电力电子基础范例

本文作者：胡晓倩 李山 张莲 单位：电子信息及自动化学院

综合性开放式实验平台的结构与设计方法

结合电力电子技术的发展趋势，基于现代电力电子器件的电能变换与控制实验平台一方面与现有电力电子技术及电机实验装置进行对接，实现对现有实验装置的升级和改进，挖掘现有实验平台的资源潜力；另一方面作为独立的电能变换与控制系统，将现代电力电子器件应用于电力电子新技术中，从广度和深度两方面扩充实验内容，比如从全控型器件的应用扩展到复合型器件、智能型器件的应用，从器件特性和工作原理的验证性实验扩展到电动机驱动、电阻网络控制以及电能回馈设计等探究性实验。基于现代电力电子器件的电能变换与控制实验平台的设计如图1所示。其设计思想遵循三个方面的原则：一是综合性，可以融合自动控制原理、可编程控制器以及电机学等课程教学资源。在实验平台中不仅要体现单一学科的实践和应用，而是要树立学生系统的观念，将多门学科的专业知识综合应用；二是开放式，留有兼容与升级的接口。如其中的实验平台中电能变换模块的控制器单元，在设计时考虑平台的扩容与升级，为今后功能扩展以及更换预留接口；三是模块化，分级模块化，不仅能够在器件的驱动使用上更加方便，而且有利于维修。

项目采用模块化设计方法，选用多种现代电力电子器件开发一种电能变换与控制实验平台。该实验平台由电力电子器件、驱动模块、保护模块、脉冲宽度调制模块以及电能输入和输出接口模块等组成，通过对输出电能参数的控制，可以改变电动机等运动负荷或电阻网络等静止负荷的工作特性，如图1所示。电能变换与控制平台在电力电子应用系统（如图1）中，起着衔接原始的供电电源与最终负载之间的桥梁作用，把电源提供的粗电（coarsepower）转换成符合负载要求的精电（refinedpower）。其中，精电的电能质量指标主要取决于电能变换与控制平台的特性。研究成果的具体指标为：选用现代电力电子器件的覆盖范围，包括全控型、复合型与智能型电力电子器件的典型代表，如MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等。电力电子器件的驱动电路和保护电路的功能。由于电力电子器件是以弱电信号控制强电能量的形式，驱动电路和保护电路是不可或缺的组成部分。实验平台需对每一电力电子器件设计驱动电路和保护电路。能够实现电能的变换与控制。本实验平台的重要应用领域是对电能进行变换和控制。作为基本功能实现与否的评价标准，是检测该实验平台可否实现电能的变换与控制。电力电子器件的控制方法是通过PWM脉冲序列控制。作为普遍适用的一种重要控制方法，PWM脉冲序列发生电路为各器件提供控制信号。与现有实验平台的兼容性。拟开发的实验平台具备与有源负荷及无源负荷的接口，能够驱动无源负荷及有源负荷，体现出在负荷匹配方面的灵活性与开放性。

实验平台采用模块化的设计，不仅可以适应现有的实验装置，实现对现有实验装置的升级改进，而且有利于在今后的进一步技术升级。主要研究内容包括：针对所选用的多种现代电力电子器件，包括电力MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等，分别设计每种器件相应的驱动电路和保护电路。由脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）控制芯片SG3525为核心设计PWM波形发生单元，为各驱动电路提供驱动波形。设计电能的输入、测试与输出接口电路。不仅实现与外部电源和负载接口的匹配，而且可以对变换及控制过程中电能的形式进行检测。电能输出接口的兼容性设计。经过变换与控制的电能，所连接负荷包括有源负载，如电网，及无源负载，如电动机等电动设备或阻抗元件等。实验平台的电磁兼容设计和安全保护设计。一方面满足实验室环境下电磁兼容的需要，另一方面保证在操作过程中的人身、设备安全保护。

以实验平台为基础的教学改革

以现代电力电子器件的电能变换与控制实验平台为基础所进行的实验教学体系改革主要从教学内容、教学方法和考核方法等三个方面进行。目前，国内普遍采用的商业开发实验教学平台可实现的教学内容包括单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验、锯齿波同步移相触发电路及单相桥式全控整流及有源逆变电路实验、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验、三相交流调压电路实验、直流斩波电路原理实验、GTO和GTR驱动与保护电路实验等，这些实验内容多属验证性实验。而现代电力电子器件的电能变换与控制实验平台不仅能够对电力电子技术课程的现代电力电子器件特性、主要电路拓扑结构的工作过程以及新型控制技术的原理性验证，还能够实现从器件、到结构直至整个系统的整合，给学生提供一个从下到上，包含各个层次的电力电子系统。此外，该实验平台还可以综合自动控制原理、计算机网络和可编程控制器等课程内容，实现以电力电子技术为主的综合性探究实验，体现学科交叉及课程体系间的联系。

