电力电子技术的教学模式思考

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一、电力电子技术的发展及应用

电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，该学科被国际电工委员会命名为电力电子学（PowerElectronics）或称为电力电子技术。它是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子电路和控制技术三个部分，它的研究任务是电力电子器件的应用、电力电子电路的电能变换原理、控制技术以及电力电子装置的开发与应用。

1.电力电子器件的发展

电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。1947年，美国的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。以此为基础，美国在1956年研制出了最先用于电力领域的半导体器件——硅整流二极管（SemiconductorRectifier，SR），又称为电力二极管（PowerDiodes，PD）。20世纪80年代中后期，为了进一步减少低压高频开关电源中电力半导体器件的管压降和损耗，同步整流管也应运而生。1957年，美国通用电气公司（GE）发明了普通反向阻断型可控硅整流管（SilliconControlledRectifier，SCR），以后称为晶闸管（Thyristor）。它标志着电力电子技术的诞生。经过工艺完善和应用开发，到了20世纪70年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。以晶闸管为主要器件的电力电子技术很快在电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（感应加热）、电力工业（直流输电、无功补偿）中获得了广泛的应用。由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因而大大地提高了电能的利用率，同时也使工业噪声得到了一定程度的控制。电力半导体器件经过了五十多年的发展，器件制造水平不断提高，已经历了以硅整流管（SR）、晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管（GTR）、功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的分立器件时期，现在已发展到由驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的PIC和IPM时期。电力半导体器件实现了器件与电路的集成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口，它是机电一体化的基础单元。按照其控制特性来说，电力半导体器件可分为以硅整流管（SR）为代表的不可控器件，以晶闸管（SCR）为代表的只能通过门极电流控制其开通而不能控制其关断的半控型器件和以可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的既能控制其开通又能控制其关断的全控型器件三大类。在器件的控制模式上，电力半导体器件已经从电流型控制模式发展到电压型控制模式，这不仅大大降低了门极的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频→中频→高频不断提高。在电力电子技术走向智能化、高频化、大功率化、模块化、绿色化的进程中，作为其基础的新型电力半导体器件不断涌现，为电力电子技术的发展作出新的贡献。电力电子器件已经与计算机控制技术相结合，在各行各业发挥了重要作用，给电力电子技术注入了强大的生命力。

2.电力电子技术应用领域

电力电子学与装置的市场需求与日俱增，其主要应用领域包括以下几个方面。

（1）一般电源。包括不停电电源、电解电源、电镀电源、开关电源、机车辅助电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源。

（2）专用电源。包括电化学电源、微弧氧化电源、蓄电池充电放电、电子模拟负载、电解水电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、电力测功机。

（3）电力牵引及传动控制。包括电力机车、电传动内燃机车、矿井提升机、轧钢机传动。

（4）电力系统应用。高压直流输电（HVDC）。

（5）有源滤波器。传统的无源滤波器由于其滤波性能较差，难于应付日益严重的电网“公害”。人们从电力电子学本身找到了解决的途径，这就是有源滤波器。

（6）新能源利用。包括光电池、风力发电等，电力电子装置还将用于太阳能发电及风力发电装置与电力系统的连接。（7）节能。采用电力电子装置实现电机调速可以达到很高的效率。

（8）电气工艺应用。包括在焊接设备及感应加热中的应用。

（9）家用电器。种类繁多的家用电器，小至一台调光灯具、高频荧光灯具，大至通风取暖设备、微波炉及众多的电动机驱动设备，都离不开电力电子交流电路。

（10）静止无功补偿器（STATCOM）（串联）和典型功率应用100MW。用于电网的电压控制和无功补偿。

（11）柔性输电技术。柔性交流输电系统（flexibleACtransmissionsystem，FACTS）是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。

