电力电子技术综合创新性实验教学改革

刘金华　朱春媚

摘要：针对本校现有的电力电子实验装置不能满足学生实验要求现状，提出了电力电子技术综合创新性实验教学改革。本文阐述了教学改革的内容、具体改革实施方案与方法。本教学改革的实施增强了学生独立进行硬件电路制作的能力，为学科竞赛和毕业设计打下基础。

关键词：电力电子技术；综合创新性；实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0209-02

《电力电子技术》是本校自动化、电气工程及其自动化专业的9门专业核心课程之一。电力电子技术跨“电力”、“电子”和“控制”3个领域，是“弱电子”对“强电力”实现控制的桥梁和纽带。该课程的实践性非常强，很多概念和方法必须通过实践环节才能较好地领会和掌握。在做好理论教学的同时，加强实验教学非常重要。实验教学对帮助学生理解和巩固课堂理论知识，培养学生的操作技能、创新意识和探索精神具有重要的作用。在工程实践中，该课程始终呈现高速发展趋势，不断有新的器件、新的电路拓扑结构与新的控制方法问世。这些因素决定了对该课程的实践环节进行改革是非常必要的。

一、教学改革背景

目前我院在电力电子技术实验教学环节中仍在使用某公司的“TKDD一1型电力电子技术及电机控制实验装置”，该实验装置经过多年使用，器件老化，存在如下问题：

1.故障率高，烧坏设备的情况经常出现，如直流斩波电路的MOSFET管子经常烧坏，概率几乎达到100%，做完一组下一组几乎没法做，三相全控整流电路的晶闸管也有类似情况。

2.实验数据与理论值之间的误差很大，严重影响了实验效果，如控制角α的调整范围很窄，无法实现逆变，这些实验参数厂家也无法完全修复。

3.能做的实验数量少，而且多数为验证性实验，学生只能被動地接受实验结果，学习兴趣不大。

4.现有的实验设备是模块化、封闭的实验箱，学生在上面进行接线、用示波器观察波形，测试数据，能够理解基本电力电子电路的原理和工作过程，但是对电力电子实际元器件电路缺乏直观的认识，也缺乏个人发挥空间。

5.目前学生的毕业设计面临硬件电路制作无从下手的局面，所以必须进行前期积累，掌握基本的硬件电路制作方法，为以后毕业设计制作综合性电路打下基础。

二、教学改革的内容

1.保留必要的验证性实验。在实验初级阶段，学生刚接触电力电子技术实验，对实验设备和仪器还很陌生，此时采用传统的“老师讲、学生听”的方式，通过教师操作演示给学生看，对学生掌握实验设备和仪器的正确使用方法、强电实验中安全用电的基本知识和注意事项以及进行规范操作很有好处。

需要根据现有设备的情况以及该实验课程特点，确定3个验证性实验，最好包括整流、斩波、调压、逆变四个基本电路拓扑。

2.开展综合创新性实验教学改革。该课程是一门实践性非常强的课程，需要学生熟悉常用电力电子仿真软件的使用、常用的元器件及选型、掌握高频变压器的绕制、高频电感的制作、熟悉电路原理图绘制、熟悉电路板布线及制作、掌握常用的硬件电路调试方法，最后完成电力电子电路制作的完整工艺流程。

根据学生的情况分为两个层次：

第一个层次：欠缺电路制作经验的学生选作教师提供的课题；

第二个层次：有基础的学生可以自主设计产品。设计过程中教师要给予一定的指导，学生可自行查阅资料，购买元器件，设计、焊接和调试电路。学生在采购元器件的过程中了解了元件的参数和特性，在调试过程中学会了使用示波器等设备，培养了分析问题、解决问题的能力，这样做不仅有利于因材施教，为学生的自由发展创造良好条件，而且可以提高实验室的利用率，同时还开发了学生的潜力，为学校组织广东省机电产品创新大赛、全国电子设计大赛、机器人比赛、三菱自动化杯等培养人才。

三、具体的实施方案与方法

该实验课总共16个学时，其中一部分为基本的验证性实验，另外的学时作为综合创新性实验，学生分组进行电力电子实际电路的制作和调试，每组（2～3人）上交一个电路作为考核依据，并每人提交综合创新性实验报告一份。学生需要完成以下工作：原理电路仿真、电路拓扑确定、元器件参数计算及选型、元器件清单列表、高频变压器绕制或者电感绕制、原理图绘制、电路板布线、电路焊接、电路调试，从而掌握电力电子电路制作的完整过程。

1.2013—2014年第1学期在11自动化A、B班做过初步尝试，已经采用其中的8个学时做了综合创新性实验教学改革，学生能够初步掌握高频变压器的绕制，接近60%的同学能够焊接并调试出开关电源（输入85～220V，单输出或者双输出10～24V）电路，11自动化B接近80%，初步达到目的，但仍然存在如下关键问题：因为输入电压过高的原因，出于安全性考虑，所有的电路调试都是老师在场进行调试的，学生没有掌握硬件电路调试的要点，这是下一步必须改善的地方；

2.2014—2015年第1学期实施方案：在12自动化3个班进一步开展综合创新性实验教学改革，合理确定题目，降低输入电压要求，实现36V以下安全电压输入，目标是实现90%以上的学生能自主绕制高频变压器或者高频电感、焊接、调试电路，并且形成积累，为相关学科竞赛培养和物色人才。

3.2015—2016年第1学期实施方案：在13自动化1个班、电气工程及其自动化2个班进一步开展综合创新性实验教学改革，在前两轮改革的基础上，可以增加题目的数量，优化题目的内涵，目标是学生的作品可以参加学科竞赛。

四、实施案例

在全世界致力于发展低碳经济的大环境下，高效节能的高频开关电源具有广阔的市场，高频化、高效率、小型化和绿色化是高频开关电源的发展趋势。针对本校学生的特点和接受能力，考虑安全性的前提下，制作小功率辅助开关电源，输入为36V直流电，输出为5V直流电，选用PI公司的DPA-Switch系列，基于PI Expert v9.0进行电路设计。

1.电路原理图和PCB图纸。设计的DC/DC 5V高频开关电源以DPA422为核心控制芯片，将220 V高频MOSFET与全部控制和故障保护电路集成在一起的单片IC，具有较宽的直流电压输入范围（16 VDC至75 VDC），开关频率可选300/400 kHz。高频开关电源原理图如图1所示，PCB图纸如图2所示。

2.电路制作和调试。高频变压器的绕制是整个硬件电路制作的关键环节。图3是高频变压器绕制的电特性原理图。分为初级绕组、次级绕组和偏置绕组。图4是输出电压的测试结果。

五、结论

本教学改革以11级、12级、13级自动化、电气工程及其自动化专业的学生为教学改革的对象，完成电力电子电路制作的完整工艺流程。为学校组织广东省机电产品创新大赛、全国电子设计大赛等各类型学科竞赛培养人才，促进我院工科类教学质量的提高。同时也为学生的毕业设计打下良好的基础。根据这几年带毕业设计的经验，很多学生到大四都无法独立进行硬件电路制作，只是停留在简单的电装实习阶段，所以一到毕业设计，遇到综合性较强的硬件制作，根本无法下手。通过此训练，这种情况将会得到较大改善。

参考文献

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[2]程琼，郑建勇，廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].电气电子教学学报，2009，31（2）.

[3]李旭春，王春凤.创新实践教学，提高电力电子技术基础课程教学效果[J].实验技术与管理，2012，29（7）.