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電力電子技術(shù)探析1

1引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程等電氣類專業(yè)非常重要的專業(yè)核心課程，主要教授電力電子器件、四大變流技術(shù)、PWM控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等內(nèi)容[1]。電力電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，幾乎涵蓋民生經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，是一門理論性、工程性與實(shí)踐性非常強(qiáng)的交叉學(xué)科。正因如此，如何加強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)教育，提高學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與滿足企業(yè)需求的專業(yè)技能人才，各高校已極為關(guān)注和重視。CDIO模式是一種在全球各國(guó)廣泛推行的工程教育模式[2]。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式主動(dòng)學(xué)習(xí)[3]。將CDIO模式運(yùn)用到《電力電子技術(shù)》的理論教學(xué)中，優(yōu)化“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為核心”的課程體系。推行基于項(xiàng)目、基于問題、基于案例的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法，支持學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對(duì)接，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新精神具有重要的理論價(jià)值。引入CDIO模式，開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目成為這門課程教學(xué)改革的一大重點(diǎn)。文華學(xué)院作為一所應(yīng)用型高校，大部分學(xué)生畢業(yè)后選擇就業(yè)，更注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。因此電力電子技術(shù)必須打破電路拓?fù)涮铠喪街v解的傳統(tǒng)教學(xué)模式，如何依據(jù)CDIO理念開展《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)、改革教學(xué)內(nèi)容、課程體系與教學(xué)方法都是值得我們探討的問題。

2現(xiàn)有教學(xué)中待改進(jìn)的問題

2.1傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)模式的改革本文主要探索理論教學(xué)的變革，解決本課程內(nèi)容電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繁多，波形分析復(fù)雜，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)抽象枯燥，學(xué)生投入度和互動(dòng)性普遍不高，對(duì)拓?fù)渌烙浻脖常瑢?duì)工作原理不求甚解的“痛點(diǎn)”問題。引入CDIO工程教育模式，并結(jié)合項(xiàng)目式和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合教學(xué)設(shè)計(jì)貫徹實(shí)施，將傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，學(xué)生由被動(dòng)灌輸變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)。采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

2.2教學(xué)設(shè)計(jì)過于死板，有待優(yōu)化改進(jìn)本教學(xué)改革的對(duì)象為我校機(jī)電學(xué)部電氣專業(yè)及智能電網(wǎng)專業(yè)20～21級(jí)學(xué)生。為學(xué)生設(shè)計(jì)《電力電子技術(shù)》的工程項(xiàng)目案例，使理論知識(shí)得到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與參與度，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。課題成果能夠提高學(xué)生的成就感，對(duì)學(xué)生參加國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽也有重要支撐作用，有利于提高學(xué)生在后續(xù)的求學(xué)、求職中的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。以CDIO理念為理論指導(dǎo)，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向，分模塊展開知識(shí)點(diǎn)講解，優(yōu)化原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱，豐富教學(xué)設(shè)計(jì)和改進(jìn)考核評(píng)價(jià)體系。從傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)轫?xiàng)目式教學(xué)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識(shí)點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用項(xiàng)目，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識(shí)。

2.3課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下學(xué)生首次接觸以波形分析為主要思路的電力工作原理過程，再加上單相三相，整流逆變等眾多類型的電路原理圖，本能上會(huì)出現(xiàn)畏難情緒。因此，傳統(tǒng)課堂講學(xué)極為出現(xiàn)教師滔滔不絕，學(xué)生安安靜靜的氛圍，為改善沉悶的課堂氣氛，可結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)，靈活教學(xué)。線上發(fā)布任務(wù)，線下討論指導(dǎo)。利用學(xué)習(xí)通，發(fā)布討論，隨機(jī)選人，搶答等功能活躍課堂氣氛，增加趣味性和互動(dòng)性。解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下的問題，往往出現(xiàn)搶答環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生感覺緊張又刺激，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