摘要：

现代电力电子技术自上世纪六十年代开始出现，其发展势头迅猛。这是一项能够对电能进行控制和转换的技术，在多个行业都起到非常重要的作用，应用领域十分广泛。文中分析了现代电力电子技术的发展趋势，并进一步对现代电力电子技术的应用进行了具体的阐述。

关键词：

电力电子技术 发展趋势 应用

前言

现代电力电子技术的发展经历了几个不同的阶段，整流器时代、逆变器时代和变频器时代，现代电力电子技术属于变频器时代，同时又与微电子技术有效地进行了结合，这不仅使其应用范围十分广泛，而且在国民经济中的地位也变得越来越重要。

1现代电力电子技术的发展趋势

第一篇：工科电力电子技术课程教学改革实践

摘要：

在总结多年从事本科电力电子技术课程教学的基础上，深入分析了该课程在教学过程中存在的诸多问题，如课堂与实验教学效果不理想，学生的实际动手能力不强，理论与实践严重脱节等。同时，深入地论述了该课程的理论教学和实验教学如何进行改革探索，以更好地启发学生思维，激发学生的学习兴趣，培养学生分析、综合以及应用的能力。

关键词：

电力电子；探索；实践能力

电力电子技术是对电能进行控制和变换的技术，虽起步较晚，但发展十分迅速，目前已在工业生产和社会生活中得到了广泛应用[1]。电力电子技术涉及电力工程、电子信息、计算机等多领域的新兴技术，是电气相关专业学生的必修课程。该课程的特点是教学难度大，而目前的教学内容、教学方法和实验方法凸显出很多的弊端，已不能满足当前社会对人才培养的要求，因此，我们对电力电子技术课程的课堂教学和实验教学进行了大胆改革和尝试，并收到了较好的效果[2]。

1电力电子技术课程的教学与实践的现状

摘要：

现代电力电子技术自上世纪六十年代开始出现，其发展势头迅猛。这是一项能够对电能进行控制和转换的技术，在多个行业都起到非常重要的作用，应用领域十分广泛。文中分析了现代电力电子技术的发展趋势，并进一步对现代电力电子技术的应用进行了具体的阐述。

关键词：

电力电子技术 发展趋势 应用

前言

现代电力电子技术的发展经历了几个不同的阶段，整流器时代、逆变器时代和变频器时代，现代电力电子技术属于变频器时代，同时又与微电子技术有效地进行了结合，这不仅使其应用范围十分广泛，而且在国民经济中的地位也变得越来越重要。

1现代电力电子技术的发展趋势

摘要：

电力系统的安全有效运行事关国计民生，是现代国家能源保障的最大是想，随着电力电子技术的快速发展，将它的先进技术引进，让电力供应更加安全可靠，是新时代电力电子技术发展的目标之一，实现电力系统的智能化，响应时代的号召。我们对现在电力电子技术在电力系统中的应用进行分析和研究。

关键词：

电力电子技术;电力系统应用

1研究背景

现在是科技发展的高峰期，科技的发展促进了人们对新材料的旺盛需求，新的材料和结构器件又反过来促进了电力电子技术发展，并在社会中得到广泛的应用。在电力系统中，应用电力电子技术也取得了很大进展。电子电子技术是电子技术的主要内容之一，除了电力电子技术，还有信息电子技术。现代电子技术主要是用电子器件进行设计的，以电子学原理为基础，进而制造一些特定功能的电路，可以为解决实际问题提供科学的依据的一项高科技电子技术。该项技术主要应用在电力领域，主要是建立在电工原理学科、电子学等学科的理论基础上。

2电力电子技术的发展

摘要：在应用型本科电力电子技术课程教学中存在教学内容与实际应用结合度低等问题，针对这些问题提出了以学生应用、创新能力培养为核心、以工程技术为导向的教学模式，创新教学方法和手段，建立先进教学考评制度，加强实验教学，开发虚拟实验平台，以科研促教学等针对课程教学模式、方法的改革。使教学内容与工程应用紧密结合，提高学生综合应用学科知识的能力和实践动手能力，取得了较好的教学实践效果。

