申永鵬 曹玲芝 竇智峰 郭磊磊 曹衛(wèi)鋒

[摘 要] 近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，清潔能源的大規(guī)模應(yīng)用、電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展、低碳節(jié)能理念的深入人心以及新型電力電子器件的推廣應(yīng)用，對(duì)電力電子技術(shù)人才培養(yǎng)提出了新要求。通過(guò)從章節(jié)編排、課程內(nèi)容和課程實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面剖析了現(xiàn)有“電力電子技術(shù)”課程、教材中存在的問(wèn)題，探索了系統(tǒng)開(kāi)展以教材建設(shè)為核心的電力電子技術(shù)課程建設(shè)，以實(shí)驗(yàn)為依托，以結(jié)果為切入，全面提升課程的引導(dǎo)性、互動(dòng)性，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞] 電力電子;實(shí)驗(yàn);教材;復(fù)雜工程問(wèn)題

[基金項(xiàng)目] 2018年度河南省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程項(xiàng)目“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”（hnyjs2018kc12）;2021年度鄭州輕工業(yè)大學(xué)第十三批教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“依托實(shí)驗(yàn)的電力電子技術(shù)教材建設(shè)的研究與實(shí)踐”（2021-143）

[作者簡(jiǎn)介] 申永鵬（1985—），男，河南安陽(yáng)人，工學(xué)博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院副教授，主要從事電力電子技術(shù)理論與實(shí)踐研究;曹玲芝（1965—），女，河南焦作人，工學(xué)博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院教授，主要從事傳感技術(shù)與測(cè)控系統(tǒng)、電力電子技術(shù)理論與實(shí)踐研究;竇智峰（1979—），男，吉林松原人，工學(xué)博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院講師，主要從事電力電子技術(shù)理論與實(shí)踐研究。

[中圖分類號(hào)] G642? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2022）19-0073-04 [收稿日期] 2021-08-27

“電力電子技術(shù)”是電氣類專業(yè)的基礎(chǔ)課程和主干課程，是一門(mén)理論聯(lián)系實(shí)際、工程應(yīng)用特色鮮明的綜合性課程，讓學(xué)生了解電力電子器件的工作原理、電能轉(zhuǎn)換的形式、結(jié)構(gòu)及其控制方法等。該課程主要任務(wù)是使學(xué)生掌握各類變流裝置中發(fā)生的電磁過(guò)程、基本原理、控制方法、設(shè)計(jì)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)技能及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，學(xué)生畢業(yè)后具有進(jìn)一步掌握、設(shè)計(jì)各種變流裝置的能力。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)呈現(xiàn)出以下特征：（1）風(fēng)力、光伏等清潔能源在電力系統(tǒng)中的占比越來(lái)越高，傳統(tǒng)電力企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。（2）交通動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展迅速，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量增長(zhǎng)迅速，在“雙積分”政策的壓力下，整車(chē)廠商大力布局電動(dòng)汽車(chē)核心技術(shù)。（3）“3060雙碳”目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)電能的高效利用，助力節(jié)能減排是企業(yè)、公民的共同責(zé)任。以上三個(gè)方面均高度依賴電力電子技術(shù)的支撐，對(duì)電力電子技術(shù)的人才培養(yǎng)質(zhì)量和規(guī)模提出了新要求。伴隨著SiC、GaN等新型寬禁帶電力電子器件的成熟應(yīng)用，電力電子的高頻化趨勢(shì)也對(duì)電力電子技術(shù)的人才培養(yǎng)方向提出了新要求[1-3]。結(jié)合社會(huì)需求、技術(shù)發(fā)展兩個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)，剖析課程教學(xué)與教材中存在的問(wèn)題，從章節(jié)編排、課程內(nèi)容和課程實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面，系統(tǒng)開(kāi)展課程建設(shè)，系統(tǒng)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，是“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革目的所在。

一、課程及教學(xué)基本情況

目前，鄭州輕工業(yè)大學(xué)“電力電子技術(shù)”相關(guān)課程涉及電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、軌道交通信號(hào)與控制3個(gè)本科專業(yè)、電氣工程碩士一級(jí)學(xué)科點(diǎn)及專業(yè)學(xué)位領(lǐng)域。包含“電力電子技術(shù)A”“電力電子技術(shù)B”“電力電子技術(shù)C”“電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”“電力電子技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”等共計(jì)6個(gè)課程，如表1所示可知，“電力電子技術(shù)”相關(guān)課程具有如下特征：（1）涵蓋專業(yè)廣，涵蓋了多數(shù)電氣類本科專業(yè);（2）學(xué)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)分多。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)均為專業(yè)基礎(chǔ)必修課，學(xué)時(shí)分別達(dá)56和48，學(xué)分分別達(dá)3.5和3.0。加強(qiáng)“電力電子技術(shù)”課程建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面提升具有重要意義[4]。