3CDIO模式教學(xué)改革實(shí)施方案

3.1教學(xué)項(xiàng)目的選取與設(shè)計(jì)對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的選取，首先從整體上分析該門課程的教學(xué)任務(wù)，確定整體的任務(wù)和目標(biāo)之后，再將核心知識(shí)點(diǎn)模塊化，并針對(duì)每一部分知識(shí)點(diǎn)選取合適的工程項(xiàng)目，或者小范圍的綜合性項(xiàng)目。項(xiàng)目選取的原則為難度適中，內(nèi)容高度契合理論內(nèi)容。然后對(duì)各項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的需求設(shè)計(jì)，以及理論知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并將項(xiàng)目資源運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)反饋調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)項(xiàng)目。開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目是這門課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。本次教學(xué)改革將根據(jù)電力電子的四大變流技術(shù)設(shè)計(jì)4個(gè)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)，由淺到深，由易到難，與專業(yè)緊密結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)，應(yīng)用于《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)的實(shí)施，切實(shí)提高教學(xué)效果。項(xiàng)目1：直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：矩形波單相逆變器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：便攜式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)項(xiàng)目4：舞臺(tái)調(diào)光燈的設(shè)計(jì)

3.2CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)為適應(yīng)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，制定以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，注重項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識(shí)與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來。同時(shí)，在學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生分組討論，構(gòu)思設(shè)計(jì)，反饋交流。再通過傳統(tǒng)線下課堂圍繞案例展開知識(shí)點(diǎn)講解，指導(dǎo)項(xiàng)目疑難問題。實(shí)現(xiàn)以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自覺性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性。同時(shí)線上的過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將形成科學(xué)有效的過程性評(píng)價(jià)及反饋，幫助教師完成評(píng)價(jià)考核以及進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)。下面以開關(guān)電源的項(xiàng)目為例，如圖1所示，展示基于CDIO理念的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。該教學(xué)設(shè)計(jì)采取“三縱四橫”原則，主題是開關(guān)電源的項(xiàng)目式教學(xué)，以CDIO的工程思維為理論指導(dǎo)，采取傳統(tǒng)課堂和學(xué)習(xí)通平臺(tái)的線上線下混合教學(xué)方式推進(jìn)實(shí)施。開關(guān)電源為本課程第五章直流直流變換內(nèi)容。項(xiàng)目分為4個(gè)步驟：第一步，項(xiàng)目構(gòu)思。由教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容發(fā)布任務(wù)，學(xué)生分組討論，根據(jù)項(xiàng)目所涉及的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)自學(xué)查閱，并構(gòu)思項(xiàng)目方案和項(xiàng)目需求。此步驟通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布。第二步，項(xiàng)目設(shè)計(jì)。教師圍繞知識(shí)點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目做具體介紹，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并開始進(jìn)行具體的方案設(shè)計(jì)。此步驟在線上課堂完成。第三步，方案實(shí)現(xiàn)。學(xué)生借助學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)施進(jìn)行方案驗(yàn)證，或者通過仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時(shí)教師可以指導(dǎo)和答疑解惑。此為最重要的過程，由學(xué)生在線下完成。第四步，項(xiàng)目驗(yàn)收。驗(yàn)收形式可以靈活多樣，可以通過學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)上傳驗(yàn)證視頻及文檔報(bào)告，由學(xué)生相互學(xué)習(xí)評(píng)分，最后在線下課堂完成優(yōu)秀評(píng)選。

3.3學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)按照教學(xué)要求完成《電力電子技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)。配合項(xiàng)目式教學(xué)，開發(fā)制作完成線上配套的相關(guān)項(xiàng)目視頻資料、教學(xué)資源，課后練習(xí)，包括課件制作，章節(jié)測(cè)試題庫設(shè)計(jì)、討論題庫設(shè)計(jì)、小組討論內(nèi)容和形式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)課堂”項(xiàng)目成果展示及交流平臺(tái)。我校《電力電子技術(shù)》課程位48學(xué)時(shí)，可根據(jù)課程章節(jié)安排，選取重要的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生分組PK，要求組內(nèi)分工合作，每個(gè)人都要負(fù)責(zé)相應(yīng)任務(wù)，可以選擇仿真，分解知識(shí)點(diǎn)講授，或者PPT制作，或者是現(xiàn)場(chǎng)板書等，確保全員都能參與。