（12）电动汽车和混合动力电动汽车（EV/HEV）。

二、教学内容应注重实际应用、传授先进教学内容

“电力电子技术”是一门专业基础性较强且与生产实际紧密结合的课程，自诞生以来已形成了丰富的器件系列、变换技术和控制技术，特别是电力电子装置在工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统中的应用更加广泛。在教学中应合理选择内容，特别是先进的教学内容，使学生既要打好理论基础，又要注重实际应用。知识是相互联系、相互渗透的。在学习“电力电子技术”之前，应首先学好“电路”和“电子技术基础”两门课程。电力半导体器件是现代电力电子技术的基础核心。电力电子器件的基本特点之一是能以信号输入控制很大的输出，这就使电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。讲解器件原理及特性，目的是为了应用器件组成电路，故应掌握器件外部特性、极限参数和使用注意事项，三方面的内容应以电路为主。

三、采用现代化的教学方法和教学手段

随着教学手段和方法的不断更新，学生应注重综合能力的培养。因此，教师在课堂的教学中，不仅要传授理论知识，而且要训练学生的动手能力，培养他们分析问题和解决问题的能力。这样，学生毕业后可通过实际锻炼和自我学习来提高实际工作能力。由于电力电子技术涵盖的知识内容多、难度大、实用性强，教学的内容应着重基本原理和分析方法的讲授，加强知识的系统性，培养学生融会贯通知识的能力。讲授时采用启发式教学方法，将有助于培养学生的思维能力，有助于学生理解和掌握教学内容。在课堂上采用讨论式教学方法让学生自己讲，自己评，效果十分理想。由于学生在入学时分数的差异和接收问题的能力不同，教师在教学中应注重因材施教，分层教学。实现教学手段现代化可以加大授课的信息量，节约课时，是增强教学效果的重要措施。“电力电子技术”课程教学的最大特点就是借助于波形，分析电力电子器件和电路的工作状态，以确定电路中能量的变换和传递。在“黑板+粉笔”传统的授课方式中，教师画电路图和波形图时，时间用的比较多，而运用多媒体教学可以形象地表达一些语言难以描述清楚的问题。对学生理解电路的工作原理有事半功倍的效果，因此，将多媒体教学应用到该课程的教学中，通过多媒体技术将实际应用中的电路和电力电子装置做成影音资料带到课堂上，可以提高学生的感性认识，激发学生学习的兴趣。随着计算机网络技术的发展，还可以利用网络教室开展多媒体教学，是一种更有发展前景的现代化教学手段。

四、加强实验、实践环节，注重学生综合能力培养

电力电子技术具有很强的实践性，而实验是培养理论联系实际、动手能力、严谨的科学态度和科学方法的重要手段，因此，应精选最基本的也有较高实用价值的实验项目。在实验教学中，教师应选择教材上具有代表性的实验来组织教学，例如，选择在计算机、通信设备及家用电器等广泛应用的半桥型开关稳压电源作为实验项目，介绍典型的开关电源电路结构、元器件和工作原理，使学生对开关电源有了深刻的理解，增强学生的学习兴趣。由于电力电子电路具有强、弱电结合的特点，要特别强调操作的规则、保证实验安全。在实验教学中，教师还可以采用虚实结合的教学方式，即部分实验采用计算机仿真软件来实现，特点是具有精度高、重复性好的优点，是进行科学研究和教学的重要手段之一。将仿真软件引入教学中，可以让学生自己去动手设计和开发实用电路模型，并对电路运行效果进行模拟实验。使学生充分发挥想象力，极大地提高了学生的思维能力和动手能力。

五、结束语

随着社会科学技术的发展，电力电子技术也在不断地更新，教师应在教学中应跟上时代的步伐，不断地更新和充实教学内容，改进教学方法和手段。在教书的同时也要育人。教书育人是教师的神圣职责，在教学思想上确立学生的主体地位，发挥教师的主导作用，抓好教学的各个环节，重视学生的全面发展，结合教学工作言传身教，以教师严谨的教风带动学生良好的学风。注重教学方法的研究，教学中既注重科学的严密性，又要注重表达的生动性。激发学生积极思维，融会贯通所学知识，培养学生科学的思维方法和能力。在完成教学工作的同时，刻苦钻研业务，努力提升自己的业务水平和专业研究能力，这样才能以自己的广博知识去引导学生，更好地提高教学质量。