电力电子技术探析3篇

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电力电子技术探析1

1引言

“电力电子技术”是电气工程及其自动化、智能电网信息工程等电气类专业非常重要的专业核心课程，主要教授电力电子器件、四大变流技术、PWM控制技术、软开关技术等内容[1]。电力电子技术应用广泛，几乎涵盖民生经济等各个领域，是一门理论性、工程性与实践性非常强的交叉学科。正因如此，如何加强学生综合素质教育，提高学生实际工程应用能力，培养具有创新能力与满足企业需求的专业技能人才，各高校已极为关注和重视。CDIO模式是一种在全球各国广泛推行的工程教育模式[2]。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以项目驱动的方式主动学习[3]。将CDIO模式运用到《电力电子技术》的理论教学中，优化“电力电子技术”课程教学设计，构建“以学生为主体，以培养工程应用能力为核心”的课程体系。推行基于项目、基于问题、基于案例的教学方法和学习方法，支持学生开展研究性学习、创新性实验，实现课程内容与职业标准、教学过程与生产过程对接，培养学生的工程思维和创新精神具有重要的理论价值。引入CDIO模式，开发一系列与教学内容高度契合的教学项目成为这门课程教学改革的一大重点。文华学院作为一所应用型高校，大部分学生毕业后选择就业，更注重应用型人才的培养。因此电力电子技术必须打破电路拓扑填鸭式讲解的传统教学模式，如何依据CDIO理念开展《电力电子技术》课程教学、改革教学内容、课程体系与教学方法都是值得我们探讨的问题。

2现有教学中待改进的问题

2.1传统填鸭式教学模式的改革本文主要探索理论教学的变革，解决本课程内容电路拓扑结构繁多，波形分析复杂，传统的填鸭式教学抽象枯燥，学生投入度和互动性普遍不高，对拓扑死记硬背，对工作原理不求甚解的“痛点”问题。引入CDIO工程教育模式，并结合项目式和学习通线上教学的混合教学设计贯彻实施，将传统的“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，学生由被动灌输变为自主学习。采用CDIO工程教育模式锻炼了学生的工程项目思维，提升了团队合作意识，为社会培养应用型工程技术人才。

2.2教学设计过于死板，有待优化改进本教学改革的对象为我校机电学部电气专业及智能电网专业20～21级学生。为学生设计《电力电子技术》的工程项目案例，使理论知识得到实际应用，进一步激发学生学习积极性与参与度，增强自主学习能力。课题成果能够提高学生的成就感，对学生参加国内相关学科竞赛也有重要支撑作用，有利于提高学生在后续的求学、求职中的核心竞争力，为社会培养应用型工程技术人才。以CDIO理念为理论指导，以项目式教学为导向，分模块展开知识点讲解，优化原有教学内容和教学大纲，丰富教学设计和改进考核评价体系。从传统教学转变为项目式教学，打破传统教学模式，将知识点模块化，以工程教育模式为基础，以项目方式驱动学习，巧妙融合理论课堂和工程应用项目，在实践中充分理解和巩固理论知识。

2.3课堂氛围沉闷，学生学习兴趣低下学生首次接触以波形分析为主要思路的电力工作原理过程，再加上单相三相，整流逆变等众多类型的电路原理图，本能上会出现畏难情绪。因此，传统课堂讲学极为出现教师滔滔不绝，学生安安静静的氛围，为改善沉闷的课堂气氛，可结合学习通线上平台，灵活教学。线上发布任务，线下讨论指导。利用学习通，发布讨论，随机选人，抢答等功能活跃课堂气氛，增加趣味性和互动性。解决学生学习兴趣低下的问题，往往出现抢答环节时，学生感觉紧张又刺激，能够充分调动学生的学习积极性和自主性，由被动接受变为主动学习。

