本站原创摘 要：“电力电子分析与设计”介绍了以MOET、IGBT为功率器件的现代电力电子电路分析和设计方法,着重讲授DC/DC和DC/AC这两种变换的理论和实践.分析了电力电子技术的教学现状,介绍了教学目的和特点,给出了教学内容和安排,最后对教学效果进行了总结.为高等本科生实施电力电子技术方面的课程建设提供了一种参考做法.
关 键 词：电力电子技术；实践教学；教案
作者简介：屈克庆（1970-）,男,河南洛阳人,上海电力学院电气工程学院,副教授.（上海200090）
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）09-0077-02
“电力电子分析与设计”课程是上海电力学院（以下简称“我院”）本科生教育中为电力电子与风力发电专业方向开设的一门专业选修课,也是必选课程.这门课程着重教授现代电力电子技术内容,要求理论课程与实践紧密结合,以激发学生的学习兴趣,培养学生的理论知识和实践能力为目的,能为本科毕业设计和今后工作奠定良好的基础,以期满足当今社会急剧增长的对电力电子技术的知识和人才需求.
一、教学现状和分析
电力电子技术是一门关于电能变换与利用的学科,涉及到发电、输电、配用电、传动等各个环节.随着当今社会迅速发展,广泛应用于工业企业、交通运输、生活医疗、新能源发电等各个方面,这些都与实践内容密切相关.
电力电子技术是在时展要求下产生的节能与发电技术,是高校电气专业的一门重要课程,其理论性和工程实践性都很强,是学生既感兴趣,又普遍感觉较难的一门课程.结合多年的教学实践总结,探讨了这其中的主要原因,大概可分为以下三个方面：
1.电力电子技术内容繁多,并且知识点分布广泛
根据应用的场合和要求不同,电力电子电路形式和内容纷繁多样.
从应用场合上划分主要有基本四种变换形式：直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流；每种变换形式从电源种类上看包括有单相、三相、多重化、多电平电路,从负载方面上看包括有电阻负载、阻感负载、阻容负载；从电力电子元件上看主要包括有二极管、晶体管、晶闸管、门极可关断晶闸管GTO、场效应管MOET、绝缘栅型场晶体管IGBT；采用不同的元件、电路和负载都会产生不同的效果.
从应用目的上包括有幅值的变化（如电压的升高与降低）、频率的改变（如变频调速）、相位的移动（如无功补偿）、相数的改变（如三相到多相）、功率或转矩的变化（如电机传动）、谐波的治理（如电力滤波）.
从不同形式的电力电子电路和不同的负载特性上,都可以得到不同的工作波形,对于波形的把握与理解,也是电力电子技术区别于其他学科的显著特点之一.这需要在理解电力电子器件的特性上掌握电路的功能和结构特点,建立电路的数学模型,并进行多种电路的对比总结,才能具备分析主电路功能的基本能力.
2.电力电子技术涵盖涉及学科众多,并且理论内容广泛
既涵盖到电气基础的课程有：电路、电子技术、电机学、电磁场,又涉及到电气专业的课程有：控制理论、微机原理、电力系统分析、运动控制系统等.
电力电子技术是一门弱电控制强电的技术,也是所谓将“粗电”变换为“精电”过程,学科跨度和综合性非常广.实际的电力电子装置既包括由电力电子器件等构成的主电路,又包括由DSP等微处理器构成的控制电路.
首先在主电路设计中,根据以电路、电机和电力系统为主的应用对象,进行原理分析和推证,实施具体的功能要求和性能指标.
其次在控制电路设计中,要根据装置要求和特点,不仅要实现各种功能要求,而且考虑谐波及电磁干扰问题,很多装置也需要DSP等微处理器来进行算法实现.最后还要进行整体结构设计和测试EMI影响.
大学三年级本科生已具备了电路、电机的基础知识,讲授电力电子技术课程是以主电路作为内容.由于在初步学习各专业课阶段,尚未形成多学科知识交叉汇总的全面思维模式.虽然能掌握主电路基本原理,对于涉及控制电路和应用对象,常感到困惑并难以理解.如何培养学生形成对电学各学科的整体意识,而不能“只见树木,不见森林”,是这项教学课程所要探讨的主要内容和目的之一.