二、目前教材使用情況及存在問(wèn)題

1.教材整體敘述性強(qiáng)、解釋性弱，學(xué)生使用過(guò)程中普遍反饋教材的互動(dòng)性較差、枯燥無(wú)味，限制了學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力。

2.教材插圖、波形圖多以示意圖為主，直觀性差，學(xué)生難以通過(guò)插圖、波形圖建立對(duì)實(shí)際電路、裝置和波形的直觀認(rèn)識(shí)，直接限制了學(xué)生對(duì)相關(guān)電路原理的深入理解及拓展思考。

3.知識(shí)陳舊，與電力電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)不相符的內(nèi)容所占篇幅過(guò)多，例如晶閘管整流電路、交流交流變流電路。上述內(nèi)容在占據(jù)了大量篇幅的同時(shí)，其難度也較大，影響了學(xué)生深入、積極開(kāi)展課程學(xué)習(xí)的積極性。

4.實(shí)驗(yàn)課程與理論課程脫節(jié)，缺少綜合性的實(shí)踐章節(jié)，學(xué)生通過(guò)教材難以樹(shù)立電力電子技術(shù)及其應(yīng)用的整體觀念，往往糾纏于波形的分析推導(dǎo)，一葉障目不見(jiàn)泰山，難以支撐“應(yīng)用電氣工程專業(yè)知識(shí)，掌握解決問(wèn)題的基本思路和方法，具備綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”等畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。

教材是本科及研究生階段課程的核心。盡管已有相關(guān)教材是在數(shù)十年前成稿，并歷經(jīng)多次改版形成當(dāng)今版本的，足夠經(jīng)典、足夠權(quán)威，但是深植于字里行間的文字基因仍是20世紀(jì)奠定的，已難以適應(yīng)當(dāng)今電力電子技術(shù)教學(xué)的需求，亟須進(jìn)行以教材改革為核心的課程改革[5]。

三、“電力電子技術(shù)”教材建設(shè)思路

1.精簡(jiǎn)陳舊、務(wù)實(shí)求新：精簡(jiǎn)部分章節(jié)、知識(shí)點(diǎn)，補(bǔ)充電力電子技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)相關(guān)章節(jié)。

2.宏觀導(dǎo)入、以面蓋點(diǎn)：以“電力電子技術(shù)”基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)、整體應(yīng)用案例為導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入到各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，確保學(xué)生先樹(shù)立整體概念，而后對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)各個(gè)擊破。

3.依托實(shí)驗(yàn)、面向應(yīng)用：各章節(jié)均以實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)入，各知識(shí)點(diǎn)均有實(shí)際波形作為支撐，各章節(jié)末尾均留有綜合實(shí)踐作業(yè)。

四、教材建設(shè)具體措施

1.鑒于多數(shù)學(xué)生仍對(duì)關(guān)于電能的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不夠深入，增設(shè)“電能基礎(chǔ)”章節(jié)，從電壓源、電流源、直流電源、交流電源、平均值/有效值等電能基本參數(shù)、諧波和功率因數(shù)等電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)、電流/電壓/電能測(cè)量方法、常用電源測(cè)試儀器等方面入手，使學(xué)生構(gòu)建關(guān)于電能的總體認(rèn)知，為后續(xù)的電力電子半導(dǎo)體器件及電能變換電路學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。9F995BC6-89D6-40C0-BA27-F8E938B881A9

2.結(jié)合電力電子半導(dǎo)體技術(shù)的高頻化發(fā)展趨勢(shì)，在“電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)保護(hù)”章節(jié)，增加關(guān)于SiC和GaN等寬禁帶新型電力電子半導(dǎo)體器件的工作原理、關(guān)鍵特性的分析介紹。同時(shí)，強(qiáng)化電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的工作原理及使用注意事項(xiàng)。在授課過(guò)程中，適度強(qiáng)化行業(yè)典型電力電子半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家及主要產(chǎn)品特征的介紹，并且在該環(huán)節(jié)突出我國(guó)電力電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況、存在的不足，以及近年來(lái)取得的成績(jī)，以此來(lái)推進(jìn)課程思政建設(shè)。

3.鑒于相控技術(shù)及PWM控制技術(shù)為具體電能變換電路的前置內(nèi)容，因此，將相控技術(shù)及PWM控制技術(shù)獨(dú)立成章，并前置于具體的四種電能變換電路。在該章，主要講述相控技術(shù)的基本原理、PWM控制的基本原理，并重點(diǎn)講述SPWM、CFPWM及SVPWM三種控制方法，最后以基于模型的電力電子開(kāi)發(fā)方法收尾，使學(xué)生對(duì)實(shí)際電力電子裝置的開(kāi)發(fā)流程有所了解。

4.鑒于晶閘管的相控技術(shù)目前在中低功率領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景極少，并且難度較大。因此，精簡(jiǎn)晶閘管等半控型器件、可控整流電路、交流調(diào)壓、交流調(diào)功電路等內(nèi)容所占篇幅。適度突出晶閘管在特高壓直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合“向家壩—上?！?00千伏特高壓”工程，介紹特高壓直流輸電工程的技術(shù)原理，以及我國(guó)在該領(lǐng)域取得的成就。

