《电力电子技术》全方位实践教学.pdf

电力电子技术 全方位实践教学陈新河， 等 电力电子技术全方位实践教学 陈新河 ，杨汉生 ，周波 ( 巢湖学院电子工程与电气自动化学院 安徽巢湖，2 3 8 0 0 0 ) ( 黑龙江科技大学计算机与信息工程 学院 黑龙江哈 尔滨，1 5 0 0 2 2 ) 摘要：电力电子技术是一门具有很强的专业性、 应用性和实践性的课程。为培养出符合社会需求的具有专业技能的创 新型实践人才， 通过理论教学内容的实践化调整、 实践教学方式的电子仿真化引入、 硬件实验教学的细化和渐进化实施、 课程 设计和电子创新的实践化延伸和升华， 使电力电子技术课程的实践教学全方位开展。实践结果证明， 电力电子技术的实践教 学， 不仅加深了学生电力电子技术理论知识的修养， 培养了学生利用电力电子技术知识分析问题、 解决问题的能力， 更提高了 学生了的创新能力和实际动手能力。 关键词：电力电子； 实验教学； 电子仿真； 创新实践 D OI 编码 ：1 0 1 4 0 1 6 6 c n k i 1 0 0 1 9 2 2 7 2 0 1 5 0 3 1 8 6 Abs In陡 P o we r a n d e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y h a s s tr o n g s p e c i a l i t y , p r a c t i c a b i l i ty a n d p r a c t i c a l n e s s T o me e t t h e s o c i a l n e e d o f p r o f e s s i o n a l o f i n n o v ati o n a n d p r a c t i c e ， t h e t e a c h i n g r e f o r m o f t h e c o u r s e we r e b e e n c a r r i e d o u t i n ma n y a s p e c t s ， s u c h a s m a k i n g t h e o r y t e a c h i n g fi r ml y c o n t e c t wi th p r a c t i c e ； u s i n g e l e c t r o n i c s i mu l a t i o n s o ft wa r e h e l p p r a c ti c e t e a c h i n g ； d i v i d i n g m a t e r i a l e x p e r i me n t s i n t o b a s i c e x p e r i me n t s ，c o mp r e h e n s i v e e x p e r i me nts a n d e x p l o r a t o r y e x p e r i me n t s t o e a s y o p e r a t e f r o m s i mp l e t o c o p l e x ； an d e x t e n d i n g the p r a c t i c t e a c h i n g i n t o c u r r i c u l u m d e s i g n a n d e l e c t r o n i c i n n o v a t i o n p r a c t i c e t o e l e v a t e i n n o v a t i v e a b i l i t y an d p r a c t i c a l s k i l l s o f s t u - d e n t s T h e p r a c t i c e r e s u l t s p r o v e s t h a t t h e r e f o r m e n h a n c e the s t u d e n t s t h e o r e ti c a l k n o wl e d g e ， c u l t i v a t e t