3CDIO模式教学改革实施方案

3.1教学项目的选取与设计对《电力电子技术》课程教学项目的选取，首先从整体上分析该门课程的教学任务，确定整体的任务和目标之后，再将核心知识点模块化，并针对每一部分知识点选取合适的工程项目，或者小范围的综合性项目。项目选取的原则为难度适中，内容高度契合理论内容。然后对各项目进行详细的需求设计，以及理论知识点的设计，并将项目资源运用到实际教学中，根据教学反馈调整和改进教学项目。开发一系列与教学内容高度契合的教学项目是这门课程教学改革的重点。本次教学改革将根据电力电子的四大变流技术设计4个教学项目进行试点，由浅到深，由易到难，与专业紧密结合，以项目式教学为导向结合学习通线上平台，应用于《电力电子技术》课程教学的实施，切实提高教学效果。项目1：直流电机调速装置的设计项目2：矩形波单相逆变器的设计项目3：便携式开关电源的设计项目4：舞台调光灯的设计

3.2CDIO工程教育模式的教学设计为适应我校应用型人才培养目标，对原有教学内容进行调整，制定以CDIO模式为基础，项目式教学和线上线下相结合的混合式教学设计，注重项目实践，将理论知识与工程应用有机结合起来。同时，在学习通线上平台发布项目任务，组织学生分组讨论，构思设计，反馈交流。再通过传统线下课堂围绕案例展开知识点讲解，指导项目疑难问题。实现以CDIO模式为基础，项目式教学和线上线下相结合的混合式教学设计，充分调动学生的学习兴趣和学习自觉性，从而提高学生的学习自主性和创造性。同时线上的过程统计数据，将形成科学有效的过程性评价及反馈，帮助教师完成评价考核以及进一步改进教学设计。下面以开关电源的项目为例，如图1所示，展示基于CDIO理念的混合式教学设计。该教学设计采取“三纵四横”原则，主题是开关电源的项目式教学，以CDIO的工程思维为理论指导，采取传统课堂和学习通平台的线上线下混合教学方式推进实施。开关电源为本课程第五章直流直流变换内容。项目分为4个步骤：第一步，项目构思。由教师根据教学目标和教学内容发布任务，学生分组讨论，根据项目所涉及的章节知识点自学查阅，并构思项目方案和项目需求。此步骤通过学习通线上发布。第二步，项目设计。教师围绕知识点对项目做具体介绍，引导学生分组讨论，并开始进行具体的方案设计。此步骤在线上课堂完成。第三步，方案实现。学生借助学校实验室现有硬件设施进行方案验证，或者通过仿真软件进行仿真验证，同时教师可以指导和答疑解惑。此为最重要的过程，由学生在线下完成。第四步，项目验收。验收形式可以灵活多样，可以通过学习通线上平台上传验证视频及文档报告，由学生相互学习评分，最后在线下课堂完成优秀评选。

3.3学习通线上教学资源包设计按照教学要求完成《电力电子技术》课程的学习通线上教学资源包设计。配合项目式教学，开发制作完成线上配套的相关项目视频资料、教学资源，课后练习，包括课件制作，章节测试题库设计、讨论题库设计、小组讨论内容和形式设计，实现以学生为中心的“翻转课堂”项目成果展示及交流平台。我校《电力电子技术》课程位48学时，可根据课程章节安排，选取重要的知识点，学生分组PK，要求组内分工合作，每个人都要负责相应任务，可以选择仿真，分解知识点讲授，或者PPT制作，或者是现场板书等，确保全员都能参与。

3.4学情反馈，评价考核的制定学习通线上平台是一个很好的教学辅助工具，能够提供课堂报告、学情统计、成绩统计等信息，并以可视化图表的形式反馈给老师，如签到率，课堂表现TOP10，课堂选人回顾，章节学习次数，综合成绩分布等内容。通过学习通统计数据，老师对班级整体情况，甚至每位学生的详细学习情况一目了然，老师可以根据学生的学情及时调整项目内容及进度安排，还可以针对不同掌握层次的学生发布不同的项目学习任务，进行分层教学和个性化的一对一辅导，教师也可以根据反馈情况进一步完善教学设计和考核评价。分组讨论PK后，最后全员一起投票推优，提高学生参与感和成就感。引入线上学情反馈后，对综合评价比例做出一定修订，并进一步细化过程评价内容。