5.鑒于直流直流變流電路原理較為簡(jiǎn)單，故將其作為第一種電能變換電路講述。重點(diǎn)對(duì)BUCK、BOOST、BUCK/BOOST，以及復(fù)合型DC/DC電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)及閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行講述。

6.鑒于逆變電路廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，是電力電子技術(shù)中最重要的電能變換電路之一。因此，結(jié)合三相兩電平橋式逆變電路，首先，對(duì)電壓型逆變器的基本工作原理進(jìn)行分析;然后，結(jié)合SPWM、CFPWM和SVPWM控制方法，對(duì)逆變電路的控制原理進(jìn)行重點(diǎn)講述。此外，結(jié)合逆變技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要介紹多相和多電平逆變技術(shù)及其控制方法。

7.在章節(jié)編排方面，以電能基礎(chǔ)、電力電子器件驅(qū)動(dòng)保護(hù)、PWM控制技術(shù)、相控技術(shù)等共性基礎(chǔ)為教材導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的總體認(rèn)知;以綜合應(yīng)用項(xiàng)目為章節(jié)切入，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)某一類電力電子變換電路的整體認(rèn)知，而后逐步深入各知識(shí)點(diǎn)，各個(gè)擊破;重新編排后的教材結(jié)構(gòu)及比重如圖1所示。其中，緒論環(huán)節(jié)占5.0%;電能基礎(chǔ)占15.0%;電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)保護(hù)占15.0%;相控技術(shù)及PWM技術(shù)占10.0%;直流直流變流電路占15.0%;整流電路占15.0%;逆變電路占15.0%;交流交流變流電路占10%。

8.以實(shí)驗(yàn)為依托，以結(jié)果為切入，先擺結(jié)果，然后剖析原因，層層深入。構(gòu)建包含BUCK開(kāi)環(huán)/閉環(huán)實(shí)驗(yàn)、BOOST開(kāi)環(huán)/閉環(huán)實(shí)驗(yàn)、電容濾波的單相/三相橋式不可控整流電路、晶閘管三相全橋半控開(kāi)環(huán)/電流閉環(huán)/電壓閉環(huán)/有源逆變實(shí)驗(yàn)、三相PWM逆變開(kāi)環(huán)/電流閉環(huán)/電壓閉環(huán)實(shí)驗(yàn)、三相SVPWM逆變開(kāi)環(huán)/轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)、三相PWM整流控制實(shí)驗(yàn)等課程隨堂實(shí)驗(yàn)，以實(shí)際電路波形、實(shí)際電路原理圖作為插圖，全面提升教材的引導(dǎo)性、互動(dòng)性。

結(jié)語(yǔ)

本文所開(kāi)展的以教材建設(shè)為核心的課程建設(shè)，具有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：（1）立足于“電力電子技術(shù)”課程理論聯(lián)系實(shí)際、工程應(yīng)用背景強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的特征，構(gòu)建了既能涵蓋課程知識(shí)點(diǎn)，又有針對(duì)性的全新知識(shí)點(diǎn)體系。（2）立足于信息泛濫、學(xué)生群體專注力發(fā)散的時(shí)代特征，在章節(jié)編排方面，從結(jié)構(gòu)上既有高屋建瓴的建立整體感，又有細(xì)致入微的體現(xiàn)細(xì)節(jié)要領(lǐng);在整體風(fēng)格上，宏觀導(dǎo)入，以面蓋點(diǎn)，層層深入，循循善誘，引人入勝。（3）立足于應(yīng)用，構(gòu)建了涵蓋課程絕大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)的完整實(shí)驗(yàn)體系，寓具體知識(shí)點(diǎn)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全面提升教材的引導(dǎo)性與互動(dòng)性。

參考文獻(xiàn)

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Research and Practice of the Power and Electronic Technology Course Construction Based on Experiments

SHEN Yong-peng， CAO Ling-zhi， DOU Zhi-feng， GUO Lei-lei， CAO Wei-feng

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

Abstract： In recent years， with the rapid development of Chinas economy and society， the large-scale application of clean energy， the rapid development of electric vehicles， the popularity of the concept of low-carbon and energy saving， and the promotion and application of new power electronic devices， new requirements for the training of power and electronics talents are put forward. The existing problems in the course of Power and Electronics Technology and its textbooks are analyzed from the aspects of the chapter arrangement， the course content， and the experiments. This paper explores the systematic construction of the course with the textbook construction as the core， relying on the experiments and the outcome-based concept， so as to comprehensively improve the guidance and interactivity of the course and enhance the students ability to solve complex engineering problems.

Key words： power and electronics; experiments; textbooks; complex engineering problems9F995BC6-89D6-40C0-BA27-F8E938B881A9