東莞理工學(xué)院　張　志

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案例教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

東莞理工學(xué)院張志

“電力電子技術(shù)”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，同時(shí)也是電氣控制類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。針對(duì)該課程實(shí)用性較強(qiáng)、電路種類較多、學(xué)生難以理解等問(wèn)題，本文以案例教學(xué)的方式，在電力電子技術(shù)教學(xué)改革實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用研究。通過(guò)實(shí)踐案例可以學(xué)生更全面深入地理解和掌握“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容，同時(shí)對(duì)豐富課程教學(xué)手段、提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。

電力電子技術(shù)；案例教學(xué)；教學(xué)改革

“電力電子技術(shù)”是高校電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，同時(shí)也是一門涉及電力技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，它是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一門新興技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。

一、案例教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程中實(shí)施的必要性

由于“電力電子技術(shù)”具有實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，其課程實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的具有很大作用，同時(shí)也是提高學(xué)生認(rèn)知能力和理論水平的重要途徑。目前傳統(tǒng)課程教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法落后和教學(xué)手段單一等缺點(diǎn)，影響和制約教學(xué)質(zhì)量，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。將案例教學(xué)方法引入到教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅可以驗(yàn)證課堂理論教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也可以讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型電路，對(duì)提高學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力具有較大幫助。

“電力電子技術(shù)”課程的核心內(nèi)容是變流技術(shù)和控制技術(shù)，包括整流電路、逆變電路、直流斬波電路和交交變頻電路這幾個(gè)模塊。通過(guò)案例教學(xué)，希望能達(dá)到以下教學(xué)目的：1）使學(xué)生掌握電能高效率變換與控制方面的知識(shí)。2）培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。3）訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制，能主動(dòng)探索、積極創(chuàng)新。

二、案例教學(xué)法的實(shí)施步驟

（1）案例教學(xué)的提出。課堂教學(xué)依然是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的主體部分，按照整本教材的內(nèi)容，我們將電力電子技術(shù)課程分為四個(gè)教學(xué)單元，每個(gè)教學(xué)單元設(shè)計(jì)一個(gè)工程案例，同時(shí)將工程案例與課程的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，需及時(shí)更新案例，尋找更為典型或更具代表性的案例，同時(shí)案例設(shè)計(jì)不能太過(guò)簡(jiǎn)單，同時(shí)也不應(yīng)難度太大，否則容易導(dǎo)致學(xué)生失去動(dòng)手的興趣。根據(jù)本課程的內(nèi)容，作者設(shè)計(jì)了四個(gè)工程案例：直流升壓或降壓（boost或buck）變換器、單相全橋逆變器、單相有源功率因數(shù)校正和晶閘管相控交流變換器。

（2）案例的選擇。根據(jù)課程的教學(xué)大綱，對(duì)應(yīng)每個(gè)教學(xué)單元，將同學(xué)分為6個(gè)小組，每個(gè)小組選擇兩個(gè)工程案例，設(shè)置兩個(gè)負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)工程案例的統(tǒng)籌安排，每個(gè)工程案例實(shí)施的時(shí)間為6個(gè)星期。課堂上，務(wù)必要將案例所涉及的基本概論、原理和設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。

（3）案例的具體實(shí)施。為了讓學(xué)生更好的理解案例工作的基本原理，針對(duì)每個(gè)案例，要求學(xué)生先利用MATLAB或PSIM軟件進(jìn)行仿真。在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生可以利用仿真軟件來(lái)驗(yàn)證不同控制方式、各種電路拓?fù)浠蛘{(diào)制方式的正確性和可行性，并由此將方案基本確定下來(lái)。