h e s tud e n t s a b i l i ty i n p r o b l e m a n a l y s i s a n d p r o b l e m s o l v i n g ， b u t a l s o i mp r o v e i n n o v a t o ry a n d p r a c t i c a l a b i l i ty o f s t u d e n t s K w砌 s ：Po we r E l e c t r i n i c s ； E x p e ri me nt T e a c h i n g ；El e c t r o n i c S i mu l a t i o n ； I n n o v a t i o n P r a c t i c e 中图分类号 ：G6 2 0 0 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 1 9 2 2 7( 2 0 1 5 J 0 3 - 0 1 8 6 - 0 4 0 引言 电力电子技术是电气工程、控制科学与工程等工科专业的 一 门专业必修课12 ，是利用电力电子器件对电能进行转换和控 制的一门科学 ，是对 国家的工业 自动化 、交通运输 、城市供 电、节能 、环保治理等方面有巨大的推动力n 的一种生产力。 电力电子技术实践教学是电力电子技术教学的重要组成部分。 该实践教学可以巩固电力电子技术的理论知识 ，培养学生的实 践动手能力和分析问题 、解决问题的能力，为社会提供理论扎 实，实践丰富的创新型人才。 传统的电力电子技术实践教学基本通过实验教学完成 ，实 践教学形式单一 ；而且实验教学多采用实验台插接线的模式 完，学生对试验台内部电路和接线缺乏感性认识 ，致使理论难 以联系实践、出现误操作、对出现的问题不能进行正确的分析 和解决。因此，如何真正有效的利用起电力电子技术的实践教 学环节，使理论与实践相结合，培养和丰富实践动手能力，为 社会培养实践应用型人才是我们这些教师值得深思和探讨的 问题。 当前已经有文献探讨电力电子技术的教改问题 ，但这些 文献中往往只在某一方面对电力电子技术课程进行教学改革 ， 如文献 3 】 和文献 6 】 中讨论了构建电力电子技术实践创新平台来 进行试验改革，文献 7 中提出了通过要求实验前预习、实验时 收稿 日期： 2 0 1 5 一 O 卜l 8 基金项目： 安徽高校省级科学研究2 0 1 2 年度项目( K J 2 0 1 2 B 1 1 3 ) 作者 简介 ：陈新 河 ，男，讲师 ，硕 士，主要研 究方 向为电力 电子 技术及教学 。三维重建。 】 8 6 认真、实验后总结的方法来提高试验教学效果 ，总体来说都没 有真正对电力电子技术课程进行全方位的实践性教学改革。本 文提出 了 “ 一基础 、两方 面、三途径 ”的电力 电子技术实践教 学方案，也即也电力电子技术理论教学为实践教学的基础 ；具 体电力 电子技术实践教学方式包含软件仿真和硬件实践两方 面；其中电力电子技术的硬件实践教学通过课堂实验、课程设 计和电子创新三个途径来开展。 1 理论教学 实践教学的基础 任何的实践都需要理论进行指导，电力电子技术的实践教 学也是这样。离开了电力电子技术知识理论的指导。电力电子 技术实践就是无源之水而无从谈起 ，电力电子技术实践的操作 就是无头之蝇而胡乱操作一气 ，电力电子技术实践的效果就是 无的之矢而无从验证。因此 ，要开展好实践教学，首先要重视 理论教学 ，以理论教学为基 础。 电力电子技术课程的基本内容包含了电能的四大变换技术 和两种控制技术 ，这些内容因为教材编写早或者教材编写周 期长，而与当前的实际有些脱节 ，教材编者考虑到教学学时或 本科层次教学水平的需要 ，而将一些教学内容删略。