3.4學(xué)情反饋，評(píng)價(jià)考核的制定學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)是一個(gè)很好的教學(xué)輔助工具，能夠提供課堂報(bào)告、學(xué)情統(tǒng)計(jì)、成績(jī)統(tǒng)計(jì)等信息，并以可視化圖表的形式反饋給老師，如簽到率，課堂表現(xiàn)TOP10，課堂選人回顧，章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)，綜合成績(jī)分布等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，老師對(duì)班級(jí)整體情況，甚至每位學(xué)生的詳細(xì)學(xué)習(xí)情況一目了然，老師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)情及時(shí)調(diào)整項(xiàng)目?jī)?nèi)容及進(jìn)度安排，還可以針對(duì)不同掌握層次的學(xué)生發(fā)布不同的項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行分層教學(xué)和個(gè)性化的一對(duì)一輔導(dǎo)，教師也可以根據(jù)反饋情況進(jìn)一步完善教學(xué)設(shè)計(jì)和考核評(píng)價(jià)。分組討論P(yáng)K后，最后全員一起投票推優(yōu)，提高學(xué)生參與感和成就感。引入線上學(xué)情反饋后，對(duì)綜合評(píng)價(jià)比例做出一定修訂，并進(jìn)一步細(xì)化過程評(píng)價(jià)內(nèi)容。

4教學(xué)改革目標(biāo)

4.1完善以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱《電力電子技術(shù)》現(xiàn)有教學(xué)大綱包含課程教學(xué)目標(biāo)，且已融入課程思政元素，但在教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排上，仍然以理論知識(shí)為主，輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，學(xué)生接觸到的還停留在考試層面，死記硬背層面，對(duì)知識(shí)的融匯貫通和實(shí)際應(yīng)用缺乏認(rèn)識(shí)。現(xiàn)有教學(xué)大綱總體來說可以滿足理論教學(xué)，在此基礎(chǔ)之上引入CDIO工程教育模式，在每個(gè)章節(jié)增加項(xiàng)目應(yīng)用，改革專業(yè)課教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提供以培養(yǎng)專業(yè)技能人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱。

4.2混合式教學(xué)設(shè)計(jì)的改革創(chuàng)新（1）從傳統(tǒng)教學(xué)到項(xiàng)目式教學(xué)。打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識(shí)點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識(shí)。（2）從線下課堂到學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)。除了傳統(tǒng)的線下課堂，還可以有機(jī)結(jié)合線上平臺(tái)，通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織分組實(shí)踐，線上討論交流，同時(shí)還可以利用學(xué)習(xí)通發(fā)布課件，微課，視頻，動(dòng)畫，課件預(yù)習(xí)，章節(jié)測(cè)試等內(nèi)容，進(jìn)一步豐富和拓展線下教學(xué)，增加線下互動(dòng)性及趣味性。把知識(shí)內(nèi)容多層次多角度展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生可以充分利用碎片時(shí)間自主自學(xué)。

4.3教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與拓展如項(xiàng)目預(yù)期效益較好，可進(jìn)一步豐富項(xiàng)目案例，如：三相橋式整流器的設(shè)計(jì)、SPWM逆變器的設(shè)計(jì)、變頻器的設(shè)計(jì)、UPS電源、光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器、車載220V逆變器設(shè)計(jì)、車載USB充電器設(shè)計(jì)等項(xiàng)目，以預(yù)防下屆學(xué)生重復(fù)利用上屆學(xué)生的成果及報(bào)告，同時(shí)由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新項(xiàng)目教學(xué)案例需要做到每屆更新和改進(jìn)。

4.4課題應(yīng)用價(jià)值的思考隨著社會(huì)分工的細(xì)化以及對(duì)工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。結(jié)合項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，可以思考推廣到較多工程應(yīng)用型較強(qiáng)的課程。該工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)可拓展應(yīng)用到電氣專業(yè)及機(jī)電學(xué)部其他實(shí)踐性較強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)，如《電氣控制與PLC技術(shù)》、《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》等專業(yè)課，有利于學(xué)科交叉，資源共享。5結(jié)語目前“電力電子技術(shù)”課程還停留在理論教學(xué)的層面，工程實(shí)際應(yīng)用涉獵較少，學(xué)生的工程思維能力和實(shí)踐應(yīng)用能力稍有欠缺，與企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用能力的需求有較大差距。因此，本課程教學(xué)改革采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才[4]。相信隨著社會(huì)分工的細(xì)化以及對(duì)工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

