基于任务驱动式教学的“电力电子技术”课程改革与实践——以“三相桥式全控整流电路”为例

张 宝，徐小军，娄建国，戴文俊，梁继俊

(淮南师范学院机械与电气工程学院，安徽淮南 232000)

0 引言

“电力电子技术”是电气工程专业的一门专业基础课，涉及电子、电力和控制三个领域的新型工科技术，涉及的器件更新快，广泛应用于通信、交通、国防、社会生活等方面.“电力电子技术”课程在当前的教学过程主要围绕 “教”的过程，采用PPT展示与板书的方式对波形分析、电路讲解，内容抽象，理论性强，而忽略了 “学”的重要性，学生被动的掌握，难以理解，缺乏兴趣.

近年来，“电力电子技术”课程结合Matlab/Simulink软件进行辅助教学已被广泛运用[1]，Simulink具有丰富的仿真资源、设计简单、可视化与直观性强的特点.根据课程应用性强的特点，以实际工程为案例，提炼课程问题[2-7]，要求学生完成电路设计、仿真与分析，在教学过程中讲解与分析，与学生深入交流探讨，提高学生参与度，增加学生的积极性.本文结合“三相桥式全控整流电路”的教学案例阐述任务驱动式的教学方式在“电力电子技术”课程教学中的应用.

1 提炼学习任务

教师根据教学计划和学生水平提炼教学重难点，结合工程案例提出问题并做简单分析后给出仿真分析思路.学生根据老师的分析，结合课本知识，学习相关内容.学生利用所学知识解决具体工程问题，帮助学生更好的认识自己的价值取向以及思维方式，增加学生的求知欲，发挥学生的主动性.

以“三相桥式全控整流电路”的教学内容为例.在教学过程中，三相桥式全控整流电路的晶闸管通断顺序以及输出电压波形和电流流向问题是学生较难理解的内容.因此，让学生通过仿真观察便于理解，引用工程实例，要求学生完成预习.

图1 电动挖掘机三相整流电路原理图Fig.1 Schematic diagram of three-phase rectifier circuit of electric excavator

工程中，常需要把三相交流电整流成直流电，驱动直流负载.在矿用电动挖掘机的发电机组中主要采用三相桥式全控整流方式把三相交流电转成直流电提供电动机运转[8-9]，本文采用12个晶闸管组成的整流电路改变输出电流的方向，实现电动挖掘的直流电动机正反转，其中6个晶闸管实现电流正向输出，另外6个晶闸管实现电流反向输出.在讲述矿用电动挖掘机的基本工作过程后，给学生提出学习任务，要求学生利用Matlab/Simulink软件搭建出矿用电动挖掘机的发电机整流电路仿真模型，试对仿真做简要分析.给出发电机电路图如图1所示，提示学生根据单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路设计分析，观察输出电压电流波形.

2 三相桥式全控整流原理讲解

图2 三相桥式全控整流电路的原理图Fig.2 Schematic diagram of the three- phase bridge fully controlled rectifier circuit

整流电路是电力电子课程的教学重点，其中三相桥式全控整流电路又是整流电路的难点.在教学安排上，老师先给出三相桥式全控整流电路的原理图，如图2所示，把晶闸管VT1、VT3、VT5的阴极接在一起构成共阴极组；把晶闸管VT4、VT6、VT2的阳极接在一起构成共阳极组.再分别讨论带电阻负载和阻感负载时的工作情况，由于篇幅限制在这里不给出输出电压电流波形，可以参考机械工业出版社出版由王兆安等编写的《电力电子技术》教程[10].触发角分别为α=30o和α=60o时电阻负载和阻感负载的输出电压波形完全相同；α=90o时输出电压波形发生了变化，向学生提问发生变化的原因，以及带电阻负载和阻感负载时的电流波形都不相同的原因，再给出解释原因是由于电感具有储能以及阻碍电流变化的特性，当电压发生过零变化时，电流不能突变并没有过零，同时电感可以向晶闸管提供维持导通的能量，所以阻感负载在α=90o时输出波形有负电压，电感先储能再稳定不变，输出电流恒定.由于电阻负载不具备储能作用所以在触发角α=90o时没有负电压，输出电流变化趋势与电压变化相同.

3 整流电路仿真分析

图3 Simulink仿真环境下建模分析基本流程Fig.3 The basic flow of modeling and analysis in Simulink simulation environment

Matlab/Simulink环境下的电力系统仿真模型库Sim-Power System可以用于电力电子电路建模仿真，操作简单，可以把抽象的公式转化成图形显示，利用万用表或示波器观察各点电压电流信号，有利于学生仿真练习.运用Simulink仿真环境建模分析流程如图3所示.

