論述“電力電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容更新例析

       論文關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù) 課堂教學(xué) 實用分析 
       論文摘要：電力電子技術(shù)是電力電子變換和控制技術(shù)的簡稱，是一門綜合性電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科，是自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。隨著信息科技的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容也不斷革新。 
      “電力電子技術(shù)”是自動化及其相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容繁雜抽象，實踐性很強，其教學(xué)內(nèi)容主要研究各類電力電子裝置中的電磁過程，工作原理及控制技術(shù)，并通過各種電路的波形分析和相位分析掌握這些裝置的原理及應(yīng)用。伴隨著現(xiàn)代信息的快速發(fā)展，對于其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的電力電子技術(shù)的要求越發(fā)嚴(yán)苛，需要其在滿足使用需求的同時，能夠更輕，更小，更高效。為此，電力電子技術(shù)也正經(jīng)歷著翻天覆地的變化，新型的電路拓?fù)浼靶录夹g(shù)的研發(fā)成為了如今電力電子的技術(shù)發(fā)展大方向。信息化腳步的加快也使電力電子人才培養(yǎng)刻不容緩。
　　一、電子電力技術(shù)教學(xué)改革
　　目前，世界各地在電力電子教學(xué)上花費大量的心思，推陳出新。隨著科技的日新月異，教師深入研究電力電子課程內(nèi)容，總結(jié)歸納教學(xué)經(jīng)驗，發(fā)展新的更適宜學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。甚至有不少學(xué)校開展網(wǎng)絡(luò)電力電子課程，寓教于樂，讓教學(xué)變得更有趣味。
　　例如歐洲的大學(xué)，導(dǎo)師教學(xué)以學(xué)生為主題。讓學(xué)生按照個人興趣組成小組，自我設(shè)定課題，完成課程的研究。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，更易激發(fā)學(xué)生對于學(xué)習(xí)的熱情。在課程研究過程中，自己發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這不僅能提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，在與組員的溝通中，也是一種人際交往能力的提升。這一形式的教學(xué)模式不僅發(fā)展了學(xué)生，更為企業(yè)培養(yǎng)了真正的實用型人才。
　　網(wǎng)上的教學(xué)脫離了呆板的課堂黑板手寫的模式，使學(xué)生對所學(xué)的知識有更直觀的認(rèn)識。教師與學(xué)生之間也能通過互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到一種更好的溝通。國內(nèi)的一些大學(xué)就在開展此類課程，收到了不錯的反響。教師通過特定的軟件，以動畫等形式展示電路在不同形態(tài)下的開關(guān)狀態(tài)及與之對應(yīng)的電量、對應(yīng)的波形圖等。此舉大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，同時也提高了電力電子教學(xué)的效率。
　　二、新電力電子教學(xué)舉措
　　近年來，電力電子技術(shù)在新能源、航天信息等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)，用戶使用的電能60%以上至少需經(jīng)過電力電子變流裝置處理。其中直流輸電系統(tǒng)送電端的整流閥和受電端的逆變閥均為晶閘管變流裝置；晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器是重要的無功功率補償裝置；近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器、有源電力濾波器等新型電力電子器件具有更為優(yōu)越的無功補償和諧波補償性能；在配電系統(tǒng)中，電力電子裝置可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等。
　　本文針對電力電子技術(shù)的不斷改革出新，探討新的電力電子教學(xué)內(nèi)容方案，以全控器件作為主要的學(xué)習(xí)對象，圍繞全控器件的應(yīng)用組織課程內(nèi)容。
　　1.控制電路的工作原理
　　一般來說，正常運行的電力電子設(shè)備由其主電路按一定方式控制主電路的開關(guān)元件，組成一個閉環(huán)變換器的系統(tǒng)。其主要有電流控制和電壓控制兩種基本方式，在電力電子技術(shù)教學(xué)時，以這兩種方式為主要學(xué)習(xí)對象。學(xué)生主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有：典型控制技術(shù)、PWM控制芯片、頻域測試技術(shù)、電力電子閉環(huán)分析等。教師在授課時，可以將理論知識結(jié)合圖例，使教學(xué)內(nèi)容變得生動。如在談及攝像機系統(tǒng)控制電路時可配以一些圖例加深印象。
　　2.全控器件為主導(dǎo)，壓縮半控器件
