王要強，海德倫，劉曉蘭，賈建華

（鄭州大學電氣工程學院 河南 鄭州 450001）

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化、自動化等電氣信息類專業(yè)的必修課程。該課程基于電力學、電子學和控制理論三個領(lǐng)域交叉而形成，著重解決電力的變換與控制問題，是一門典型的交叉特色明顯、應(yīng)用導向性強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有電路多、波形雜、重視實際工程應(yīng)用等特點。

電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用電等環(huán)節(jié)，以可再生能源發(fā)電、靈活交流輸電、高壓直流輸電、交直流柔性配電為電表的先進電力電子變換技術(shù)及裝備成了構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)及實現(xiàn)電能柔性傳輸與調(diào)節(jié)的重要基礎(chǔ)和手段。然而，“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容多，課時少，并且面向工程應(yīng)用的電力電子技術(shù)往往需要多個知識板塊的內(nèi)容互相配合使用，對知識點靈活運用的要求較高，僅僅掌握一些分散的知識點或理論計算方法很難適應(yīng)實際工程應(yīng)用的需要。因此，傳統(tǒng)的灌輸式教學與當前電力電子技術(shù)的快速發(fā)展及工程應(yīng)用的多樣化需求現(xiàn)狀是不相適應(yīng)的，不利于學生對所學知識的融會貫通及與工程應(yīng)用密切銜接。如果不能恰當處理大學生理論課學習與實際工程應(yīng)用之間的問題，會造成學生培養(yǎng)質(zhì)量降低，長此以往，就不利于高等教育的良性發(fā)展。

為此，本文以“電力電子技術(shù)”課程中的DC/AC逆變技術(shù)為例，充分利用計算機仿真等技術(shù)手段，梳理課程內(nèi)容理論知識，設(shè)計單/三相電壓型逆變教學案例，并通過案例認知、強化實踐、開放思考、知識回歸等教學環(huán)節(jié)，引導學生對相關(guān)物理現(xiàn)象、技術(shù)手段進行主動思考，鍛煉學生獨立解決問題的能力。實踐與應(yīng)用表明，基于案例的課程教學方法有利于調(diào)動學生的學習主動性，促進學生靈活運用所學知識，使之在掌握有關(guān)理論內(nèi)容的同時啟發(fā)創(chuàng)新性思維。

1 案例設(shè)計

逆變技術(shù)在“電力電子技術(shù)”課程中具有重要的地位，主要描述DC/AC 電力電子變換電路及其工作原理、關(guān)鍵波形、電量關(guān)系，以及調(diào)制與控制方法等內(nèi)容。例如，在王兆安、劉進軍編著的“電力電子技術(shù)”（機械工業(yè)出版社，第5 版）中，分別在第3 章整流電路、第4 章逆變電路和第7章PWM 控制技術(shù)共三個章節(jié)涉及逆變技術(shù)，其重要性可見一斑。另外，在電力電子技術(shù)實際工程應(yīng)用中，逆變也具有舉足輕重的作用，例如新能源發(fā)電中的并網(wǎng)/離網(wǎng)逆變、高壓直流輸電中的換流站功率變換，以及不間斷交流電源、交流電機驅(qū)動器、有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器等應(yīng)用場合，逆變電路及其控制是其中的技術(shù)關(guān)鍵。然而，在課程講授過程中，若僅通過課堂的理論介紹、波形與計算分析，就很難讓學生直觀感受到逆變電路的功率變換過程，更難深刻領(lǐng)會到逆變技術(shù)的要義，也不利于學生將所學知識應(yīng)用于實際工程中。