（4）案例結(jié)果考核。案例結(jié)果考核是整個(gè)案例教學(xué)中重要環(huán)節(jié)，分為兩個(gè)階段考核，中期考核和期末考核。中期考核主要已報(bào)告的方式，課題組推薦一位報(bào)告人，報(bào)告人利用10分鐘的時(shí)間做中期匯報(bào)，課題組其他參與人討論案例的合理性以及進(jìn)度，有報(bào)告人進(jìn)行解答。期末考核安排在學(xué)期末，每個(gè)小組提交一份案例作品，課題組每個(gè)人提交一份小論文，小論文應(yīng)該以每個(gè)學(xué)生在整個(gè)案例中所作的工作來(lái)撰寫。根據(jù)案例的完成情況，適當(dāng)給出學(xué)生的平時(shí)分。

圖1　降壓斬波電路

案例舉例：

筆者在教學(xué)過(guò)程匯總設(shè)計(jì)了幾個(gè)案例，已直流斬波電路和單相有源功率因數(shù)校正為例進(jìn)行介紹。

（1）直流斬波電路是電力電子技術(shù)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，包括Buck降壓斬波電路、Boost升壓斬波電路、Buck-Boost升降壓斬波電路、Sepic斬波電路、Cuk斬波電路和Zeta斬波電路等。本案例以Buck降壓斬波電路為例，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1）采用單片機(jī)進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）控制，拓?fù)洳捎肂uck電路降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2）輸入直流電壓為24V；3）使用MOSFET開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，并設(shè)計(jì)MOSFET開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路、濾波電感、輸出電容；4）輸出直流電壓12V，紋波小于5%，負(fù)載接電池，則需要實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電功能。要求先對(duì)原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證（用MATLAB或PSIM軟件），最后給出實(shí)物。

圖1是降壓斬波電路的電路圖及工作模式分析，由電源、MOSFET、續(xù)流二極管VD、電感L、電組R等元件構(gòu)成。

經(jīng)過(guò)資料查找、老師指導(dǎo)，學(xué)生給出了系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制框圖

如圖2所示，采用恒流充電時(shí)檢測(cè)電感電流，為維持電池組電流恒定，讓電流設(shè)定值Iref與反饋電流值Ifeb進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，控制主開(kāi)關(guān)管S；恒壓充電時(shí)控制電池組電壓，為維持電池組電壓恒定，電池組電壓設(shè)定值Vref與電池組電壓反饋值Vfeb進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，控制主開(kāi)關(guān)管S。

最后，學(xué)生采用DSP28035作為主控芯片，采用MOSFET作為降壓斬波電路的開(kāi)關(guān)器件，選用TLP3120作為功率管驅(qū)動(dòng)芯片。

（2）單相有源功率因數(shù)校正

單相有源功率因數(shù)校正內(nèi)容同樣是電力電子技術(shù)課程中典型的功率因數(shù)校正電路，具體電路見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1）輸入電壓為80V～130V。2）輸出功率200W。3）采用平均值控制方式或峰值電流控制方式。4）要求輸入功率因數(shù)達(dá)到0.90以上。要求先對(duì)原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證（用MATLAB或PSIM軟件），最后給出實(shí)物。

圖3　單相有源功率因數(shù)校正主電路圖

圖4　系統(tǒng)控制框圖

如圖4所示，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制，為維持母線電容電壓恒定，通過(guò)參考值與電容電壓值相比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)解器，然后乘以輸入電壓同相位的正弦表，形成內(nèi)環(huán)電流參考值，最后與電感電流比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，形成開(kāi)關(guān)管脈沖信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管S。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工程案例教學(xué)方式，將課程中分散學(xué)習(xí)的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的思維方式，增強(qiáng)了對(duì)本專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也提高了學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力，當(dāng)然，如何選擇更具典型的工程案例，如何進(jìn)一步優(yōu)化案例的實(shí)施過(guò)程，仍需更深入的探索。將工程案例引入到“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的一種有效補(bǔ)充，也有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才。

［1］黃俊，王兆安.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］李鵬飛.工程案例在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用探索［N］，中國(guó)電力教育，2011（5）.

張志（1981-），男，湖南華容人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子裝置系統(tǒng)及控制。