的電力電子技術教材為例。Buck DC/DC變換器這一小節，只分析了Buck主電路的相關特性與開關管的控制規律，但是缺乏開關管的具體控制電路，學生只知道Buck主電路相關設計，因而在實踐中無法為學生提供Buck控制電路設計的理論支撐。除此之外，也缺少Buck閉環控制電路介紹，學生只會Buck電路的開環控制，造成Buck電路控制精度低，抗干擾能力弱[1]。

1.2 缺少電力電子仿真技術介紹

學生在學完電力電子技術的基本電路后，無法看到自己設計的主電路的參數設計效果以及控制策略的控制效果。而電力電子仿真技術的作用就是通過仿真得到滿足電力電子電路性能要求的主電路參數設計效果和控制策略。因而電力電子仿真技術為主電路參數設計效果、主電路設計參數調整和控制策略設計提供了很好的技術支持，同時也能在實踐中大大提高學生進行電力電子技術電路設計的興趣和能力培養，而目前國內高校，關于仿真技術的介紹還未普及，這一工具的優勢在實踐中得不到應有的發揮。

1.3 依賴實驗裝置，沒有實踐聯系理論

現代電力電子實驗裝置都采用了模塊化的功能設計，一塊區域對應一個功能實驗，學生在做AC/DC整流電路實驗時，只需將380V交流電通過短接線接到整流電路的輸入端，然后通電，通過調節調壓電位器即可輸出不同的直流電壓，最后通過測量裝置即可檢測出輸出直流電壓值。但是很多學生雖然都能完成實驗內容，卻不知道整流模塊到底有哪些模塊組成。如果要讓學生獨立設計整流電路時，則無從下手，不知需要哪些元器件以及怎樣選型，造成對實驗裝置的依賴性。此外，在做DC/AC逆變電路實驗時，很多學生無法完成逆變實驗的要求，無法輸出220V的交流電。主要原因是直流側電壓過低，單相全橋逆變電路的直流側電壓至少要245V以上才能實現220V逆變，因而無法實現逆變功能。學生不能實踐聯系理論，缺乏應用所學知識解決實際問題的能力。

1.4 缺少電力電子技術課程設計

很多課程都通過考試進行考核，造成學生的知識面始終停留在理論上，實踐能力得不到提高。學生在做電力電子實物設計時，都沒有經過充分的方案論證就買了東西，做了實驗，往往實驗結果不是很理想。終其原因還是因為缺少一套規范的電力電子實物設計過程，比如，方案的論證，電路的仿真，元器件參數的選擇和電路連接調試等過程。而電力電子課程設計恰好給學生提供了這樣一套規范的電力電子實物設計過程。它不僅能反映學生所學課程情況，更能促使學生對課題的思考與認識，使其明白課題的原理、硬件組成、軟件設計，并指引學生一步步做出實物。因此，課程設計在實踐教學中有改革的急迫性。

2 電力電子技術教學實踐改革措施

為了培養新時代下的應用型本科人才，電力電子技術實踐教學改革是當務之急，針對以上存在的電力電子技術實踐教學現狀和存在的問題，文章總結了以下幾項電力電子技術實踐教學改革措施。

2.1 詳細講解電力電子控制電路

下面仍以Buck DC/DC變換器這節為例來講解閉環控制電路的組成與實現。閉環控制電路可由電壓給定裝置、電壓采樣裝置、誤差放大器、三角波發生器、電壓比較器和開關驅動器組成，電壓給定裝置與電壓采樣裝置進行比較，經誤差放大器放大誤差，再通過電壓比較器與三角波進行比較，從而輸出不同頻率和占空比的PWM波，再經開關驅動器進行功率放大，控制開關的通斷，最終實現給定電壓輸出[2]；控制電路也可由51單片機實現，如圖1所示。首先用電位器設定參考電壓并同時采樣參考電壓和輸出電壓，兩者電壓比較后經數字PID運算得到數字控制量，數字控制量與數字三角波比較得到PWM波再通過51單片機I/O口輸出，最后經開關驅動器即可控制開關；同理也可由三菱PLC通過控制和運算得到占空比信號，再經近似處理就可由PWM指令輸出PWM波[3]。綜上，電力電子課程教學時，應該把上述控制電路的實現方法介紹給學生，從而加強學科間的聯系，同時開拓了學生思維，讓學生能真正的理解和應用閉環控制電路及其高精度和抗干擾優點。