3.电力电子技术的理论内容发展迅速,并且实践应用范围广泛多样
电力电子技术自身的理论体系处于迅速发展阶段.其中：电力电子器件的发展起决定性作用,从二极管、三极管、晶闸管、MOET、IGBT、IGCT等的发展,推动了主电路结构的本质变化；根据本质不同的器件形成纷繁多样的主电路拓扑形式,又因不同的实际要求而形成众多独立不同的控制方式,其中形成了具有突破性的控制理论,比如PWM技术、软开关技术、空间矢量等.
如何将电力电子器件、主电路结构、控制方法和理论相结合,培养学生从电力电子技术的发展来全面理解和掌握知识,懂得从发展历史上进行思考和总结,也是需要探讨的内容之一.
电力电子技术的实践性非常强,这种实践性体现在对电力电子装置的设计、调试和操作等诸多方面.在实践中,需要对电路功能和各项指标进行综合验证,不仅要求懂得硬件设计和调试,涉及到主电路、元器件、印刷电路板、布线和布局；也要求懂得软件设计和配合,包括有汇编、C语言、DSP、FPGA等.电力电子器件对环境和用法要求较高,在使用之前需要对电路非常熟悉,即便是工作经验丰富的人员,也还有预料不到的情况发生,导致器件和电路损坏.
对于大三学生而言,仅仅具备了有限的初步认识,实践能力欠缺,体现在实验教学当中,电力电子器件的损坏现象最为普遍.这当中自然有主观的因素,但是如何降低损耗,增强学生实践意识,提高学生动手能力,也是教学改革面临的难点和重点之一.
二、教学目的和特点
从本科教学计划上看,大学本科生在第三学年学习了“电力电子技术”,这门课程内容丰富,但因2～3学分课时有限,主要是讲授以晶闸管为主的整流和逆变电路,让学生掌握传统的相控式电路及应用.此外,也着重讲授直流变换电路中的升压及降压基本工作原理,初步介绍MOET和IGBT为主的斩控式逆变和整流电路.通过对这门课程的教授,使学生掌握四种基本变换的主电路拓扑结构和特点,对电力电子技术有了基本认识,奠定了学生的基本电力电子知识体系.结合前述情况的分析可知,现有的课程内容不完全适应我院新开辟的“电力电子与风力发电”专业方向的教学需要,除此之外,近十多年间电力电子技术在节能、传动、新能源、电力系统等行业迅猛发展,因此有必要在课程内容中增加这方面知识的比重,以及通过增设“电力电子分析与设计”专业选修课的方式拓展学生的知识面.
这门课程介绍由IGBT和MOET为主要电力电子器件所构成的现代电力电子电路,重点要求掌握直流-直流斩波器、直流-交流逆变器这两种应用最普遍系统的分析与设计方法.内容包括主电路的选择、功率器件的选择、控制电路的设计、驱动和保护电路的设计、变压器设计及元件参数的技术、仿真实践等.该课程注重将理论分析和实际应用相结合,使学生掌握新型电力电子电路的分析方法,具备初步的设计能力.
三、课程内容
现代电力电子技术主要是围绕PWM技术展开的,其中DC/DC和DC/AC变换是基本的两种电源变换方式,也是实践生产中最为普遍的应用方式,不仅涉及到基本的变换电路及参数,而且涵盖了基本的变换理论和技术.
课程内容结合了多年的实践和教学总结,是从电力电子装置的角度来传授相关理论、知识和经验,培养学生对电力电子的系统知识,树立整体 观念.教学形式以理论教学和仿真实践相结合,各占一半课时.这两部分内容交叉进行,如单周进行理论教学,双周进行实践教学.其中：第一部分理论教学内容安排如下表1所示.在理论教学的同时,配合进行以MATLAB的实践教学,仿真实践内容安排如下列表2所示.
四、教学效果总结
经过2学期的教学工作,笔者总结了一下教学效果.同学们普遍认为在学习这门课程以后,能够全面理解和掌握以DC/DC斩波变换,以及DC/AC逆变的基本原理和基本控制方法,学会了应用Matlab仿真软件对电力电子电路进行分析方法,设计控制电路参数和调试控制参数.在后期的本科毕业设计中,学生能够轻松上手,对复杂的毕业设计如新能源发电,领悟和掌握较快,较多同学的毕业论文被评为优秀本科毕业设计论文.不足之处在于,由于受制于课时和实践条件有限,只是通过仿真实践来掌握学习.如果能进一步联系实验教学,更能提高学生的感性认识,提高动手实践能力.
在今后的教学实践中,仍然面临提高本科学习兴趣、全面提高学生理论知识水平和动手实践能力等问题,这些都是值得深入分析和探讨,不断改进完善的重要课题.