電力電子基礎范例

本文作者：胡曉倩 李山 張蓮 單位：電子信息及自動化學院

綜合性開放式實驗平臺的結構與設計方法

結合電力電子技術的發展趨勢，基于現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺一方面與現有電力電子技術及電機實驗裝置進行對接，實現對現有實驗裝置的升級和改進，挖掘現有實驗平臺的資源潛力；另一方面作為獨立的電能變換與控制系統，將現代電力電子器件應用于電力電子新技術中，從廣度和深度兩方面擴充實驗內容，比如從全控型器件的應用擴展到復合型器件、智能型器件的應用，從器件特性和工作原理的驗證性實驗擴展到電動機驅動、電阻網絡控制以及電能回饋設計等探究性實驗?；诂F代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺的設計如圖1所示。其設計思想遵循三個方面的原則：一是綜合性，可以融合自動控制原理、可編程控制器以及電機學等課程教學資源。在實驗平臺中不僅要體現單一學科的實踐和應用，而是要樹立學生系統的觀念，將多門學科的專業知識綜合應用；二是開放式，留有兼容與升級的接口。如其中的實驗平臺中電能變換模塊的控制器單元，在設計時考慮平臺的擴容與升級，為今后功能擴展以及更換預留接口；三是模塊化，分級模塊化，不僅能夠在器件的驅動使用上更加方便，而且有利于維修。

項目采用模塊化設計方法，選用多種現代電力電子器件開發一種電能變換與控制實驗平臺。該實驗平臺由電力電子器件、驅動模塊、保護模塊、脈沖寬度調制模塊以及電能輸入和輸出接口模塊等組成，通過對輸出電能參數的控制，可以改變電動機等運動負荷或電阻網絡等靜止負荷的工作特性，如圖1所示。電能變換與控制平臺在電力電子應用系統（如圖1）中，起著銜接原始的供電電源與最終負載之間的橋梁作用，把電源提供的粗電（coarsepower）轉換成符合負載要求的精電（refinedpower）。其中，精電的電能質量指標主要取決于電能變換與控制平臺的特性。研究成果的具體指標為：選用現代電力電子器件的覆蓋范圍，包括全控型、復合型與智能型電力電子器件的典型代表，如MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等。電力電子器件的驅動電路和保護電路的功能。由于電力電子器件是以弱電信號控制強電能量的形式，驅動電路和保護電路是不可或缺的組成部分。實驗平臺需對每一電力電子器件設計驅動電路和保護電路。能夠實現電能的變換與控制。本實驗平臺的重要應用領域是對電能進行變換和控制。作為基本功能實現與否的評價標準，是檢測該實驗平臺可否實現電能的變換與控制。電力電子器件的控制方法是通過PWM脈沖序列控制。作為普遍適用的一種重要控制方法，PWM脈沖序列發生電路為各器件提供控制信號。與現有實驗平臺的兼容性。擬開發的實驗平臺具備與有源負荷及無源負荷的接口，能夠驅動無源負荷及有源負荷，體現出在負荷匹配方面的靈活性與開放性。

實驗平臺采用模塊化的設計，不僅可以適應現有的實驗裝置，實現對現有實驗裝置的升級改進，而且有利于在今后的進一步技術升級。主要研究內容包括：針對所選用的多種現代電力電子器件，包括電力MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等，分別設計每種器件相應的驅動電路和保護電路。由脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）控制芯片SG3525為核心設計PWM波形發生單元，為各驅動電路提供驅動波形。設計電能的輸入、測試與輸出接口電路。不僅實現與外部電源和負載接口的匹配，而且可以對變換及控制過程中電能的形式進行檢測。電能輸出接口的兼容性設計。經過變換與控制的電能，所連接負荷包括有源負載，如電網，及無源負載，如電動機等電動設備或阻抗元件等。實驗平臺的電磁兼容設計和安全保護設計。一方面滿足實驗室環境下電磁兼容的需要，另一方面保證在操作過程中的人身、設備安全保護。