4教学改革目标

4.1完善以培养应用型人才为目标的教学大纲《电力电子技术》现有教学大纲包含课程教学目标，且已融入课程思政元素，但在教学内容和学时安排上，仍然以理论知识为主，辅以实验教学部分，学生接触到的还停留在考试层面，死记硬背层面，对知识的融汇贯通和实际应用缺乏认识。现有教学大纲总体来说可以满足理论教学，在此基础之上引入CDIO工程教育模式，在每个章节增加项目应用，改革专业课教学模式，优化教学内容，提供以培养专业技能人才为目标的教学大纲。

4.2混合式教学设计的改革创新（1）从传统教学到项目式教学。打破传统教学模式，将知识点模块化，以工程教育模式为基础，以项目方式驱动学习，巧妙融合理论课堂和工程应用，在实践中充分理解和巩固理论知识。（2）从线下课堂到学习通线上平台。除了传统的线下课堂，还可以有机结合线上平台，通过学习通线上发布项目任务，组织分组实践，线上讨论交流，同时还可以利用学习通发布课件，微课，视频，动画，课件预习，章节测试等内容，进一步丰富和拓展线下教学，增加线下互动性及趣味性。把知识内容多层次多角度展现给学生，学生可以充分利用碎片时间自主自学。

4.3教学案例的设计与拓展如项目预期效益较好，可进一步丰富项目案例，如：三相桥式整流器的设计、SPWM逆变器的设计、变频器的设计、UPS电源、光伏发电并网逆变器、车载220V逆变器设计、车载USB充电器设计等项目，以预防下届学生重复利用上届学生的成果及报告，同时由于电力电子技术的飞速发展，新项目教学案例需要做到每届更新和改进。

4.4课题应用价值的思考随着社会分工的细化以及对工科毕业生专业技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教学设计将会得到越来越广泛的认可和应用。结合项目式驱动和学习通线上教学的混合式教学设计，可以思考推广到较多工程应用型较强的课程。该工程教育模式的教学设计可拓展应用到电气专业及机电学部其他实践性较强课程的学习，如《电气控制与PLC技术》、《单片机原理与接口技术》等专业课，有利于学科交叉，资源共享。5结语目前“电力电子技术”课程还停留在理论教学的层面，工程实际应用涉猎较少，学生的工程思维能力和实践应用能力稍有欠缺，与企业实际工程应用能力的需求有较大差距。因此，本课程教学改革采用CDIO工程教育模式锻炼了学生的工程项目思维，提升了团队合作意识，为社会培养应用型工程技术人才[4]。相信随着社会分工的细化以及对工科毕业生专业技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教学设计将会得到越来越广泛的认可和应用。

作者:刘婷婷 聂菁 张新建 范娟 单位:文华学院

电力电子技术探析2

1研究背景电力电子技术课程是电气自动化、机电一体化、应用电子技术等专业的一门重要的专业基础课，是综合性很强的一门课程。该课程的特点是变流电路和波形图较多，实践性很强。如何在有限学时内获得较好的教学效果，使学生能很好地掌握课程内容，并培养学生的工程实践能力和创新精神，提高学生的学习兴趣，是亟待解决的问题。电力电子技术是一种应用半导体器件对电能进行变换和控制的技术，主要研究各种电力电子器件，以及由这些器件构成的电路或装置。电能变换通常分为四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。电力电子技术在国民经济的各个领域有着非常广泛的应用，给生产和生活带来深远的影响。电力电子电路的计算机仿真具有十分重要的现实意义。利用计算机仿真技术开展教学，可以弥补实验器材缺乏的不足，减少实验耗材，使学生能够对难以理解的抽象内容有一个直观的认识，提高学生对所学电路工作过程的理解，同时使教学过程更具实时性、直观性、生动性。Simulink是MATLAB仿真软件中的重要工具之一，其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析。利用Simulink对所设计的系统进行仿真分析，并对系统做实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定系统参数，以提高系统的性能、减少系统设计过程中反复修改的时间，实现高效率地开发系统的目标。

