案例教学法在《电力电子技术》课程教学中的应用研究

东莞理工学院　张　志



案例教学法在《电力电子技术》课程教学中的应用研究

东莞理工学院张志

“电力电子技术”课程是一门实践性很强的专业课程，同时也是电气控制类专业的一门专业基础课程。针对该课程实用性较强、电路种类较多、学生难以理解等问题，本文以案例教学的方式，在电力电子技术教学改革实践中进行了应用研究。通过实践案例可以学生更全面深入地理解和掌握“电力电子技术”课程内容，同时对丰富课程教学手段、提高教学质量、培养创新人才具有重要意义。

电力电子技术；案例教学；教学改革

“电力电子技术”是高校电气工程及其自动化、自动化专业本科生的一门专业必修课程，具有较强的理论性和实践性，同时也是一门涉及电力技术、电子技术、控制技术相结合的交叉学科，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门新兴技术，具有较强的实用性及广泛的应用领域和前景。

一、案例教学法在《电力电子技术》课程中实施的必要性

由于“电力电子技术”具有实践性较强的特点，其课程实验是培养学生分析和解决问题的关键环节，对提高学生动手实践能力的具有很大作用，同时也是提高学生认知能力和理论水平的重要途径。目前传统课程教学存在实验学时较少、实验设备紧缺、实验内容陈旧、教学方法落后和教学手段单一等缺点，影响和制约教学质量，不利于学生综合素质的提高和创新精神的培养。将案例教学方法引入到教学和实践环节，不仅可以验证课堂理论教学内容，同时也可以让学生动手设计和开发新型电路，对提高学生的思维能力和动手能力具有较大帮助。

“电力电子技术”课程的核心内容是变流技术和控制技术，包括整流电路、逆变电路、直流斩波电路和交交变频电路这几个模块。通过案例教学，希望能达到以下教学目的：1）使学生掌握电能高效率变换与控制方面的知识。2）培养学生分析问题、解决问题的能力。3）训练和培养学生利用电力电子器件对电能进行变换和控制，能主动探索、积极创新。

二、案例教学法的实施步骤

（1）案例教学的提出。课堂教学依然是整个教学活动的主体部分，按照整本教材的内容，我们将电力电子技术课程分为四个教学单元，每个教学单元设计一个工程案例，同时将工程案例与课程的知识点结合起来。随着电力电子技术的发展，需及时更新案例，寻找更为典型或更具代表性的案例，同时案例设计不能太过简单，同时也不应难度太大，否则容易导致学生失去动手的兴趣。根据本课程的内容，作者设计了四个工程案例：直流升压或降压（boost或buck）变换器、单相全桥逆变器、单相有源功率因数校正和晶闸管相控交流变换器。

（2）案例的选择。根据课程的教学大纲，对应每个教学单元，将同学分为6个小组，每个小组选择两个工程案例，设置两个负责人，负责工程案例的统筹安排，每个工程案例实施的时间为6个星期。课堂上，务必要将案例所涉及的基本概论、原理和设计步骤进行详细阐述。

（3）案例的具体实施。为了让学生更好的理解案例工作的基本原理，针对每个案例，要求学生先利用MATLAB或PSIM软件进行仿真。在项目实施的过程中，学生可以利用仿真软件来验证不同控制方式、各种电路拓扑或调制方式的正确性和可行性，并由此将方案基本确定下来。

（4）案例结果考核。案例结果考核是整个案例教学中重要环节，分为两个阶段考核，中期考核和期末考核。中期考核主要已报告的方式，课题组推荐一位报告人，报告人利用10分钟的时间做中期汇报，课题组其他参与人讨论案例的合理性以及进度，有报告人进行解答。期末考核安排在学期末，每个小组提交一份案例作品，课题组每个人提交一份小论文，小论文应该以每个学生在整个案例中所作的工作来撰写。根据案例的完成情况，适当给出学生的平时分。

图1　降压斩波电路

案例举例：

笔者在教学过程汇总设计了几个案例，已直流斩波电路和单相有源功率因数校正为例进行介绍。

（1）直流斩波电路是电力电子技术教学的重点内容，包括Buck降压斩波电路、Boost升压斩波电路、Buck-Boost升降压斩波电路、Sepic斩波电路、Cuk斩波电路和Zeta斩波电路等。本案例以Buck降压斩波电路为例，设计指标为：1）采用单片机进行脉宽调制（PWM）控制，拓扑采用Buck电路降压拓扑结构；2）输入直流电压为24V；3）使用MOSFET开关管，开关频率为10kHz，并设计MOSFET开关管的驱动电路、滤波电感、输出电容；4）输出直流电压12V，纹波小于5%，负载接电池，则需要实现恒流恒压充电功能。要求先对原理进行仿真验证（用MATLAB或PSIM软件），最后给出实物。

图1是降压斩波电路的电路图及工作模式分析，由电源、MOSFET、续流二极管VD、电感L、电组R等元件构成。

经过资料查找、老师指导，学生给出了系统控制框图如图2所示。

图2　系统控制框图

如图2所示，采用恒流充电时检测电感电流，为维持电池组电流恒定，让电流设定值Iref与反馈电流值Ifeb进行PI调节，控制主开关管S；恒压充电时控制电池组电压，为维持电池组电压恒定，电池组电压设定值Vref与电池组电压反馈值Vfeb进行PI调节，控制主开关管S。

最后，学生采用DSP28035作为主控芯片，采用MOSFET作为降压斩波电路的开关器件，选用TLP3120作为功率管驱动芯片。

（2）单相有源功率因数校正

单相有源功率因数校正内容同样是电力电子技术课程中典型的功率因数校正电路，具体电路见图3，设计指标为：1）输入电压为80V～130V。2）输出功率200W。3）采用平均值控制方式或峰值电流控制方式。4）要求输入功率因数达到0.90以上。要求先对原理进行仿真验证（用MATLAB或PSIM软件），最后给出实物。

图3　单相有源功率因数校正主电路图

图4　系统控制框图

如图4所示，采用电压外环电流内环双环控制，为维持母线电容电压恒定，通过参考值与电容电压值相比较，经过PI调解器，然后乘以输入电压同相位的正弦表，形成内环电流参考值，最后与电感电流比较，经过PI调节器，形成开关管脉冲信号，控制开关管S。

三、结束语

通过工程案例教学方式，将课程中分散学习的知识结合起来，调动了学生的积极性，培养了学生解决实际技术问题的思维方式，增强了对本专业知识学习的积极性，同时也提高了学生的专业技术能力，当然，如何选择更具典型的工程案例，如何进一步优化案例的实施过程，仍需更深入的探索。将工程案例引入到“电力电子技术”课程教学中，是对传统教学方式的一种有效补充，也有助于增强学生学习兴趣，提高教学质量，培养高素质工程技术人才。

［1］黄俊，王兆安.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］李鹏飞.工程案例在“电力电子技术”课堂教学中的应用探索［N］，中国电力教育，2011（5）.

张志（1981-），男，湖南华容人，博士，高级工程师，研究方向：电力电子装置系统及控制。