为了配合 实践教学的需要，理论教学开展需要： 1 1 教 学内容的调整 在理论教学中，电力电子器件主要介绍当前主导的全控型 器件，着重介绍 B J T、MO S F E T、I G B T 等器件原理 、特性、参 数及选择，其他知识快速带过；电能的四大变换技术着重分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表F 2 o 1 5 年3 期( 总第 1 8 5 期) 电路原理和波形图，同时也介绍它们常用的集成模块和驱动控 制集成 ( 如E XB 8 4 0 系列 、I R 2 1 1 0系列 、P I M模块和 I P M模块 等) ，为实践提供方便；控制技术上将相控和斩控置于同等的 重要地位 ，特别要补充教材斩控相对较薄弱的内容。 1 2 教学过程联 系实际 教学过程通过联系实际事物 ( 如电子调光灯 ，电子调速 器 ，变频空调 ，电磁炉的微波加热，手机移动电源的斩控) ， 让学生知道知识的实际存在和价值，提高学生的学习热情；同 时教学中多提出实际问题 ( 如怎样利用单相交流来驱动三相交 流电机 ，怎样将废旧电池中的残余电能回收等) ，引发学生利 用课程知识来解决现实问题，培养学生的思维力和创造力。 1 3 教 学过程 的延伸 课堂教学之余 ，通过为学生推荐电力电子技术相关网站、 Q Q群和论坛等网络资源 ( 如电力 电子技术论坛 ：h t t p ： b b s p - e - c h i n a c o m ；电力电子技术研究：W W W c h i n a p e r i c o m；电力 电子技术杂志：h t t p ： w w w d l d z j s c o m x x ) ，使学生能融入 电力 电子技术的大社团中，并积极参与其中，了解电力电子技术发 展的前沿和动态，知道其新产品、新技术和新方法。 2 电子仿真实践教学的软实现 电子仿真具有运行成本低、操作可控性高，实验结果精度 高、实验重复性好和整体实验效果高等优点，已经被广泛应用 于电子产品的设计和分析过程中。将电子仿真引入电力电子技 术的实践教学中，不仅能降低实验设备的投入，防止出现大规 模的电力电子器件的故障损坏 ，避免因为电子元器件的参数差 异造成实验结果的分散 ，而且能大量压缩实验时间的同时提高 学生的实践能力 ，顺应了学校课程改革的要求。因此，电力电 子技术实践的软件实现方法是当前众多教育者的共同选择，也 是电力电子技术实验改革的一个重要方面。 当 前 能被 用 于 电力 电子技 术 的仿 真 软件 很 多 ，如 P S P I CE、 AL T I UM DE S I GNE R、P ROT E US 、P OW ERS I M、 MA T L A B S i m u l i n k 、 MU L T I S I M 等 。这些众多 的软件 中推荐使 用 P R O T E U S ，因为 该软件 中的元件 模型完 备 ， 自带仿真 实例 多 ，仿真实验 的软仪器仪表齐全 ，更重要的是该软件教学参考 书多，而且在多门课程中已经被利用，这样学生使用容易上 手，学习后使用的频率高，软件通用性好。 为保证 电子仿真在电力电子技术实践教学中获得最大实 效，首先是保证学生要会用仿真软件 ，其次适当的场合充分使 用，最后恰当体现电子仿真在实践教学成绩中的分量。通过学 生课前 自学仿真软件 ，教师课堂实例演示保证学生对软件使用 方法的掌握；通过将电子仿真用于课堂理论知识的验证、课后 习题的解答、硬件实验的课前预演和课程设计的理论验证，使 电子仿真的优势发挥到极致 ；通过将电子仿真纳入平时作业的 考核范围、实验的考核一部分和课程设计的评判标准之一，使 电子仿真真正成为电力电子技术实践教学的重要组成部分。 3 硬件实验 实验教学的基本和 主体 电力电子技术的仿真虽然具有优点 ，但见不到电子元件的 实物，没有动手进行实际电路的连接 ，运行的效果也只是虚拟 显示，其操作只是实际硬件实验的软件演练。只有通过电力电 子技术硬件实验才能让学生真实体会真实硬件元件的存在、硬 件电路的连接、实物的运行状态和结果 ，所有硬件实物实验才 是电力电子技术实践教学的主体和最基本的组成部分。为逐阶 段、分寸次的开展硬件实验教学 ，逐步提高学生实践能力，将 电力电子技术硬件实验项目分为基础性实验 ，综合性实验和设 计性实验三大类型。 3 1 基础 性实验 基础性实验主要是一些验证性的简单实验。完成这些实验 的目的是验证课本理论知识，加深理论知识的理解 ，同时也为 后边的综合性实验和设计性实验积累实践经验。