关键词：应用型本科；电力电子技术；教学研究；教学改革

一、概述

电气工程及其自动化是工程学科中的重要学科，在高素质应用型工科人才方面发挥着重要作用[1]。随着我国经济快速发展以及社会生产环境的快速革新，无论是传统电工制造业，亦或是新兴产业，都需要大量技术过硬、实践能力强、素质高的电气工程类应用型人才，以适应工业战略转型和实际生产的需求。不仅如此，近年来，随着新能源、电力系统等行业的快速兴起，电力电子技术的应用也日益广泛。这些使得社会迫切地需要这类综合能力强的优秀应用型人才，电力电子技术课程在电气工程类应用型人才培养方面的作用日益突出[2]。电力电子技术课程核心知识是电能的变换与控制，涉及到电子、控制等多领域知识，而与之相关的课程如电力系统拖动、交直流电机调速、电力系统分析等课程都是电气工程及其自动化专业的核心课程[3]。电力电子技术课程既有显著的基础性和理论性特征，也具有较强的实践性，是电气工程领域人才必须要掌握的一门基础课程，学好该课程会很大程度上增强电气专业应用型人才的动手能力[4-6]。电力电子技术课程旨在培养一批符合时展的，拥有强大动手实践能力和创造性的综合型应用人才。纵观各大高校，在全国教育深化改革的背景下，电力电子技术课程也迈向了教育教学改革阶段，提出了如下要求：全方位培养学生动手能力、工程应用能力和创新能力；优化调整电气工程类课程体系，适当地增加实践课程占比；灵活运用信息化手段和多媒体教学方式，提高教学效率，强化教学效果。总而言之，电力电子技术课程作为电气工程类学科教学科目中的一门必修课程，在提升应用型人才综合素质，丰富人才认知体系，锻炼与培育人才动手实践能力等方面发挥着重要作用。

二、教学中目前存在的问题

就目前的现状而言，我国高校大部分电力电子技术课程仍然采取传统“你讲我听”的满堂灌的单向授课模式，这极大程度上抑制了学生学习的主动性，也不利于应用型人才实践动手能力的培养；除此之外，教学模式僵化，实物演示教学环节匮乏，未能突出学生学习的主体地位，而这也造成电力电子技术课程教学效果欠佳，难以达到教学改革目的，也难以满足社会发展对应用型人才培养的需要。同时，从实践来看，在我国电子电力技术课程体系中，理论教学占比较高，而动手实践操作教学比重较小，这也使得学生无法将所学知识灵活应用于实践中去；此外，还缺乏科学思维方式的引导与训练，而这也极大地抑制学生主观能动性，不利于学生创新能力的锻炼。整体而言，现有的教学模式与电气工程类教学改革要求不相适应，与社会应用型人才培养诉求不相适应。正是如此，对电力电子技术课程教学过程，非常必要创新与优化现有的教学模式，贯彻落实电气工程类专业教学改革要求，培育出工程素养高、动手能力强、理论知识扎实的优质应用型人才。具体而言，电力电气技术课程在教学方面主要存在如下五个方面的问题。

（一）教学内容与实际应用结合度低

摘要：针对本校现有的电力电子实验装置不能满足学生实验要求的现状，提出了电力电子技术综合创新性实验教学改革。文章阐述了传统实验教学的不足，实验教学改革的内容以及具体的改革办法。本实验改革的实施不仅增强学生对理论知识的理解，而且使学生从实际应用方面对电力电子这门课程有了更深的理解，改革的实施还增强了学生独立进行电路分析和制作的能力，为今后的工作打好坚实的基础。

关键词：电力电子；实验改革；实际应用

实践教学是培养应用型人才和创新型人才的重要环节，实践是创新的源泉，历史上重大的科技创新成果大多来源于实践。电力电子技术是综合性和实践性要求很高的学科，通过实践可以大大提高学生的理论水平和实际动手能力，对培养学生的创新能力，工程意识都将起到至关重要的作用。实践教学环节的成功与否，直接关系到该学科培养人才的质量，根据能力培养为主线和实践教学相结合的理念，注重素质教育和能力培养，增强毕业生适应性原则，注重培养和挖掘学生的创新精神和工程实践能力，注重教学内容与科研生产实际结合，使学生毕业能够快速适应相关领域的工作，为了完善电力电子实践教学体系，改进实验课程教学内容和教学方法，以适应时代对高等教育的要求，跟上电气专业的发展，本文提出电力电子技术实验教学改革模式与探索[1]。电力电子技术是本校电子电气工程学院，电气工程与自动化专业开设的课程之一，也是培养学生实践、创新能力的基础课程。电力电子技术是弱电对强电实现控制的纽带，它的实验内容是通过驱动电路控制主电路。本实验的实践性较强，必须通过实践环节才能加深学生对课程内容的理解。在工程实践和企业控制电路维护中，此课程始终是基础和常用的，但是由于此课程实验是强弱电结合的综合实验，对学生的实验操作水平提出了更高的要求，因此针对这些情况，对这门课的实践教学进行改革是非常必要的。

一、实验教学环节存在的典型问题

目前本院在电力电子技术实验环节中仍使用MCL-II电力电子及电气传动教学实验台。该实验装置在使用过程中，由于强弱电结合，直流交流电源在不同的位置，并且学生良莠不齐，经过频繁和错误使用，器材存在以下问题。