以實驗平臺為基礎的教學改革

以現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺為基礎所進行的實驗教學體系改革主要從教學內容、教學方法和考核方法等三個方面進行。目前，國內普遍采用的商業開發實驗教學平臺可實現的教學內容包括單結晶體管觸發電路及單相半波可控整流電路實驗、鋸齒波同步移相觸發電路及單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗、三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗、三相交流調壓電路實驗、直流斬波電路原理實驗、GTO和GTR驅動與保護電路實驗等，這些實驗內容多屬驗證性實驗。而現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺不僅能夠對電力電子技術課程的現代電力電子器件特性、主要電路拓撲結構的工作過程以及新型控制技術的原理性驗證，還能夠實現從器件、到結構直至整個系統的整合，給學生提供一個從下到上，包含各個層次的電力電子系統。此外，該實驗平臺還可以綜合自動控制原理、計算機網絡和可編程控制器等課程內容，實現以電力電子技術為主的綜合性探究實驗，體現學科交叉及課程體系間的聯系。

摘要：

現代電力電子技術自上世紀六十年代開始出現，其發展勢頭迅猛。這是一項能夠對電能進行控制和轉換的技術，在多個行業都起到非常重要的作用，應用領域十分廣泛。文中分析了現代電力電子技術的發展趨勢，并進一步對現代電力電子技術的應用進行了具體的闡述。

關鍵詞：

電力電子技術 發展趨勢 應用

前言

現代電力電子技術的發展經歷了幾個不同的階段，整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，現代電力電子技術屬于變頻器時代，同時又與微電子技術有效地進行了結合，這不僅使其應用范圍十分廣泛，而且在國民經濟中的地位也變得越來越重要。

1現代電力電子技術的發展趨勢

第一篇：工科電力電子技術課程教學改革實踐

摘要：

在總結多年從事本科電力電子技術課程教學的基礎上，深入分析了該課程在教學過程中存在的諸多問題，如課堂與實驗教學效果不理想，學生的實際動手能力不強，理論與實踐嚴重脫節等。同時，深入地論述了該課程的理論教學和實驗教學如何進行改革探索，以更好地啟發學生思維，激發學生的學習興趣，培養學生分析、綜合以及應用的能力。

關鍵詞：

電力電子；探索；實踐能力

電力電子技術是對電能進行控制和變換的技術，雖起步較晚，但發展十分迅速，目前已在工業生產和社會生活中得到了廣泛應用[1]。電力電子技術涉及電力工程、電子信息、計算機等多領域的新興技術，是電氣相關專業學生的必修課程。該課程的特點是教學難度大，而目前的教學內容、教學方法和實驗方法凸顯出很多的弊端，已不能滿足當前社會對人才培養的要求，因此，我們對電力電子技術課程的課堂教學和實驗教學進行了大膽改革和嘗試，并收到了較好的效果[2]。

1電力電子技術課程的教學與實踐的現狀

摘要：

電力系統的安全有效運行事關國計民生，是現代國家能源保障的最大是想，隨著電力電子技術的快速發展，將它的先進技術引進，讓電力供應更加安全可靠，是新時代電力電子技術發展的目標之一，實現電力系統的智能化，響應時代的號召。我們對現在電力電子技術在電力系統中的應用進行分析和研究。

關鍵詞：

電力電子技術;電力系統應用

1研究背景

現在是科技發展的高峰期，科技的發展促進了人們對新材料的旺盛需求，新的材料和結構器件又反過來促進了電力電子技術發展，并在社會中得到廣泛的應用。在電力系統中，應用電力電子技術也取得了很大進展。電子電子技術是電子技術的主要內容之一，除了電力電子技術，還有信息電子技術?，F代電子技術主要是用電子器件進行設計的，以電子學原理為基礎，進而制造一些特定功能的電路，可以為解決實際問題提供科學的依據的一項高科技電子技術。該項技術主要應用在電力領域，主要是建立在電工原理學科、電子學等學科的理論基礎上。