作者:劉婷婷 聶菁 張新建 范娟 單位:文華學(xué)院

電力電子技術(shù)探析2

1研究背景電力電子技術(shù)課程是電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化、應(yīng)用電子技術(shù)等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是綜合性很強(qiáng)的一門課程。該課程的特點(diǎn)是變流電路和波形圖較多，實(shí)踐性很強(qiáng)。如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)獲得較好的教學(xué)效果，使學(xué)生能很好地掌握課程內(nèi)容，并培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是亟待解決的問題。電力電子技術(shù)是一種應(yīng)用半導(dǎo)體器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，主要研究各種電力電子器件，以及由這些器件構(gòu)成的電路或裝置。電能變換通常分為四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流和交流變交流。電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，給生產(chǎn)和生活帶來深遠(yuǎn)的影響。電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開展教學(xué)，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材缺乏的不足，減少實(shí)驗(yàn)耗材，使學(xué)生能夠?qū)﹄y以理解的抽象內(nèi)容有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)電路工作過程的理解，同時(shí)使教學(xué)過程更具實(shí)時(shí)性、直觀性、生動(dòng)性。Simulink是MATLAB仿真軟件中的重要工具之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。利用Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)系統(tǒng)做實(shí)時(shí)修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試及整定系統(tǒng)參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能、減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。

2課程教學(xué)過程

2.1理論教學(xué)過程以三相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)為例，電路圖如圖1所示。晶閘管1，3，5共陰極連接，晶閘管2，4，6共陽極連接，晶閘管1，3，5分別在相電壓u，v，w的正半周觸發(fā)導(dǎo)通，而晶閘管4，6，2分別在相電壓u，v，w的負(fù)半周觸發(fā)導(dǎo)通。在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)帶電阻性負(fù)載的可控整流電路時(shí)，能夠通過對(duì)電路的分析得出晶閘管何時(shí)導(dǎo)通、何時(shí)關(guān)斷。當(dāng)可控整流電路的負(fù)載為生產(chǎn)實(shí)際中最常見的既有電阻又有電感的阻感性負(fù)載時(shí)，部分學(xué)生對(duì)電路的工作過程不能很好地理解。由于電感對(duì)電流變化有抗拒作用，當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時(shí)，在電感的兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為，它的極性是阻止電流變化的。當(dāng)流過電感的電流增加時(shí)，它的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性阻止電流增加；當(dāng)流過電感的電流減小時(shí)，它的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性阻止電流減小。這種特性使得流過電感的電流不能發(fā)生突變，這也是理解和分析可控整流電路帶阻感性負(fù)載工作情況的關(guān)鍵之一。當(dāng)觸發(fā)角0°≤α≤60°時(shí)，此電路帶阻感性負(fù)載的工作情況與帶電阻性負(fù)載時(shí)相似，負(fù)載兩端電壓波形、晶閘管陽陰極間電壓波形相同，每個(gè)晶閘管與前一個(gè)觸發(fā)的晶閘管一起導(dǎo)通60°，再和后一個(gè)觸發(fā)的晶閘管一起導(dǎo)通60°。若后一個(gè)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，則前一個(gè)晶閘管陽陰極間承受反向電壓而關(guān)斷，每個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通120°。與帶電阻性負(fù)載時(shí)不同的是由于電感的作用，流過負(fù)載的電流波形會(huì)變得很平直。當(dāng)觸發(fā)角60°<α≤90°時(shí)，此電路帶阻感性負(fù)載的工作情況與帶電阻性負(fù)載時(shí)不同。當(dāng)帶電阻性負(fù)載時(shí)，以晶閘管1為例，晶閘管1從觸發(fā)時(shí)刻和晶閘管6一起導(dǎo)通一直到相電壓vuuu=的時(shí)刻，晶閘管1和6一起關(guān)斷，在之后的30°沒有晶閘管導(dǎo)通，接著觸發(fā)晶閘管2，輔助脈沖觸發(fā)晶閘管1，因?yàn)?uu>wu，所以晶閘管1和2一起導(dǎo)通，一直到?uu=wu的時(shí)刻一起關(guān)斷。電阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓波形是斷續(xù)的。而當(dāng)負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，仍以晶閘管1為例，由于電感的特性，晶閘管1和6從觸發(fā)時(shí)刻一起導(dǎo)通，當(dāng)vuuu=時(shí)刻，也不會(huì)關(guān)斷，電感釋放能量阻礙電流減小，晶閘管1和6繼續(xù)導(dǎo)通，一直到晶閘管2的觸發(fā)時(shí)刻，因?yàn)?uu>wu，所以晶閘管1和2觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管2和6在此刻換流，晶閘管6承受反壓而關(guān)斷，其他晶閘管的工作過程類似，每個(gè)晶閘管仍然持續(xù)導(dǎo)通120°，負(fù)載電壓波形仍然連續(xù)。在理論教學(xué)過程中，一些學(xué)生對(duì)電感這樣一個(gè)儲(chǔ)能元件的特性理解不深，所以在分析帶阻感性負(fù)載的可控整流電路的工作過程時(shí)感覺比較困難，因此筆者采用了基于MATLAB/Simulink軟件的仿真教學(xué)方法。