一般这类实验 安排的实践最早 ，其相应的电路图和实验步骤在实验指导书上 已经给出，学生只要按照指导书要求操作即可完成实验 ，而且 实验结果也很容易理解。这类实验项 目包括电力电子器件特性 参数实验、正弦波同步移相触发电路实验、锯齿波同步移相触 发电路实验、单相桥式可控整流实验、三相半波可控整流实验 等。这类的实验在实际操作时每生一套实验仪器 ，要求每生操 作必过，为实践动手能力打下扎实的基础。 3 2 综合性 实验 综合性实验是要利用 多个 相互关联的课程知识 的实 验 ，而 且整个实验任务会分解成为若干子任务，分步骤、按先后有序 的完成 。这类实验 开设 的 目的是为了锻炼学生对课本知识相 互 关系进行判断和选择的能力，知识综合运用的能力和杂问题分 析和解决的能力。这类实验一般处于若干基础性实验之后 ，其 电路图和详细的实验步骤在实验指导书上也有相应的说明，但 这类实验的实验步骤多，操作较复杂，实验结果的分析也较为 复杂。为了保证这类实验在规定的教学时间内顺利完成 ，要求 学生认真做好实验预习，通过电子仿真预先熟悉实验过程和步 骤，了解实验结果，允许学生小组配合 ( 2 人左右) ，预防操作 失误，保证快速获得正确的结果。电力电子技术课程中的单相 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和单相P WM逆变电路 实验都属于这类实验。 3 3 设计性 实验 设计性实验是学生利用已学知识对现有问题的解决方案进 行设计和探索的实验。这种实验题目的来源可以是老师根据实 际情况提出的，也可以使学生中生活中自己发现的，但一般都 不太难 ( 如手机移动电源的制作) ，学生通过 自己已学知识， 结合 自己实践经验 ，可以设计出一套合理的解决方案 ，且解决 方案可以经过实验检验正确与否。这些实验在实验指导书上既 找不到相应的电路图，也没有对应的操作步骤，一切工作都需 要学生 自己完成。完成这类实验一般要经过实际问题的分析和 抽象、设计相应的解决方案和电路、选择电力电子器件和测量 仪器、电子仿真、实物电路连接、实物电路实验和测试以及对 实验结果的分析、讨论 ，最后进行实验报告的撰写。从解决方 案的提出到实验结果的测试与分析是一个不断重复循环和改进 的过程，直到解决方案符合实际问题的需要为止。考虑到这类 实验的难度和实验时间的限制，一般只要求学生通过团队力量 完成一个这样的实验，其 目是要锻炼学生利用所学知识分析问 题、解决问题的能力，团队协作的能力、数据分析和处理等能 力。这类实验开展的过程中教师在参考资料的查找、设计方案 1 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 电力电子技术 全方位实践教学陈新河， 等 的制定、错误的分析等方面应给予适当的帮助和引导 ，对所需 电力电子器件 、仪器仪表和实验场所应给予全方位的支持。本 院通过2 3 名教师协作指导和全面开放实验室来帮助学生完成 这一类型的实验。 4 课程设计实践教学的综合 电力电子技术课程设计是学生主要利用电力电子技术知识 对现实问题的解决方案进行设计的一种综合性实践活动u 。通 过电力电子技术的课程设计可以训练电力电子技术知识的综合 运用能力 、提高学生查阅资料的能力 “ 、培养学生分析问题和 解决问题的能力，从而为学生走上社会成为一名合格的应用型 人才做好准备。 课程设计一般要经历课题选择、解决方案的确立、元器件 的选择、电子仿真验证、实物电路的连接和方案的实物测试等 环节。从经历环节看 ，课程设计与设计性实验有几分相似，但 课程设计的课题选择范围更大，解决难度更高，利用的知识涉 及到的课程更广，花费的时间和精力更多。为使电力电子技术 课程设计成为实践人才的重要培养环节 ，在以下方面进行了的 改革 ： 4 1 课题 选择综合化 当前的实际问题往往是一个综合的，复杂的问题 ，很难只 用一门课程知识单独解决，往往需要综合多门学科知识才能设 计出一个合理的解决方案。为此，电力电子技术课程设计不再 单独开展，而是与数字电路、模拟电路、电力拖动和单片机等 课程的课程设计同时在大学学习的第五学期的第 1 6 、1 7 周同 时开展，只要课题的解决方案中利用到电力电子技术的知识 ， 就认为是电力电子技术的课程设计，这样做的 目的是锻炼学生 综合利用各科知识解决复杂问题的能力，提高学生分析问题的 视野广度和解决问题能力的高度。 