2電力電子技術的發展

摘要：

現代電力電子技術自上世紀六十年代開始出現，其發展勢頭迅猛。這是一項能夠對電能進行控制和轉換的技術，在多個行業都起到非常重要的作用，應用領域十分廣泛。文中分析了現代電力電子技術的發展趨勢，并進一步對現代電力電子技術的應用進行了具體的闡述。

關鍵詞：

電力電子技術 發展趨勢 應用

前言

現代電力電子技術的發展經歷了幾個不同的階段，整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，現代電力電子技術屬于變頻器時代，同時又與微電子技術有效地進行了結合，這不僅使其應用范圍十分廣泛，而且在國民經濟中的地位也變得越來越重要。

1現代電力電子技術的發展趨勢

摘要：在應用型本科電力電子技術課程教學中存在教學內容與實際應用結合度低等問題，針對這些問題提出了以學生應用、創新能力培養為核心、以工程技術為導向的教學模式，創新教學方法和手段，建立先進教學考評制度，加強實驗教學，開發虛擬實驗平臺，以科研促教學等針對課程教學模式、方法的改革。使教學內容與工程應用緊密結合，提高學生綜合應用學科知識的能力和實踐動手能力，取得了較好的教學實踐效果。

關鍵詞：應用型本科；電力電子技術；教學研究；教學改革

一、概述

電氣工程及其自動化是工程學科中的重要學科，在高素質應用型工科人才方面發揮著重要作用[1]。隨著我國經濟快速發展以及社會生產環境的快速革新，無論是傳統電工制造業，亦或是新興產業，都需要大量技術過硬、實踐能力強、素質高的電氣工程類應用型人才，以適應工業戰略轉型和實際生產的需求。不僅如此，近年來，隨著新能源、電力系統等行業的快速興起，電力電子技術的應用也日益廣泛。這些使得社會迫切地需要這類綜合能力強的優秀應用型人才，電力電子技術課程在電氣工程類應用型人才培養方面的作用日益突出[2]。電力電子技術課程核心知識是電能的變換與控制，涉及到電子、控制等多領域知識，而與之相關的課程如電力系統拖動、交直流電機調速、電力系統分析等課程都是電氣工程及其自動化專業的核心課程[3]。電力電子技術課程既有顯著的基礎性和理論性特征，也具有較強的實踐性，是電氣工程領域人才必須要掌握的一門基礎課程，學好該課程會很大程度上增強電氣專業應用型人才的動手能力[4-6]。電力電子技術課程旨在培養一批符合時展的，擁有強大動手實踐能力和創造性的綜合型應用人才?？v觀各大高校，在全國教育深化改革的背景下，電力電子技術課程也邁向了教育教學改革階段，提出了如下要求：全方位培養學生動手能力、工程應用能力和創新能力；優化調整電氣工程類課程體系，適當地增加實踐課程占比；靈活運用信息化手段和多媒體教學方式，提高教學效率，強化教學效果?？偠灾?，電力電子技術課程作為電氣工程類學科教學科目中的一門必修課程，在提升應用型人才綜合素質，豐富人才認知體系，鍛煉與培育人才動手實踐能力等方面發揮著重要作用。

二、教學中目前存在的問題

就目前的現狀而言，我國高校大部分電力電子技術課程仍然采取傳統“你講我聽”的滿堂灌的單向授課模式，這極大程度上抑制了學生學習的主動性，也不利于應用型人才實踐動手能力的培養；除此之外，教學模式僵化，實物演示教學環節匱乏，未能突出學生學習的主體地位，而這也造成電力電子技術課程教學效果欠佳，難以達到教學改革目的，也難以滿足社會發展對應用型人才培養的需要。同時，從實踐來看，在我國電子電力技術課程體系中，理論教學占比較高，而動手實踐操作教學比重較小，這也使得學生無法將所學知識靈活應用于實踐中去；此外，還缺乏科學思維方式的引導與訓練，而這也極大地抑制學生主觀能動性，不利于學生創新能力的鍛煉。整體而言，現有的教學模式與電氣工程類教學改革要求不相適應，與社會應用型人才培養訴求不相適應。正是如此，對電力電子技術課程教學過程，非常必要創新與優化現有的教學模式，貫徹落實電氣工程類專業教學改革要求，培育出工程素養高、動手能力強、理論知識扎實的優質應用型人才。具體而言，電力電氣技術課程在教學方面主要存在如下五個方面的問題。