2课程教学过程

2.1理论教学过程以三相桥式全控整流电路(阻感性负载)为例，电路图如图1所示。晶闸管1，3，5共阴极连接，晶闸管2，4，6共阳极连接，晶闸管1，3，5分别在相电压u，v，w的正半周触发导通，而晶闸管4，6，2分别在相电压u，v，w的负半周触发导通。在电力电子技术课程教学中，学生在学习带电阻性负载的可控整流电路时，能够通过对电路的分析得出晶闸管何时导通、何时关断。当可控整流电路的负载为生产实际中最常见的既有电阻又有电感的阻感性负载时，部分学生对电路的工作过程不能很好地理解。由于电感对电流变化有抗拒作用，当流过电感的电流发生变化时，在电感的两端会产生感应电动势，其大小为，它的极性是阻止电流变化的。当流过电感的电流增加时，它的感应电动势的极性阻止电流增加；当流过电感的电流减小时，它的感应电动势的极性阻止电流减小。这种特性使得流过电感的电流不能发生突变，这也是理解和分析可控整流电路带阻感性负载工作情况的关键之一。当触发角0°≤α≤60°时，此电路带阻感性负载的工作情况与带电阻性负载时相似，负载两端电压波形、晶闸管阳阴极间电压波形相同，每个晶闸管与前一个触发的晶闸管一起导通60°，再和后一个触发的晶闸管一起导通60°。若后一个晶闸管触发导通，则前一个晶闸管阳阴极间承受反向电压而关断，每个晶闸管持续导通120°。与带电阻性负载时不同的是由于电感的作用，流过负载的电流波形会变得很平直。当触发角60°<α≤90°时，此电路带阻感性负载的工作情况与带电阻性负载时不同。当带电阻性负载时，以晶闸管1为例，晶闸管1从触发时刻和晶闸管6一起导通一直到相电压vuuu=的时刻，晶闸管1和6一起关断，在之后的30°没有晶闸管导通，接着触发晶闸管2，辅助脉冲触发晶闸管1，因为�uu>wu，所以晶闸管1和2一起导通，一直到�uu=wu的时刻一起关断。电阻性负载时输出电压波形是断续的。而当负载为阻感性负载时，仍以晶闸管1为例，由于电感的特性，晶闸管1和6从触发时刻一起导通，当vuuu=时刻，也不会关断，电感释放能量阻碍电流减小，晶闸管1和6继续导通，一直到晶闸管2的触发时刻，因为�uu>wu，所以晶闸管1和2触发导通，晶闸管2和6在此刻换流，晶闸管6承受反压而关断，其他晶闸管的工作过程类似，每个晶闸管仍然持续导通120°，负载电压波形仍然连续。在理论教学过程中，一些学生对电感这样一个储能元件的特性理解不深，所以在分析带阻感性负载的可控整流电路的工作过程时感觉比较困难，因此笔者采用了基于MATLAB/Simulink软件的仿真教学方法。

2.2MATLAB/Simulink软件仿真教学分析为了帮助学生更好地理解带阻感性负载的可控整流电路的工作过程，采用仿真软件MATLAB中的仿真集成环境Simulink，利用Simulink的基本模块和电气系统仿真库SimPowerSystem中的元件模型，建立带阻感性负载的三相桥式全控整流电路的仿真模型，对相关元件或模块进行初始化参数设置，最后对仿真起止时间、仿真步长、允许误差和求解算法等参数进行设置和选择。三相桥式全控整流电路(阻感性负载)仿真模型如图2所示。三相桥式全控整流电路(阻感性负载)仿真模型参数设置：三相电源相电压峰值为100V，频率为50Hz，A相、B相、C相的初始相位角依次为0°，—120°，—240°，负载为阻感性负载，R=2Ω，L=0.05H。将三相交流电压源、晶闸管1的电压电流、负载电压电流的波形通过信号合成在一张图中，便于在示波器中观察同一时刻这些电压电流的变化规律。在对可控整流电路仿真时，最为关键的是对每个晶闸管触发角α的设置。设置此参数是通过对脉冲发生器的相位延迟来实现的。以晶闸管1为例，当α°=0°时即ωt°=300°，三相电源电压周期为0.02s，此刻对应的时间t=0.02×0.00167s360300.02≈×0≈0.00167s。由于三相桥式全控整流电路中晶闸管的触发脉冲按管号顺序依次相差60°，因此其他晶闸管的脉冲发生器的延迟时间按照管号顺序依次推迟0.00333s。在电路的仿真参数设置窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设为1e-3，电路仿真中将仿真开始时间设为0.3s，停止时间设为0.4s，在示波器上最终显示波形为0.3s～0.4s的电路相关物理量的波形。