2.2MATLAB/Simulink軟件仿真教學(xué)分析為了幫助學(xué)生更好地理解帶阻感性負(fù)載的可控整流電路的工作過程，采用仿真軟件MATLAB中的仿真集成環(huán)境Simulink，利用Simulink的基本模塊和電氣系統(tǒng)仿真庫SimPowerSystem中的元件模型，建立帶阻感性負(fù)載的三相橋式全控整流電路的仿真模型，對(duì)相關(guān)元件或模塊進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，最后對(duì)仿真起止時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、允許誤差和求解算法等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和選擇。三相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)仿真模型如圖2所示。三相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)仿真模型參數(shù)設(shè)置：三相電源相電壓峰值為100V，頻率為50Hz，A相、B相、C相的初始相位角依次為0°，—120°，—240°，負(fù)載為阻感性負(fù)載，R=2Ω，L=0.05H。將三相交流電壓源、晶閘管1的電壓電流、負(fù)載電壓電流的波形通過信號(hào)合成在一張圖中，便于在示波器中觀察同一時(shí)刻這些電壓電流的變化規(guī)律。在對(duì)可控整流電路仿真時(shí)，最為關(guān)鍵的是對(duì)每個(gè)晶閘管觸發(fā)角α的設(shè)置。設(shè)置此參數(shù)是通過對(duì)脈沖發(fā)生器的相位延遲來實(shí)現(xiàn)的。以晶閘管1為例，當(dāng)α°=0°時(shí)即ωt°=300°，三相電源電壓周期為0.02s，此刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=0.02×0.00167s360300.02≈×0≈0.00167s。由于三相橋式全控整流電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖按管號(hào)順序依次相差60°，因此其他晶閘管的脈沖發(fā)生器的延遲時(shí)間按照管號(hào)順序依次推遲0.00333s。在電路的仿真參數(shù)設(shè)置窗口，選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)為1e-3，電路仿真中將仿真開始時(shí)間設(shè)為0.3s，停止時(shí)間設(shè)為0.4s，在示波器上最終顯示波形為0.3s～0.4s的電路相關(guān)物理量的波形。