（一）教學內容與實際應用結合度低

摘要：針對本?，F有的電力電子實驗裝置不能滿足學生實驗要求的現狀，提出了電力電子技術綜合創新性實驗教學改革。文章闡述了傳統實驗教學的不足，實驗教學改革的內容以及具體的改革辦法。本實驗改革的實施不僅增強學生對理論知識的理解，而且使學生從實際應用方面對電力電子這門課程有了更深的理解，改革的實施還增強了學生獨立進行電路分析和制作的能力，為今后的工作打好堅實的基礎。

關鍵詞：電力電子；實驗改革；實際應用

實踐教學是培養應用型人才和創新型人才的重要環節，實踐是創新的源泉，歷史上重大的科技創新成果大多來源于實踐。電力電子技術是綜合性和實踐性要求很高的學科，通過實踐可以大大提高學生的理論水平和實際動手能力，對培養學生的創新能力，工程意識都將起到至關重要的作用。實踐教學環節的成功與否，直接關系到該學科培養人才的質量，根據能力培養為主線和實踐教學相結合的理念，注重素質教育和能力培養，增強畢業生適應性原則，注重培養和挖掘學生的創新精神和工程實踐能力，注重教學內容與科研生產實際結合，使學生畢業能夠快速適應相關領域的工作，為了完善電力電子實踐教學體系，改進實驗課程教學內容和教學方法，以適應時代對高等教育的要求，跟上電氣專業的發展，本文提出電力電子技術實驗教學改革模式與探索[1]。電力電子技術是本校電子電氣工程學院，電氣工程與自動化專業開設的課程之一，也是培養學生實踐、創新能力的基礎課程。電力電子技術是弱電對強電實現控制的紐帶，它的實驗內容是通過驅動電路控制主電路。本實驗的實踐性較強，必須通過實踐環節才能加深學生對課程內容的理解。在工程實踐和企業控制電路維護中，此課程始終是基礎和常用的，但是由于此課程實驗是強弱電結合的綜合實驗，對學生的實驗操作水平提出了更高的要求，因此針對這些情況，對這門課的實踐教學進行改革是非常必要的。

一、實驗教學環節存在的典型問題

目前本院在電力電子技術實驗環節中仍使用MCL-II電力電子及電氣傳動教學實驗臺。該實驗裝置在使用過程中，由于強弱電結合，直流交流電源在不同的位置，并且學生良莠不齊，經過頻繁和錯誤使用，器材存在以下問題。

1.單結晶體管鋸齒波觸發電路掛箱，直流斬波掛箱，直流斬波電路經常燒壞，其中的三項可控整流電路的晶閘管由于頻繁做交直流轉換實驗，學生接線錯誤導致晶閘管損壞較多。同時學生在做驗證實驗時，由于實驗內容需要學生在觀看波形時需短接中間的輸出端，在實驗結束時，需要取下短接線，但由于學生過多，在做整流電路時未取下短接線，常燒壞觸發電路，因此在做這類實驗時實驗老師和學生都必須非常小心。

2.實驗數據與理論值差異較大，嚴重影響實驗效果。通過示波器得出的波形和理論值常出現差異，控制角a角在實際使用中常出現故障導致控制電壓無法按照理論值調整驅動電壓大小，并且這些問題廠家也無法修復。

【摘要】針對當前應用型本科電力電子技術的課程教學與企業相關人才需求的不匹配，探索了基于CDIO工程應用為指導的教學模式，完善教學內容設置、增設實踐教學環節，建立產學結合的新教學模式，構建以技術應用能力培養為主線的理論教學和實踐教學同步進行的新體系。采用項目體驗教學模式，在“做中學”和“學中做”中培養學生創新思維及工程實踐能力，取得了較好的教學效果。