由于学生根据任务要求，完成仿真模型的搭建并做简要分析，对三相桥式全控整流仿真有了初步了解.在讲解上述三相桥式全控整流电路原理时，学生理解相对容易，提高了听课注意力，有利于知识的讲解.

课堂上老师借助Matlab/Simulink演示搭建三相桥式全控整流电路仿真如图4所示，设置相应参数.通过改变晶闸管的触发角，一个工作周期内的电压、电流波形变化显著.取α=30o，α=60o，α=90o时的整流输出电压波形如图5、图6所示，可以看出仿真得到的波形与理论分析波形完全相同，说明理论分析的正确性.学生可以在同时利用仿真软件演示验证过程中，验证自己的学习成果的正确性.以直观生动的观察改变触发角引起的输出波形的变化，可以很好的吸引学生的注意力，通过演示刺激提高学习兴趣.

图4 三相桥式全控整流电路仿真模型Fig.4 Simulation model of three-phase bridge-type full图5 带电阻负载时输出的电压电流波形Fig.5 The output voltageand current waveforms witha resistive loady controlledrectifier circuit图6 带阻感负载时输出的电压电流波形Fig.6 The output voltageand current waveformswith resistive load

4 仿真分析

通过对三相桥式全控整流电路内容的讲解和仿真分析，学生可以很好地了解其工作原理.老师再利用Simulink软件演示矿用电动挖掘机整流电路仿真模型的搭建，完成对预留任务的解答.电路主要采用12个晶闸管构成两组三相桥式全控整流电路实现负载电流正反向，仿真模型如图7所示，其中6个晶闸管组合构成电流正向输出，另外6个晶闸管组合实现电流反向输出，实现电动挖掘的直流电动机正反转.设置晶闸管触发角为30o，得到仿真波形如图8所示.从图8中可以看出利用三相桥式全控整流可以得到负载电流稳定输出，达到挖掘机的持续稳定工作，通过改变正反向触发得到正反向电流实现电机正反转.学生认识到所学知识在实际工程中的运用，增加对专业知识的认同感.

图7 电动挖掘机整流电路仿真模型Fig.7 Simulation model of rectifiercircuit of electric excavator图8 矿用电动挖掘机整流电路输出波形Fig.8 The output waveform of the rectifiercircuit of an electric mining excavator

5 教学改革效果

5.1 学生更易掌握教学内容

采用任务驱动式教学模式，教师围绕如何完成电力电子技术教学任务进行设计教学内容，学生围绕如何完成任务进行学习.教师教学思路清晰，学生学习目的明确，使学生更容易掌握学习内容.通过改革，试点班级对比其他班级的学生期末成绩平均分高7.52分.

5.2 学生的主动参与意识得到了提升

学生的听课、学习的积极性和主动参与意识增强，将任务与教学内容融合在一起，围绕着“任务”主动参与交流、讨论.培养了学生发现问题、解决实际问题的能力，充分激发学生的学习兴趣，发挥学生学习的主观能动性.有利于学生举一反三、不断创新.在后续课程中如电力电子技术实训、电力工程仿真，教师反映试点班级学生动手能力、积极性、操作熟练性等明显高于其他班级学生.

5.3 学生的技术能力得到了提高

学生的创新能力和综合实践能力得到了充分的发展，职业能力得到了提高.2019年经教学改革的两个教学班72人，通过培训后参加“西门子杯”智能制造挑战赛、飞思卡尔智能车竞赛与大学生电子设计大赛等比赛，获得全国一等奖1项、全国二等奖2项、省特等奖1项、省一等奖8项、省二等奖7项与省三等奖3项的成绩.

6 结语

结合工程运用提炼课程问题，布置学习任务驱动教学的方式，即让大学生忙起来，符合教育部发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》的新举措；也培养了学生的实践动手能力，使学生具备专业技能符合市场需求，提高学生的自我认知、提升处理工程问题的思维方式.

结合Simulink仿真的可视化、直观性的特点，使学生提高了自学能力，增加了对电力电子技术课程的学习兴趣.在教学过程中，老师经常对教学成果进行总结评价，反馈调整教学方法，修正、补充教学内容，优化课堂时间分配，整合教学内容，组织新的教学安排，最终达到提高教学质量的目标.