　　（1）電力電子器件。電力電子器件主要用作功率開關(guān)，利用不同的控制技術(shù)與開關(guān)配合，達(dá)到向電機提供不同電壓、不同頻率、不同相序供電電壓的目的，以控制電機的起停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該類器件通常具有良好的靜態(tài)特性，快速的動態(tài)特性，安全的極限參數(shù)與工作區(qū)。
　　電力電子器件按其特性分兩類：半控型和全控型器件。電力電子教學(xué)的內(nèi)容以全控型器件為主，按其結(jié)構(gòu)與工作機理分為雙極型、單極型和混合型。對于全控型器件的講述主要可按照以下分類作具體描述。
　　GTO的特性：GTO 是可關(guān)斷晶閘管，為PNPN 四層結(jié)構(gòu)的器件，具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，同時又具有關(guān)斷能力。GTR 靜態(tài)特性的阻斷區(qū)僅有極小的反向漏電流存在，而承受全部高電壓，類似于開關(guān)處于斷開狀態(tài)，在飽和區(qū)，即非線性區(qū)電流增益和導(dǎo)通電壓都很小，類似于開關(guān)處于接通狀態(tài)。
　　MOSFET的特性：MOSFET的靜態(tài)特性、動態(tài)特性與GTR相似，但它不存在存儲電荷問題，而有極間電容放電問題。
　　IGBT的特性：IGBT是一種復(fù)合型器件，它相當(dāng)于一個由MO SFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTR，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受大電流等優(yōu)點。IGBT的伏安特性與GTR不同的是控制參數(shù)是門源電壓，而不是基極電流。
　　除了以上全控型主要原件特性闡述外，可按由淺入深的教學(xué)模式，進(jìn)一步對其外形特征、適用領(lǐng)域、應(yīng)用背景等進(jìn)行描述。以各類原件參數(shù)為例，要求學(xué)生通過其性能比對，重點掌握每個元件的主要特點、適用場合及其特性。
　　此外，對于電力電子器件的驅(qū)動保護(hù)電路也是一個學(xué)習(xí)重點，驅(qū)動電路是低電平的邏輯控制信號與高壓大電流的電力電子器件之間的放大緩沖單元，要求學(xué)生掌握一些典型驅(qū)動電路及芯片。如GTR 的驅(qū)動，正向基極驅(qū)動電流在驅(qū)動初期，不但要有陡峭的前沿并要有一定時間的過驅(qū)動電流，以便強迫其開通，開通之后，在正常導(dǎo)通階段的基極驅(qū)動電流則應(yīng)該使GTR 恰好維持在飽和狀態(tài)，以便縮短存儲時間t。這樣能加快開通過程、降低開通損耗。而MO SFET器件的輸入端為容性負(fù)載，也需要過沖的驅(qū)動前沿。典型驅(qū)動電路有貝克嵌位電路和推拉式電路以及門極驅(qū)動電路。
　　（2）主電路。對于電力電子主電路的講述主要集中于其四種基本電力電子變換器的工作原理。在分析時可遵循如下規(guī)律：先理想電路后實際電路、先仿真分析后理論分析、先模仿設(shè)計后創(chuàng)新設(shè)計、先典型后一般。主電路主要研究內(nèi)容為：理想DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC變換器的工作原理和靜態(tài)特性以及器件的選擇原則；介紹小功率的典型電路，如PFC電路、整流電路、反激/正激變換器；主電路的仿真技術(shù)（應(yīng)用Pspice通用電路仿真軟件）；功率磁性元件的設(shè)計與選擇；與主電路相配合的控制電路的框圖。
　　三、加強實驗環(huán)節(jié),打造應(yīng)用型人才
　　在完成了課堂教學(xué)內(nèi)容后，可適當(dāng)進(jìn)行實驗內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系實際運用，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解應(yīng)用。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，建議保留原有晶閘管整流、逆變的驗證性實驗，使學(xué)生對本課程的應(yīng)用有一個初步認(rèn)識。在器件研究上則以全控器件研究為主，對直流斬波、交—交變換及PWM控制技術(shù)部分的內(nèi)容，開設(shè)設(shè)計型實驗。實驗安排可由易至難，鼓勵學(xué)生自主完成實驗的設(shè)計，實驗，數(shù)據(jù)記錄研究等步驟。此外，增加信號的調(diào)制，SPWM信號的產(chǎn)生與實現(xiàn)、電力電子電路閉環(huán)動態(tài)特性觀察及超調(diào)量抑制、DC/AC SPWM單相全橋逆變電路設(shè)計等綜合性實驗。
　　四、結(jié)束語
　　電力電子行業(yè)正迎來良好的發(fā)展機遇，而自主創(chuàng)新是電力電子行業(yè)發(fā)展的持久動力。只有通過自主創(chuàng)新，用創(chuàng)新精神引領(lǐng)企業(yè)，掌握核心技術(shù)，才能提高企業(yè)的競爭力，進(jìn)一步發(fā)展和壯大企業(yè)，才能盡快縮短與發(fā)達(dá)國家的差距，促進(jìn)電力電子行業(yè)的高速發(fā)展。
　　在電力電子發(fā)展創(chuàng)新的大環(huán)境下，本文針對電力電子技術(shù)教學(xué)提出新的教學(xué)方向。提倡展開全控型器件的教學(xué)，重點圍繞全控型器件及由其構(gòu)成的主電路，通過分析一些典型的電力電子裝置，使學(xué)生掌握實用分析法，強調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，鼓勵學(xué)生自主開展課題研究或進(jìn)行實驗探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展。
　　
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