3仿真結(jié)果分析

圖3為α=0°時(shí)三相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)相關(guān)電壓電流的仿真波形，圖4為α=90°時(shí)三相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)的仿真波形。圖3、圖4中的波形依次為三相交流電壓源波形(A相黃線，B相紫線，C相藍(lán)線)、晶閘管1陽陰極間電壓(u)、電流(i)波形、阻感性負(fù)載兩端電壓(u)、電流(i)波形。從圖3可以看出，阻感性負(fù)載時(shí)輸出電壓波形與電阻性負(fù)載時(shí)相同，輸出電壓在相電壓的一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次。然而負(fù)載電流波形不同，流過阻感性負(fù)載的電流呈指數(shù)級(jí)逐漸增大，在0.34s時(shí)電路已經(jīng)接近穩(wěn)態(tài)，負(fù)載輸出電流趨于恒定值。圖4中負(fù)載是阻感性負(fù)載，所以輸出電壓波形連續(xù)，在相應(yīng)線電壓過零點(diǎn)后，之前導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通30°，直到其中一個(gè)晶閘管和后一個(gè)觸發(fā)的晶閘管進(jìn)行換流。負(fù)載輸出電壓波形有正有負(fù)，輸出電壓在相電壓的一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次，輸出電壓波形和橫軸圍成的正負(fù)面積相等，輸出電壓平均值為零。在電路仿真教學(xué)過程中，通過任意調(diào)節(jié)電感的大小以及改變晶閘管的觸發(fā)角，觀察其對(duì)輸出電壓、電流的影響，這種方式非常直觀明了，可以幫助學(xué)生全面理解帶阻感性負(fù)載的整流電路的工作過程。

4結(jié)語

與常規(guī)教學(xué)方法相比，基于MATLAB軟件的仿真分析方法更直觀、生動(dòng)、形象。利用MATLAB軟件中的Simulink模塊庫可以搭建很多電力電子電路。在搭建好電力電子電路的仿真模型后，只要合理設(shè)置電路仿真模型的參數(shù)，通過改變整流電路的觸發(fā)角或者負(fù)載參數(shù)，或者使其中一個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖延遲、提前、消失，就可得到改變后電路的相關(guān)波形，為同一電路在不同觸發(fā)角或者負(fù)載的情況下的比較和性能指標(biāo)分析提供一定的便利。學(xué)生在電路仿真過程中，通過示波器模塊可以觀測(cè)到動(dòng)態(tài)的電壓電流波形，可以對(duì)整個(gè)電路的工作過程有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的積極性，為其后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

作者:周群利 余紅英 白彩波 侯德華 潘東旭 單位:蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與自動(dòng)化學(xué)院

電力電子技術(shù)探析3

教育部2017年2月發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》指出，深化工程教育改革、建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)，對(duì)服務(wù)和支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大，也為深化工程教育改革提供了良好契機(jī)。《電力電子技術(shù)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有工程性和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而目前所采用的實(shí)驗(yàn)裝置大多數(shù)結(jié)構(gòu)封閉，直觀性與可操作性較差，系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行條件難以修改，實(shí)驗(yàn)結(jié)果極具確定性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生容易形成機(jī)械式操作，被動(dòng)式學(xué)習(xí)，淺嘗輒止；且固定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不利于促進(jìn)學(xué)生發(fā)散思維的形成，也很難使學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到提升。和硬件實(shí)驗(yàn)裝置相比，仿真軟件卻具有極大的可操作性，且可以為學(xué)生提供從無到有的設(shè)計(jì)過程。考慮到軟件仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)多所大學(xué)紛紛建立了《電力電子技術(shù)》課程的虛擬仿真平臺(tái)，如浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院結(jié)合仿真軟件和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了“虛實(shí)結(jié)合框架的電力電子遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)”等平臺(tái)。電力電子技術(shù)是研究電能變換與控制的一門技術(shù)，功率特性是其主要技術(shù)指標(biāo)。因此，《電力電子技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就離不開功率特性，單純的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)均難以獲得良好的教學(xué)效果。硬件實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果固化嚴(yán)重，難以激發(fā)學(xué)生分析思考的意識(shí)；虛擬仿真系統(tǒng)則較為靈活，但無法完全體現(xiàn)電能變換電路的實(shí)際功率特性。因此，結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真技術(shù)，通過虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以改變目前被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提升課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