因此，教師十分有必要圍繞逆變技術(shù)設(shè)計針對性的教學案例。通過案例，讓學生在了解逆變技術(shù)理論知識的前提下，直觀地感受到逆變電路的工作過程、各波形的表現(xiàn)形式、電量的變化趨勢等；在物理現(xiàn)象認知的引導下，通過計算機仿真手段，引導學生挖掘逆變技術(shù)要領(lǐng)，把握逆變技術(shù)功率電路和開關(guān)調(diào)制的規(guī)律與方法，強化學生對各部分的理解；基于觀察到的現(xiàn)象與領(lǐng)悟到的技術(shù)本質(zhì)，引導學生開放思考，總結(jié)逆變技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域的共性技術(shù)及需考慮的特殊問題，以應(yīng)用為引導，激發(fā)學生的學習興趣；最后，基于現(xiàn)象、原理與應(yīng)用，回歸到課程的關(guān)鍵知識點，讓學生能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)，基于應(yīng)用引導，促使學生掌握關(guān)鍵知識點。教師通過設(shè)計的案例，可有效加深學生對逆變技術(shù)的理解，比單純灌輸式講述逆變技術(shù)的理論知識、分析電量波形與計算方法，對學生而言更易于接受。

1.1 知識介紹

逆變的基本概念：直流電變?yōu)榻涣麟姟?/p>

逆變的類型及特點：有源逆變（與整流相對應(yīng)）與無源逆變；電壓型逆變與電流型逆變。

逆變的工作原理：針對電壓型單/三相逆變電路，逆變的電路拓撲、工作過程、反饋二極管的作用、交流側(cè)電壓與電流的波形、關(guān)鍵電量間的關(guān)系、交流電壓的傅里葉分解及諧波含量與次數(shù)。

逆變的主要應(yīng)用：交流不間斷逆變電源、交流電機驅(qū)動、新能源并網(wǎng)/離網(wǎng)發(fā)電、有源電力濾波、靜止無功發(fā)生、高頻感應(yīng)加熱等。

1.2 案例介紹

以單/三相電壓型逆變電路為例，如圖1 所示。直流側(cè)接直流電壓源，功率開關(guān)采用IGBT，并在每個開關(guān)上反并聯(lián)續(xù)流二極管。搭建逆變電路的開環(huán)仿真模型，如圖2 所示。根據(jù)負載形式不同，逆變電路交流側(cè)可接純阻、阻感等類型的負載。搭建功率開關(guān)的驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊，通過仿真環(huán)境中的Scope 模塊觀察交流輸出電壓、電流波形。通過Powergui 模塊對逆變電路交流輸出電壓、電流進行FFT 分析。圖3—圖5 為得到的仿真結(jié)果。

圖1 單/三相電壓型逆變電路

圖2 單/三相電壓型逆變仿真模型

圖3 單相電壓型半橋逆變仿真波形

圖4 單相電壓型全橋逆變仿真波形

圖5 三相電壓型半橋逆變仿真波形

對于理工科院系的教學工作來說，除了講解變換器的原理外，還應(yīng)結(jié)合實際，回歸到應(yīng)用中去。因此，在低頻開關(guān)信號下的逆變電路原理分析基礎(chǔ)上，搭建基于脈寬調(diào)制技術(shù)的高頻逆變電路模型，引導學生了解脈寬調(diào)制技術(shù)，高頻化的作用與優(yōu)勢，仿真結(jié)果如圖6 所示。此外，除了開環(huán)形式的逆變電路分析外，搭建逆變電路的閉環(huán)控制模型，并結(jié)合電機、電網(wǎng)等負載形式，引導學生面向應(yīng)用，了解逆變技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用。

圖6 三相電壓型半橋高頻逆變仿真波形

2 教學應(yīng)用

在實際教學過程中，教師根據(jù)設(shè)計的單/三相電壓型逆變技術(shù)教學案例，結(jié)合梳理的電力電子技術(shù)課程DC/AC逆變理論知識，通過案例認知、強化實踐、開放思考、知識回歸四個步驟展開。

2.1 案例認知

首先梳理電力電子技術(shù)課程中逆變的基本概念、類型與特點，介紹有關(guān)單相電壓型半橋逆變、單相電壓型全橋逆變、三相電壓型半橋逆變等三種逆變電路有關(guān)的電路拓撲、工作原理、關(guān)鍵波形與電量關(guān)系等基本理論與主要應(yīng)用。運行低頻開關(guān)信號下的逆變電路仿真模型，并在運行過程中觀察逆變器各電量的波形與量值關(guān)系。結(jié)合課程知識的理論介紹，引導學生對DC/AC 逆變技術(shù)建立感性上的認知，并分析逆變電路的關(guān)鍵點與仿真要領(lǐng)。