3仿真结果分析

图3为α=0°时三相桥式全控整流电路(阻感性负载)相关电压电流的仿真波形，图4为α=90°时三相桥式全控整流电路(阻感性负载)的仿真波形。图3、图4中的波形依次为三相交流电压源波形(A相黄线，B相紫线，C相蓝线)、晶闸管1阳阴极间电压(u)、电流(i)波形、阻感性负载两端电压(u)、电流(i)波形。从图3可以看出，阻感性负载时输出电压波形与电阻性负载时相同，输出电压在相电压的一个周期内脉动6次。然而负载电流波形不同，流过阻感性负载的电流呈指数级逐渐增大，在0.34s时电路已经接近稳态，负载输出电流趋于恒定值。图4中负载是阻感性负载，所以输出电压波形连续，在相应线电压过零点后，之前导通的一对晶闸管继续导通30°，直到其中一个晶闸管和后一个触发的晶闸管进行换流。负载输出电压波形有正有负，输出电压在相电压的一个周期内脉动6次，输出电压波形和横轴围成的正负面积相等，输出电压平均值为零。在电路仿真教学过程中，通过任意调节电感的大小以及改变晶闸管的触发角，观察其对输出电压、电流的影响，这种方式非常直观明了，可以帮助学生全面理解带阻感性负载的整流电路的工作过程。

4结语

与常规教学方法相比，基于MATLAB软件的仿真分析方法更直观、生动、形象。利用MATLAB软件中的Simulink模块库可以搭建很多电力电子电路。在搭建好电力电子电路的仿真模型后，只要合理设置电路仿真模型的参数，通过改变整流电路的触发角或者负载参数，或者使其中一个晶闸管的触发脉冲延迟、提前、消失，就可得到改变后电路的相关波形，为同一电路在不同触发角或者负载的情况下的比较和性能指标分析提供一定的便利。学生在电路仿真过程中，通过示波器模块可以观测到动态的电压电流波形，可以对整个电路的工作过程有进一步的认识，同时充分调动学习电力电子技术的积极性，为其后续相关课程的学习打下坚实的基础，有利于提高人才培养的质量。

作者:周群利 余红英 白彩波 侯德华 潘东旭 单位:芜湖职业技术学院电气与自动化学院

电力电子技术探析3

教育部2017年2月发布的《关于开展新工科研究与实践的通知》指出，深化工程教育改革、建设工程教育强国，对服务和支撑我国经济转型升级意义重大，也为深化工程教育改革提供了良好契机。《电力电子技术》课程是电气工程及其自动化、智能电网信息工程等专业的一门专业基础课，具有工程性和实用性强的特点，课程的实验教学是其非常重要的一个环节。而目前所采用的实验装置大多数结构封闭，直观性与可操作性较差，系统参数、运行条件难以修改，实验结果极具确定性。实验教学中，学生容易形成机械式操作，被动式学习，浅尝辄止；且固定的实验参数，一致的实验结果不利于促进学生发散思维的形成，也很难使学生的工程实践能力得到提升。和硬件实验装置相比，仿真软件却具有极大的可操作性，且可以为学生提供从无到有的设计过程。考虑到软件仿真在实验教学中的优越性，国内多所大学纷纷建立了《电力电子技术》课程的虚拟仿真平台，如浙江大学电气工程学院结合仿真软件和硬件实验平台，建立了“虚实结合框架的电力电子远程实验”等平台。电力电子技术是研究电能变换与控制的一门技术，功率特性是其主要技术指标。因此，《电力电子技术》的实验教学就离不开功率特性，单纯的硬件实验教学和虚拟仿真教学均难以获得良好的教学效果。硬件实验过程及结果固化严重，难以激发学生分析思考的意识；虚拟仿真系统则较为灵活，但无法完全体现电能变换电路的实际功率特性。因此，结合硬件实验和虚拟仿真技术，通过虚实融合实验教学模式，以改变目前被动式实验教学的现状，提升课程的实验教学效果。