4 2 指导过程 深入化 、综合化 多门课程的课程设计同时开展，在课程设计的过程中，遇 到某门具体学科的知识难题，可以请教对应学科的教师，使课 程设计的指导过程细化 、深化 ；遇到多门学科的边缘交叉知识 的难题，可以同时请教相关课程的教师，甚至请相关教师共同 讨论，使课程设计过程综合化 、系统化。为使每个学生遇到问 题都有一个直接的咨询者 ，每个学生都分配一名记名指导老 师，遇到问题可以直接找记名指导教师，对课程专业知识和综 合知识可以按照前述方法要求指导。 4 3 仪器仪表和资料全面开放化 参与综合课程设计的所有学科对应的实验室，在课程设计 期间的上课时间都开放，保证课程设计所需要的各种仪器仪表 能得到完全充足的供给。同时设置全天开放的开放实验室，在 该实验室中提供常用电子元件、电烙铁、万用表、示波器 、信 号发生器、单片机等仪器仪表，以及能够查阅资料的联网计算 机 ，供学生方便使用。 4 4 结果评价的规 范化 课程设计结果的评价，不仅要对课程设计的书面材料进行 评价 ，而且要通过课程设计答辩对课程设计的深层信息进行挖 掘。对课程设计的书面材料进行评价时，不仅要看课程设计的 最终结果 ，还要看课程设计的方案思路、参数计算、电子仿真 1 8 8 和实物测试数据结果及其分析，做到对课程设计的具体、全面 而客观的评价 ；课程设计的答辩不断要问课程设计书面材料里 的东西，还要问课程设计中出现的问题 ，作者对 自己设计的解 决方案的评价和改进思路，以判断课程设计 自我完成 的真伪 性 、作者对相关课程知识掌握 的深广度和作者实践经验的 多少 。 5 电子创新实践实践教学的延伸和升华 电力电子技术的实践教学通过电子创新实践可以进一步延 伸和升华。学院通过组织电子兴趣小组 、参与各级各类电子设 计大赛和依托教师科研来进一步扩展电力电子技术实践教学范 围，延伸电力电子技术实践培养环节 ，使学生的电子电子技术 相关知识的综合运用能力和实践动手能力得到再次提升和升 华，成为优质的创新型实践人才。 学院建立和组织电子兴趣小组和电子创新协会，将一些程 度较好的电子爱好者聚集起来 ，通过每学期开展电子技能培 训，外请教授专家和一线工程师主办 电力电子技术相关的讲 座 ，每年组织和参与包含电子电子技术相关课题的校内电子设 计大赛 ，为学生的电力电子技术知识和实践能力的提高提供一 个更高、更大的平台。通过参与国家级或者省级各类电子设计 大赛 ，让学生走出去与其他大学的学生切磋 、交流，找到差 距、吸取经验 ，培养学生利用电力电子技术知识解决实际问题 的工程实战能力。通过提倡教师的科研项目允许大学生参与， 让学生在科研中干些力所能及的工作 ，以开阔学生视野，培养 学生科研实践能力。 6 结语 自2 0 0 8 年巢湖学院开始 电力电子技术课程的教学改革 起，共培养具有电力电子技术实践技能的学生 6 届 1 1 5 1 人。教 改期间投入了大量的人力物力，包括修订电气 自动化专业的培 养计划中的实践培养环节达到总体学时的4 2 ，引进 3 名电力 电子技术研究的专职教师充实教师队伍，将教学团队划分为偏 教学型和偏实践研究型两部分，完善电力电子技术实验室而新 近2 0台套大型实验台等仪器仪表，新建开放实验室1 个 ，组建 电子兴趣小组和电子创新协会2 个社团，主办电子实践技能培 训 5 届 ，参加 全 国或省级 的各类 电子 大赛 6 年 ，主办多场 电力 电子技术相关的学术报告会，主办电子创新实践成果展览交流 会4 届 。在这6 年里，教师感觉 比原来累了，学生感觉要学的 东西多了，但整体学院重实践，比技能的氛围更浓了。通过走 访合肥三洋 、安徽皖维和合肥通用电源等用人单位，发现学生 的实践技能越来越令用人单位满意，多名学生现在已经成为单 位设计的骨干力量。总体来说 ，电力电子技术课程的实践型教 学改革取得了令人满意的结果 ，使学生后续相关的学习、工作 中也表现出良好的实践能力。 