2.2 強化實踐

教師在引導學生理解三種逆變電路的關(guān)鍵點與仿真要領(lǐng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)變換器工作原理對仿真模型劃分主要功能區(qū)塊，并針對關(guān)鍵區(qū)塊進行必要性講解，啟發(fā)學生興趣。然后，將學生劃分為若干小組，在仿真環(huán)境下動手實踐，搭建逆變電路各功能區(qū)塊仿真模型，并測試各功能區(qū)塊的工作效果。確保各功能區(qū)塊正確無誤后，搭建逆變電路的完整仿真模型，驗證變換器的工作原理、關(guān)鍵波形與電量關(guān)系等理論知識。最后，進入小組討論環(huán)節(jié)，小組間分享仿真心得，老師對學生提出的共性問題進行解答，在仿真實踐過程中強化學生對課程中關(guān)鍵內(nèi)容的理解。

2.3 開放思考

在仿真驗證的基礎(chǔ)上，引導學生進行逆變技術(shù)外延內(nèi)容的開放性思考。例如，①對于三種電壓型逆變電路來講，根據(jù)對偶關(guān)系，是否存在電流型的逆變電路？引導學生思考電壓型、電流型逆變電路的主要區(qū)別、聯(lián)系及各自的工作特性，為接下來講解電流型逆變電路部分埋下伏筆；②如何實現(xiàn)大功率的逆變技術(shù)？如何改善逆變電路輸出電壓的波形質(zhì)量？引導學生思考，為接下來講解逆變電路的多重化與多電平逆變電路埋下伏筆；③結(jié)合應(yīng)用，對于電機、電網(wǎng)等負載形式，在掌握逆變電路基本原理的基礎(chǔ)上，還有哪些共性技術(shù)與特殊問題是需要考慮的？運行逆變電路高頻仿真模型，引導學生思考驅(qū)動信號高頻化及閉環(huán)控制的必要性與作用，為接下來的脈寬調(diào)制與閉環(huán)控制埋下伏筆。

2.4 知識回歸

通過前述案例認知、強化實踐與開放思考三個環(huán)節(jié)，學生已基本能夠掌握三種電壓型逆變電路的核心要點，并能夠主動思考完成一個實際的逆變器設(shè)備所需的內(nèi)容及努力的方向。在此基礎(chǔ)上，為幫助學生準確把握課程內(nèi)容的重點，結(jié)合案例，教師再次總結(jié)其中的關(guān)鍵點，從案例回歸到課程理論知識，加深學生對課程內(nèi)容的理解。

綜上，在前述案例認知、強化實踐、開放思考與知識回歸四個環(huán)節(jié)中，學生組成小組參與到教學過程中。教學期間，注重學生的主動思考、師生之間的互動以及小組之間的討論分享，鍛煉學生的團隊協(xié)作能力、主動思考問題的習慣以及獨立解決問題的能力，啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維。

3 結(jié)語

本文圍繞電力電子技術(shù)課程教學，以電壓型逆變技術(shù)為例，建立了教學案例，并通過案例認知、強化實踐、開放思考、知識回歸四個步驟闡述了基于案例的教學方法。這種教學方法以課程理論知識為基礎(chǔ)，以實際工程應(yīng)用為牽引，并充分利用計算機仿真等技術(shù)手段，有助于學生扎實掌握課程授課內(nèi)容，加深學生對相關(guān)知識的理解，促進學生理論聯(lián)系實際。實踐表明，本教學方法有助于充分調(diào)動學生的學習積極性，可以有效鍛煉學生的團隊協(xié)作能力、主動思考問題的習慣以及獨立解決問題的能力，有利于啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維。