【關鍵詞】電力電子技術；CIDO；教學模式

“電力電子技術”是應用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，是電氣工程和自動化專業一門重要的專業基礎課。“電力電子技術”已經滲透到國民經濟的各個領域，未來更多的電能將通過電力電子技術處理后再加以應用。如何利用現有條件，加強綜合素質教育，提高學生綜合分析和解決實際問題的能力，培養具有創新能力與企業需求接軌的人才，已引起各高校廣泛的關注和重視。同時電力電子專業學生就業廣泛，可供職于電力行業、機電行業、供電部門、用電部門、汽車、航空等部門。因此如何教好電力電子技術課程，讓學生有所學、有所用，成為應用型本科人才培養的重點問題。CDIO模式是一種在全球各國廣泛推行的工程教育模式。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。將CDIO模式運用到電力電子課程教學中，優化“電力電子技術”課程設置結構，構建“以應用能力培養為核心”的課程體系。推行基于項目、基于問題、基于案例的教學方法和學習方法，支持學生開展研究性學習、創新性實驗，實現課程內容與職業標準、教學過程與生產過程對接，培養學生的工程思維和創新精神具有重要的理論價值。民辦高校學生畢業后主要輸送到企業，更注重應用型人才的培養，因此電力電子技術教學必須打破傳統理論推導和全面講解的教學模式，如何依據CDIO理念開展電力電子技術課程教學、改革教學內容、課程體系與教學方法都是值得我們探討的問題。我院將機電與汽車工程學院的15、16級電氣工程及其自動化學生作為“電力電子技術”這門課程教學改革對象。聯合九洲電氣、哈飛集團等電氣相關龍江企業進行合作，并展開電力電子技術的教學改革，為企業培養合格人才，取得良好效果。

一、CDIO模式下教學內容教學模式的改革

1.教材的修訂與選取。隨著電力電子技術的快速發展，新型的電力電子器件不斷出現，但適合應用技術型院校的學生掌握電力電子技術技能的教材較少，應用型本科院校工程類教材的選取，更應注重理論和實踐結合，重在工程實踐應用。本人參與了21世紀應用型本科電氣類專業系列規劃教材《電力電子技術》的編寫，本教程弱化了理論部分，著重實踐應用原理，深入淺出，適合應用型本科學生選用。2.教學內容做適當調整。當前電力電子技術教程內容大致分四個部分：電力電子器件、基本的電力電子電路、脈寬調制和軟開關控制技術、電力電子裝置的應用。電力電子器件涉及半導體物理的相關知識，器件內部載流子復雜運動會使學生感到抽象，不易接受，容易打消學生學習的積極性。因此,教師應當對這一部分教學內容有所取舍。應從實踐應用角度出發，重點講解器件的功能，導通和截至的條件，外部特性，極限參數等實用問題，使學生在實際應用中會選取器件。另外IGBT、MOSFE等全控型器件應用領域廣泛，成為中、大功率電力電子裝置主導器件，因此適當地增加了全控型器件IGBT，MOSFET內容的講解，重點講述PWM逆變、變頻等內容。3.改進教學模式，開展線下線上混合式教學模式，打造精品課堂。翻轉課堂課是線上和線下混合教學的有效策略和方式，顛覆了傳統課堂教學流程，以教師“教”為中心，轉為以學生“學”為中心。課前部分根據電力電子技術的課程內容，在線導學，資源自學；課中，在老師指導下，學生在分組活動中運用課前學到的知識并進行講解，老師做出總結與個別問題糾正；課后檢測，加強知識掌握和運用的程度。實現翻轉課程過程中運用智慧教學工具雨課堂，教師將帶有MOOC視頻、習題、語音的課前預習課件提前推送到學生手機，師生溝通及時反饋；課堂上實時答題，彈幕互動，充分調動學生自我學習的積極性，效果很好。

二、CDIO模式下實驗教學的改革

實踐教學環節可以鞏固、檢驗課堂上所學的基礎理論知識，強化學生的實踐技能，提高學生的實際動手能力，是課堂教學的必要補充。