社会在不断发展 ，电力 电子技术新技术 、新 方法 等新知识 在不断涌现，电力电子技术课程所面临解决的现实问题也在不 断中更新，所有电力电子技术课程的教学改革是一个长期的、 渐进的过程，需要更多的电力电子技术教育工作者投入更多的 精力，采取更多的方法措施，为培养适应社会需要的创新型应 用人才而努力。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 5 年3 期( 总第 1 8 5 期) ( 上接第 1 8 5 页) 其中，函数 s g n 0 为符号函数 ； 0 j 为神经元 i 的阈值。 离散 H o p fi e l d网络中的神经元与生物神经元 的差别较大 ， 因为生物神经元的输入、输出是连续的，并且生物神经元存在 延时，霍普菲尔特后来又提出了连续时间的神经网络，在这种 网络中，神经元的状态可取0 到 l 之间的任一实数值。 3 H o p f i e l d 模型的稳定性 在图3 所示的网络结构中，网络的输出要反复地作为输入 重新送到其输入层 ，这就使得网络的状态处在一种不断改变 中。因而，就提出了网络的稳定性问题。所谓一个网络是稳定 的，是指从某一时刻开始 ，网络的状态不再改变。 输 出层 输入层 图3 H o p fi e l d 网络结构 设用x f t 1 表示网络在时刻t 的状态，例如 ，当t = 0 时 ，网络 的状态就是 由输入模式确定的初始状态。如果从某一时刻t 开 始，存在一个有限的时间段t ，使得从这一时刻开始 ，神经 网络的状态不再发生变化 ，即 X f t + at 1 ： X f t 1 对 于at 0 则称该网络是稳定的。 如果将神经网络的稳定状态当作记忆 ，则神经网络由任一 初始状态向稳定状态的变化过程实质上就是寻找记忆的过程。 因此，稳定状态的存在是实现联想记忆的基础。在前面的感知 器和多层前向f B P 1 神经网络模型中，都注意学习的研究 ，而较 少关心稳定性问题， 因为网络不存在反馈。H o p fi e l d网络正好相 反，由于它是反馈型神经网络， 它主要关心系统的稳定性 ，或 者说将学习与稳定性有效地结合起来。 4 H o p fi e l d 网络学习算法 H o p fi e l d网络的学习过程是在系统向稳定性转化的过程 中 自然完成的。其学习算法如下： ( 1 ) 设置互连权值 w 。 手 ； ， ， 其中， 为 s 型样例的第i 个分量 ，它可以为 1 或0 ，样例 类别数为r n ，结点数为n 。 f 2 ) 对未知类别的样例初始化 y i f i ) = x i ， 1 i n 其中，y i( t ) 为节点i 在时刻t 的输出，当t = 0时，y 。( 0 ) 就是结 点的初始值；X i 为输入样本的第i 个分量。 ( 3 ) 迭代运算 ( H1 ) ： ， ( w u Y ( f ) ) ， 1 n 其中，函数f 为阈值型。重复这一步骤 ，直到新的迭代不 能再改变节点的输出即收敛为止。这时，各节点的输出与输入 样例达到最佳匹配。 ( 4 ) 转第( 2 ) 步继续。 5 小结 人工神经网络来源于对脑神经系统和生物神经元的结构和 特征的研究 。人工神经网络按结构分为单层 、两层和多层结 构， 每一种又分为带侧抑制和无侧抑制两种， 在两层和多层结 构中又分为带反馈和不带反馈两种。实际应用较多的是多层前 向神经网络f 又称 B P神经网络) 和Ho p fi e l d 网络。这已被成功应 用在很多学习任务中，比如手写识别和机器人控制。 参考文献 1王 磊 ， 潘 进 ， 焦 李 成 免 疫 规 划 【 J 计 算 机 学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 8 ) ： 8 0 6 8 l 2 2 2焦李成 ， 杜海峰 人工免疫系统进展与展望 J 电子学报 ， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 3 1 ) ： 1 5 4 0 1 5 4 8 3 】陈岳兵， 冯 超， 张 权， 唐朝京 树突状细胞算法原理及其应用 J 】 计 算机工程 ， 2 0 1 0 ( 0 8 ) 1 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m