启发式教学法在《电力电子技术》教学中的应用

李莉　任国华

摘要：本文采用启发式教学法讲解降压直流斩波电路，将知识点从学生已知的电路一步步通过提问问题，导出降压斩波电路的结构及工作原理，最后通过实验深化知识点——通过直流斩波电路可以实现直流电动机的无级调速。整个过程大大提高了学生的学习积极性。

关键词：启发式教学;降压斩波电路;实验;直流电动机;无级调速

一、“电力电子技术”课程介绍

“电力电子技术”课程是我国高等职业院校电气自动化技术专业的专业必修课程，是一门利用电力半导体开关器件对电能进行高效率变换和控制的技术。主要讲述了各类电力电子半导体开关器件的名称、符号和使用条件，以及各类电力电子变换电路的结构、工作原理及应用场合等，本课程为后续课程“变频技术”和“电气自动化专业实训”打下良好的基础。“电力电子技术”具有很强的理论性和实践性，是一科涉及电力技术、电子技术、控制技术的交叉学科，是一门新兴的技术。

二、学生学习现状

高职院校的学生大多喜欢动手操作比较多的实训课程，因为实训结果能很快的显现出来，从而带来学习的成就感。而对比较复杂的理论知识，大部分学生学习起来感觉比较吃力。

“电力电子技术”课程中的电力电子变换电路，涉及到电路结构分析和电路输入，输出波形的变换，这对高职的学生来说学习难度颇大，普遍反映电路分析和波形变换太抽象，影响学习的积极性。

对此，需要对传统的教学方法进行改进，本文以降压直流斩波电路为例，采用启发式教学方法讲解，并在讲解完成后及时让学生做实验以验证结论，取得了比较好的教学效果。

三、启发式教学法讲解降压直流斩波电路

人们在生产和生活中需要用到各种各样的电源，可调的直流电源可以方便的实现直流电动机的无级变速。直流斩波器就是将恒定的直流电压，通过电力电子器件的开关作用，变换为可调直流电压的装置。首先给学生引入下列电路来讲解：

（一）初中所学的简单电路

初中所学的简单电路如右图1所示，电路中有直流电源E，开关K1，白炽灯L做为负载。分析电路如下：

当开关K1闭合时，白炽灯L两端电压 ;

当开关K1断开时，白炽灯L两端电压 ;

这个电路大家都会分析，与学生产生共鸣，提高学生的积极性。

图4

（二）升级电路

电力电子器件包括不可控的电力二极管，半控的晶闸管及其派生器件，还有全控型的电力晶体管，门极可关断晶闸管，电力MOSFET和绝缘栅双极型晶体管等。这些电力电子器件的本质就是开关，以绝缘栅双极型晶体管IGBT为例，当IGBT的栅极和发射极之间加正向电压，集电极和发射极间加正向电压时，IGBT的集电极和发射极间相当于开关闭合，闭合压降很小;当栅极和发射极间电压小于等于零时，IGBT的集电极和发射极间相当于開关断开。所以上图1所示中的开关我们可以用绝缘栅双极型晶体管IGBT来代替，称为斩波器件CH。

白炽灯泡两端电压和流过它的电流同相位，其本质为电阻性负载。但是实际中，直流电动机作为负载的情况更多，其本质为电感与电阻串联的感性负载。所以我们可以用电感与电阻串联代替上图一中的白炽灯泡，这样，电路图变为如图2所示。

分析电路如下：

当斩波器件CH导通时，忽略IGBT的导通压降， ;

当斩波器件CH断开时，负载两端电压 ;

图2

问题：由上图2的分析可知，当斩波器件CH断开时，电路电流为零。而电感性负载大多为电动机负载，流过电动机负载的电流如果时断时有是会损害电动机特性的，所以上述电路结构对电动机负载来说是有缺陷的，那么应该如何改进呢？加入续流二极管！由此引入本次课的正题——降压式直流斩波电路。

（三）降压斩波单路

图3

降压斩波电路的电路结构如图3所示。

分析电路如下：

1、当斩波器件CH导通时，二极管VD承受反向电压截止，等效电路如下图4所示。若假设理想情况下，斩波器件导通压降可以忽略不计，则有： ;;

2、当斩波器件CH截止时，续流二极管开始导通，等效电路如下图5所示。此时有： ; ; 电感中储存的能量通过续流二极管组成的闭合回路释放，使负载中依然有电流流过。

图4图5

在斩波器件CH的集电极和发射极间加正向电压的情况下，其导通和截止受栅极和发射极间电压的控制，此电压可以由单独的控制电路来实现。假设0— 时刻，斩波器件CH闭合导通; —T时刻，斩波器件CH断开，如此周期性的闭合和断开CH（周期为T），则可把输出端的电压 随时间变化的情况用波形表示出来，如右图6所示：

根据前面所学，我们可以求出图6的平均电压值为：

;

令占空比 ，则 ;

当 不变， 改变时，占空比D变化，则 变化，如果给直流电动机供电，则电动机转速可调。

图6

又根据斩波器件CH导通时间必小于等于周期T可知， ，则有： ，这就是降压斩波电路的工作原理。

四、实验深化降压斩波电路结论

采用启发式教学法将降压直流斩波的理论讲解完毕后，让学生在实验台按照电路图接线，接线时将直流电动机也串联入负载电路中，斩波器件CH的栅极和射极之间加入PWM输出波形，旋转旋钮，改变PWM输出矩形波的占空比，则可以改变斩波器件的导通时间，即图6中的占空比D发生改变，根据公式 ，从而负载端的平均电压改变，电动机的转速也在改变。学生可以通过调节旋钮很方便的看出电动机转速的变化，加深了对直流斩波电路可以实现直流电动机无级调速的认识。

五、延伸问题

学生在实验过程中，还可以通过提问以下问题加深学生对课程知识点的理解：

1、电路里的电阻值R如果采用滑动变阻器，改变电阻的值，也可以影响直流电动机的转速吗？为什么？

2、我想观测负载两端的电压值，可以采用什么设备？如果采用万用表，那应该打到哪一档，屏幕上显示的是什么值？如果采用示波器，那示波器上的波形应该是什么样子的？

3、我想监测流过负载的电流波形，应该用什么设备？示波器只能直接测量电压波形，能用它来测量电流波形吗？

通过实验，学生会知道三个问题的答案：电路里的R阻值越大，电动机转速就越慢，这是因为电阻R阻值越大，R两端电压就越高，流过电动机的电流就会变小，从而速度就减慢;如果电阻R过大，导致电路里的电流过小，则电动机可能就启动不起来。

如果采用万用表测负载两端的电压值，则应打到直流电压档位，此时测得的是负载两端的平均电压值。如果采用示波器测量负载端的电压，则电压波形应该如上图六所示的矩形波。

如果想检测负载端的电流波形，则可以用示波器测量电阻两端的电压波形，对电阻而言，电压波形和电流波形同相位，只是在数值上电流值等于电压值除以电阻值，所以电流波形的形状和相位可以通过电阻两端电压波形来等效。

六、结论

在讲解降压直流斩波电路中，采用启发式教学法，理论知识点环环相扣，紧凑而有序，最后又有实验深化理论，形象生动，学生的学习积极性得到很大提高，取得了不错的教学效果。

作者简介：李莉：济南职业学院、副教授、研究方向：电气自动化技术。任国华：济南职业学院、讲师、研究方向：电气自动化技术。