虚实融合实验平台设计

《电力电子技术》虚实融合实验平台的设计目标是实现硬件操作软件化，软件操作功率化。在此基础上，借助实验平台的灵活性和可扩展性，结合当前技术发展前沿及社会需求，探索电力电子技术在实践中的创新型应用，并作为创新探索项目的教学内容。在实验装置的操作方式上，鉴于以往实验中暴露出的问题，例如示波器探头极易损坏、实验装置可操作性差、故障率高且维修过程繁琐漫长等，利用数字控制技术，实现代码生成与GUI软件的操作功能，达到虚实融合，以提高实验平台的可靠性及实验教学的可操作性。《电力电子技术》虚实融合实验平台的结构框图（如图所示），包含虚拟仿真部分和实际硬件部分。硬件电路部分主要包含主电路、采样电路、驱动电路、控制板卡等部分。其中，主电路为各实验装置对应的电力电子变换器拓扑；采样电路对主电路关键信号进行采样及处理；驱动电路实现对主电路开关的驱动控制；控制板卡采用多种选择的可插拔式结构，包含集成PWM控制器构成的模拟控制板卡，DSP、单片机构成的微控制器数字控制板卡等。控制板卡为虚实融合的桥梁，也是核心部分，通过运行与虚拟仿真系统对应的程序来实现虚拟部分和实际硬件部分的融合。虚实融合实验平台的虚拟仿真部分基于仿真模型，具有GUI操作、GUI显示、MCU代码生成等功能。仿真模型与实际硬件电路一一对应，包含对主电路、采样电路、驱动电路的建模，以及所采用的控制算法。代码生成接口可将仿真模型中的控制算法生成可执行程序，下载到控制板卡中的微控制器中。GUI操作部分作为实验装置的上位机操作方式，实现参数下设。GUI显示部分负责读取硬件电路的关键波形数据，并进行显示。按照这样的方式，实现软件仿真和硬件实验的高度融合，通过软件仿真可以生成硬件控制代码，而硬件实验的操作及数据读取则可以通过软件实现，从而实现软件操作功率化硬件操作软件化。

虚实融合实验教学实践

基于Simulink软件的《电力电子技术》仿真教学依据课程教学内容需要，以基本的电力电子变换器拓扑为主体，融合电力电子器件及应用、PWM技术、软开关技术等关键技术，设计对应的仿真教学内容。针对各项实验内容，设计系统参数多变化、仿真结果未知化的实验教学模式。

探索式实验教学的硬件实验装置设计

根据课程内容，结合仿真教学系统，设计具备参数灵活设置、故障情境预置、代码生成接口功能的新一代电力电子技术硬件实验装置。实验装置应具备内部结构可视化、连接灵活化的特点，结合可编程电源和可编程电子负载，实现实验参数、运行条件的灵活配置与故障情景预置。实验装置采用数字控制，为软硬件结合建立代码生成接口。基于Simulink软件的一体化虚实融合实验教学过程利用Simulink软件的代码生成功能，实现《电力电子技术》虚拟仿真教学系统与硬件实验装置的融合。在仿真模型的基础上，通过将被控对象切换为硬件实验装置，由代码生成接口将仿真软件与硬件实验装置连接起来，从而使学生通过接近仿真操作的方式操作硬件实验装置，完成各项实验任务。基于虚实融合实验平台的实验教学规范在虚实融合实验平台的基础上，制定《电力电子技术》实验教学的具体实施方案。虚拟仿真部分基于Simulink软件实现，不受时间、空间上的限制，跟随课堂理论教学内容开展。虚实融合实验部分在完成虚拟仿真实验后实施。为了使实验过程更加具有针对性，实验部分紧密结合仿真部分对应内容，在虚拟和实物的对比中帮助学生加深对相关知识的理解与掌握。

结语

通过结合虚拟仿真技术和硬件实验技术，建立虚实融合的课程实验平台，解决了传统电力电子技术实验装置存在的问题，形成了虚实融合实验教学模式，解决了课程理论知识教学与实验教学过渡较大的问题，促进了学生工程实践能力的提升，对工程教育专业认证背景下工科专业实验类课程的改革具有一定的借鉴意义。

作者:李振伟 乔峰 杜春燕 孙晓 刘喜梅 单位:青岛科技大学自动化与电子工程学院