《電力電子技術(shù)》虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)硬件操作軟件化，軟件操作功率化。在此基礎(chǔ)上，借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的靈活性和可擴(kuò)展性，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展前沿及社會(huì)需求，探索電力電子技術(shù)在實(shí)踐中的創(chuàng)新型應(yīng)用，并作為創(chuàng)新探索項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)裝置的操作方式上，鑒于以往實(shí)驗(yàn)中暴露出的問題，例如示波器探頭極易損壞、實(shí)驗(yàn)裝置可操作性差、故障率高且維修過程繁瑣漫長(zhǎng)等，利用數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)代碼生成與GUI軟件的操作功能，達(dá)到虛實(shí)融合，以提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性。《電力電子技術(shù)》虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖（如圖所示），包含虛擬仿真部分和實(shí)際硬件部分。硬件電路部分主要包含主電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制板卡等部分。其中，主電路為各實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)應(yīng)的電力電子變換器拓?fù)洌徊蓸与娐穼?duì)主電路關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行采樣及處理；驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制；控制板卡采用多種選擇的可插拔式結(jié)構(gòu)，包含集成PWM控制器構(gòu)成的模擬控制板卡，DSP、單片機(jī)構(gòu)成的微控制器數(shù)字控制板卡等。控制板卡為虛實(shí)融合的橋梁，也是核心部分，通過運(yùn)行與虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)虛擬部分和實(shí)際硬件部分的融合。虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的虛擬仿真部分基于仿真模型，具有GUI操作、GUI顯示、MCU代碼生成等功能。仿真模型與實(shí)際硬件電路一一對(duì)應(yīng)，包含對(duì)主電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路的建模，以及所采用的控制算法。代碼生成接口可將仿真模型中的控制算法生成可執(zhí)行程序，下載到控制板卡中的微控制器中。GUI操作部分作為實(shí)驗(yàn)裝置的上位機(jī)操作方式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)下設(shè)。GUI顯示部分負(fù)責(zé)讀取硬件電路的關(guān)鍵波形數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。按照這樣的方式，實(shí)現(xiàn)軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)的高度融合，通過軟件仿真可以生成硬件控制代碼，而硬件實(shí)驗(yàn)的操作及數(shù)據(jù)讀取則可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)軟件操作功率化硬件操作軟件化。

虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

基于Simulink軟件的《電力電子技術(shù)》仿真教學(xué)依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容需要，以基本的電力電子變換器拓?fù)錇橹黧w，融合電力電子器件及應(yīng)用、PWM技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的仿真教學(xué)內(nèi)容。針對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)多變化、仿真結(jié)果未知化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

探索式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)課程內(nèi)容，結(jié)合仿真教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)具備參數(shù)靈活設(shè)置、故障情境預(yù)置、代碼生成接口功能的新一代電力電子技術(shù)硬件實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)具備內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化、連接靈活化的特點(diǎn)，結(jié)合可編程電源和可編程電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、運(yùn)行條件的靈活配置與故障情景預(yù)置。實(shí)驗(yàn)裝置采用數(shù)字控制，為軟硬件結(jié)合建立代碼生成接口。基于Simulink軟件的一體化虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程利用Simulink軟件的代碼生成功能，實(shí)現(xiàn)《電力電子技術(shù)》虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)與硬件實(shí)驗(yàn)裝置的融合。在仿真模型的基礎(chǔ)上，通過將被控對(duì)象切換為硬件實(shí)驗(yàn)裝置，由代碼生成接口將仿真軟件與硬件實(shí)驗(yàn)裝置連接起來，從而使學(xué)生通過接近仿真操作的方式操作硬件實(shí)驗(yàn)裝置，完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。基于虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范在虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，制定《電力電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施方案。虛擬仿真部分基于Simulink軟件實(shí)現(xiàn)，不受時(shí)間、空間上的限制，跟隨課堂理論教學(xué)內(nèi)容開展。虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)部分在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后實(shí)施。為了使實(shí)驗(yàn)過程更加具有針對(duì)性，實(shí)驗(yàn)部分緊密結(jié)合仿真部分對(duì)應(yīng)內(nèi)容，在虛擬和實(shí)物的對(duì)比中幫助學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解與掌握。

結(jié)語

通過結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和硬件實(shí)驗(yàn)技術(shù)，建立虛實(shí)融合的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題，形成了虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，解決了課程理論知識(shí)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過渡較大的問題，促進(jìn)了學(xué)生工程實(shí)踐能力的提升，對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)類課程的改革具有一定的借鑒意義。

作者:李振偉 喬峰 杜春燕 孫曉 劉喜梅 單位:青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院