科研项目在“电力电子技术”教学中的应用

2013-08-23李一鸣李宏民

电气电子教学学报 2013年2期

荣军，李一鸣，李宏民，杨勃

(湖南理工学院1.信息与通信工程学院;2.计算机学院，湖南岳阳 414006)

高校重视学生科研能力培养教育，是现代高等教育发展的趋向，理工科大学生的培养已从知识型向素质型转化，着重培养学生的学习能力、动手能力和综合解决问题的能力［1］。笔者在自动化专业“电力电子技术”专业课教学中，将自己的科研项目引入课堂教学中，取得了不错的教学成效。

1 课堂教学知识举例

笔者在课堂教学时采用的教材［2］中，软开关电路是教学上的一个重点也是一个难点，特别是其中的移相全桥型零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是对逆变电路(DC/AC)和斩波电路(DC/DC)知识的延展。作为软开关技术新的知识点的引入，它是上述所有知识的一个综合运用。

移相全桥型零电压开关PWM电路，其电路工作原理如图1所示。教师对着工作波形将其工作原理在上半周期分为七个工作阶段，在每个阶段做详细的讲解。

对于零电压转换PWM电路的工作原理在教材中已有详细介绍，其工作电路如图2所示。

这两个软开关电路从原理上比较难理解，学生普遍反映理论性太强，不明白其具体应用场合，所以学习积极性不高。笔者将自己的科研项目与课堂教学结合起来，通过对科研项目的系统讲解，让学生将课堂教学知识通过具体应用来消化吸收。并且采用仿真结果验证课堂所学理论知识。

图1 移相全桥零电压开关PWM的工作电路

图2 零电压转换PWM的工作电路

2 科研项目的引入

图3 通信电源主电路结构框图

为配合在课堂上讲解上述两个软开关电路，笔者先介绍一个与课堂教学结合的具体科研项目。这个课题来源于通信电源项目。主要是:①单相功率因数校正AC/DC变换电路的研究，包括所采用的电路以及基于UC3855A的控制电路设计。②移相全桥DC/DC变换电路的研究，包括所选用的电路以及基于UC3875的控制电路的研究。

上面所研究的两个问题在教材［2］中第四章和第五章都有介绍。另外，为了提高系统的效率和消除谐波，就要应用到第八章的“软开关技术”;对谐波这个概念在第三章整流电路已有详细的介绍。因此笔者的这个科研项目所用到的知识与该教材四章内容的知识紧密衔接。尤其是上节中提及的两个电路:移相全桥零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路都包括在其中。该通信电源项目的具体电路如图3所示。

本项目具有如下主要技术指标。输入电压:单相交流220±10%V，输入频率:50Hz/60Hz，输出电压:48V，输出电流:20A，电压调整率±2%，纹波电压峰—峰值小于240mV，效率大于90%，功率因数大于98%;开关频率:f=100 kHz。

从技术指标可以看出，项目要求设计一个输出48V的直流电源。学生会认为不就是《电力电子技术》第三章整流的知识吗?此时笔者即提出是不是有谐波污染以及功率因数高不高的问题?为此，笔者会选用第五章介绍的Boost电路来提高功率因数和消除谐波污染。但是，市电经不控整流后又经过Boost电路，电压可能会升高到300～400V。学生会想到先将直流逆变成交流，再用变压器降压后整流成所要求的48V直流电压。在整个教学过程中，笔者通过科研项目的引导，一步步地引导学生将整个《电力电子技术》中学过的章节串联起来，将学过的知识点通过项目得到应用，从而达到了学习目的。

我们为了验证课堂所学理论知识的正确性，利用仿真软件PSpice对项目进行了仿真，仿真波形如图4和图5所示［3，4］。图4为零电压转换 PWM 电路的主开关管软开通过程，图5为输入电压和输入电流的工作波形。从仿真波形图可以看出Boost电路改善了输入电流波形，起到功率因数校正的目的，也证明了Boost电路除了具有升压的作用，而且能够提高功率因数。由此可见，在“电力电子技术”课堂教学中将教师科研项目紧密相结合，可以鼓励学生将课堂所学理论知识应用于实际项目当中。