圖1 基于51單片機的Buck閉環控制電路

2.2 Matlab仿真技術實踐應用

在平常的電力電子技術實踐教學中，教師可以向學生講解Matlab中的Simulink仿真技術[4]，讓學生掌握Simulink中的各仿真模塊功能，怎樣搭建一個主電路及其控制電路，以及怎樣進行仿真及仿真結果分析。下面以Buck閉環電路仿真為例進行介紹。首先，教師應該用Simulink搭建完整的Buck電路主電路和控制電路的仿真模型，如圖2所示。其次教師進行閉環控制原理介紹；然后，設定設計好的主電路參數，控制電路參數先取預設值；最后進行電路仿真，得到仿真結果；如果仿真結果不太理想，那就需要反復調整控制電路參數，直到得到調節時間短、超調量小，穩態誤差小的輸出電壓波形，同時主電路參數也可進行適度的調整；如果無論怎樣調整主電路和控制電路的參數，輸出電壓波形仍不理想，那就需要更換控制策略，再按上述步驟重新進行仿真分析[5]。通過讓學生掌握Matlab仿真技術來提高他們對電力電子技術及其他學科的學習興趣和能力的培養。

圖2 Buck閉環控制系統仿真

2.3 學生熟悉了解實驗裝置

做電力電子技術實驗時，教師需要向學生講解本次實驗用到的模塊，其背后組成是怎樣的，又是如何連接的，模塊工作原理是什么。只有讓學生充分懂得實驗裝置背后的電路硬件組成和工作原理，以后學生才有可能獨立的買元器件或模塊來做出電力電子實物。做AC/DC整流電路實驗時，如圖3所示，教師可以詢問學生所用晶閘管的型號、怎樣調節輸出電壓、控制角α與輸出電壓關系、觸發電路組成等一些整流電路相關知識，加深其對整流電路的認識和實物感，使其能實踐聯系理論。同樣做DC/AC逆變電路實驗時，教師可以詢問學生逆變主電路結構、控制電路結構、SPWM控制原理、輸出側基波電壓有效值V1與調制比M、直流側電壓VD三者間數學關系等一些逆變電路相關知識，能用理論分析實際問題[6-7]，使其充分了解逆變電路的來龍去脈與硬件實現電路。

圖3 AC/DC整流電路實驗裝置

2.4 課程設計過程的管理

對電力電子技術課程設計過程進行有效管理[8]也是一種有利于提高學生實踐能力的重要實踐方式。課程設計的步驟要求如圖4所示，下面以DC/AC逆變器課題為例進行說明。首先要求學生提出至少兩種方案，并進行成本、可靠性、復雜性的充分論證，從而選取其中統籌兼顧的最優方案，然后進行逆變電路原理圖設計并仿真，確定優良的元器件參數與控制策略，接著進行主電路和控制電路的實物設計，最后進行電路連接與調試。最終，教師根據每組設計報告和實物的完成情況進行打分，并和學生進行討論與點評。通過課程設計可以使學生有目的的去調研和學習，同時也提高了學生的實踐能力。

圖4 課程設計步驟要求

3 教學應用實踐效果

以巢湖學院電氣專業近三年電力電子技術實踐考核成績為依據，如表1所列。

表1 電力電子技術近三年實踐考核成績

由表1可見，經過兩年的教學改革實踐，學生的電力電子技術的實踐成績有所提高，學生的實踐能力得到一定的提升。當然，教學改革實踐效果在短時間內還不是很明顯的，需要長期將這些改革實施下去，并在實踐中吸收新經驗來完善改革措施。

4 結 語

文章從電力電子技術實踐教學現狀進行了分析與歸納，并對其中的現狀問題提出了相應的改革措施，并在實際教學中得到實踐，提高了學生的電力電子技術的理論知識和實踐經驗，更好的滿足了高校電力電子技術應用型人才的培養目標。