1.单结晶体管锯齿波触发电路挂箱，直流斩波挂箱，直流斩波电路经常烧坏，其中的三项可控整流电路的晶闸管由于频繁做交直流转换实验，学生接线错误导致晶闸管损坏较多。同时学生在做验证实验时，由于实验内容需要学生在观看波形时需短接中间的输出端，在实验结束时，需要取下短接线，但由于学生过多，在做整流电路时未取下短接线，常烧坏触发电路，因此在做这类实验时实验老师和学生都必须非常小心。

2.实验数据与理论值差异较大，严重影响实验效果。通过示波器得出的波形和理论值常出现差异，控制角a角在实际使用中常出现故障导致控制电压无法按照理论值调整驱动电压大小，并且这些问题厂家也无法修复。

【摘要】针对当前应用型本科电力电子技术的课程教学与企业相关人才需求的不匹配，探索了基于CDIO工程应用为指导的教学模式，完善教学内容设置、增设实践教学环节，建立产学结合的新教学模式，构建以技术应用能力培养为主线的理论教学和实践教学同步进行的新体系。采用项目体验教学模式，在“做中学”和“学中做”中培养学生创新思维及工程实践能力，取得了较好的教学效果。

【关键词】电力电子技术；CIDO；教学模式

“电力电子技术”是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是电气工程和自动化专业一门重要的专业基础课。“电力电子技术”已经渗透到国民经济的各个领域，未来更多的电能将通过电力电子技术处理后再加以应用。如何利用现有条件，加强综合素质教育，提高学生综合分析和解决实际问题的能力，培养具有创新能力与企业需求接轨的人才，已引起各高校广泛的关注和重视。同时电力电子专业学生就业广泛，可供职于电力行业、机电行业、供电部门、用电部门、汽车、航空等部门。因此如何教好电力电子技术课程，让学生有所学、有所用，成为应用型本科人才培养的重点问题。CDIO模式是一种在全球各国广泛推行的工程教育模式。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，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。将CDIO模式运用到电力电子课程教学中，优化“电力电子技术”课程设置结构，构建“以应用能力培养为核心”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。民办高校学生毕业后主要输送到企业，更注重应用型人才的培养，因此电力电子技术教学必须打破传统理论推导和全面讲解的教学模式，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。我院将机电与汽车工程学院的15、16级电气工程及其自动化学生作为“电力电子技术”这门课程教学改革对象。联合九洲电气、哈飞集团等电气相关龙江企业进行合作，并展开电力电子技术的教学改革，为企业培养合格人才，取得良好效果。

一、CDIO模式下教学内容教学模式的改革

1.教材的修订与选取。随着电力电子技术的快速发展，新型的电力电子器件不断出现，但适合应用技术型院校的学生掌握电力电子技术技能的教材较少，应用型本科院校工程类教材的选取，更应注重理论和实践结合，重在工程实践应用。本人参与了21世纪应用型本科电气类专业系列规划教材《电力电子技术》的编写，本教程弱化了理论部分，着重实践应用原理，深入浅出，适合应用型本科学生选用。2.教学内容做适当调整。当前电力电子技术教程内容大致分四个部分：电力电子器件、基本的电力电子电路、脉宽调制和软开关控制技术、电力电子装置的应用。电力电子器件涉及半导体物理的相关知识，器件内部载流子复杂运动会使学生感到抽象，不易接受，容易打消学生学习的积极性。因此,教师应当对这一部分教学内容有所取舍。应从实践应用角度出发，重点讲解器件的功能，导通和截至的条件，外部特性，极限参数等实用问题，使学生在实际应用中会选取器件。另外IGBT、MOSFE等全控型器件应用领域广泛，成为中、大功率电力电子装置主导器件，因此适当地增加了全控型器件IGBT，MOSFET内容的讲解，重点讲述PWM逆变、变频等内容。3.改进教学模式，开展线下线上混合式教学模式，打造精品课堂。翻转课堂课是线上和线下混合教学的有效策略和方式，颠覆了传统课堂教学流程，以教师“教”为中心，转为以学生“学”为中心。课前部分根据电力电子技术的课程内容，在线导学，资源自学；课中，在老师指导下，学生在分组活动中运用课前学到的知识并进行讲解，老师做出总结与个别问题纠正；课后检测，加强知识掌握和运用的程度。实现翻转课程过程中运用智慧教学工具雨课堂，教师将带有MOOC视频、习题、语音的课前预习课件提前推送到学生手机，师生沟通及时反馈；课堂上实时答题，弹幕互动，充分调动学生自我学习的积极性，效果很好。

二、CDIO模式下实验教学的改革

实践教学环节可以巩固、检验课堂上所学的基础理论知识，强化学生的实践技能，提高学生的实际动手能力，是课堂教学的必要补充。