基于案例的电力电子技术课程教学研究与探索

王要强，海德伦，刘晓兰，贾建华

（郑州大学电气工程学院 河南 郑州 450001）

“电力电子技术”是电气工程及其自动化、自动化等电气信息类专业的必修课程。该课程基于电力学、电子学和控制理论三个领域交叉而形成，着重解决电力的变换与控制问题，是一门典型的交叉特色明显、应用导向性强的专业基础课程，具有电路多、波形杂、重视实际工程应用等特点。

电力电子技术广泛应用于电力系统发、输、配、用电等环节，以可再生能源发电、灵活交流输电、高压直流输电、交直流柔性配电为电表的先进电力电子变换技术及装备成了构建新一代电力系统及实现电能柔性传输与调节的重要基础和手段。然而，“电力电子技术”课程内容多，课时少，并且面向工程应用的电力电子技术往往需要多个知识板块的内容互相配合使用，对知识点灵活运用的要求较高，仅仅掌握一些分散的知识点或理论计算方法很难适应实际工程应用的需要。因此，传统的灌输式教学与当前电力电子技术的快速发展及工程应用的多样化需求现状是不相适应的，不利于学生对所学知识的融会贯通及与工程应用密切衔接。如果不能恰当处理大学生理论课学习与实际工程应用之间的问题，会造成学生培养质量降低，长此以往，就不利于高等教育的良性发展。

为此，本文以“电力电子技术”课程中的DC/AC逆变技术为例，充分利用计算机仿真等技术手段，梳理课程内容理论知识，设计单/三相电压型逆变教学案例，并通过案例认知、强化实践、开放思考、知识回归等教学环节，引导学生对相关物理现象、技术手段进行主动思考，锻炼学生独立解决问题的能力。实践与应用表明，基于案例的课程教学方法有利于调动学生的学习主动性，促进学生灵活运用所学知识，使之在掌握有关理论内容的同时启发创新性思维。

1 案例设计

逆变技术在“电力电子技术”课程中具有重要的地位，主要描述DC/AC 电力电子变换电路及其工作原理、关键波形、电量关系，以及调制与控制方法等内容。例如，在王兆安、刘进军编著的“电力电子技术”（机械工业出版社，第5 版）中，分别在第3 章整流电路、第4 章逆变电路和第7章PWM 控制技术共三个章节涉及逆变技术，其重要性可见一斑。另外，在电力电子技术实际工程应用中，逆变也具有举足轻重的作用，例如新能源发电中的并网/离网逆变、高压直流输电中的换流站功率变换，以及不间断交流电源、交流电机驱动器、有源电力滤波器、静止无功发生器等应用场合，逆变电路及其控制是其中的技术关键。然而，在课程讲授过程中，若仅通过课堂的理论介绍、波形与计算分析，就很难让学生直观感受到逆变电路的功率变换过程，更难深刻领会到逆变技术的要义，也不利于学生将所学知识应用于实际工程中。

因此，教师十分有必要围绕逆变技术设计针对性的教学案例。通过案例，让学生在了解逆变技术理论知识的前提下，直观地感受到逆变电路的工作过程、各波形的表现形式、电量的变化趋势等；在物理现象认知的引导下，通过计算机仿真手段，引导学生挖掘逆变技术要领，把握逆变技术功率电路和开关调制的规律与方法，强化学生对各部分的理解；基于观察到的现象与领悟到的技术本质，引导学生开放思考，总结逆变技术在各应用领域的共性技术及需考虑的特殊问题，以应用为引导，激发学生的学习兴趣；最后，基于现象、原理与应用，回归到课程的关键知识点，让学生能够透过现象看本质，基于应用引导，促使学生掌握关键知识点。教师通过设计的案例，可有效加深学生对逆变技术的理解，比单纯灌输式讲述逆变技术的理论知识、分析电量波形与计算方法，对学生而言更易于接受。

1.1 知识介绍

逆变的基本概念：直流电变为交流电。

逆变的类型及特点：有源逆变（与整流相对应）与无源逆变；电压型逆变与电流型逆变。

逆变的工作原理：针对电压型单/三相逆变电路，逆变的电路拓扑、工作过程、反馈二极管的作用、交流侧电压与电流的波形、关键电量间的关系、交流电压的傅里叶分解及谐波含量与次数。

逆变的主要应用：交流不间断逆变电源、交流电机驱动、新能源并网/离网发电、有源电力滤波、静止无功发生、高频感应加热等。

1.2 案例介绍

以单/三相电压型逆变电路为例，如图1 所示。直流侧接直流电压源，功率开关采用IGBT，并在每个开关上反并联续流二极管。搭建逆变电路的开环仿真模型，如图2 所示。根据负载形式不同，逆变电路交流侧可接纯阻、阻感等类型的负载。搭建功率开关的驱动信号产生模块，通过仿真环境中的Scope 模块观察交流输出电压、电流波形。通过Powergui 模块对逆变电路交流输出电压、电流进行FFT 分析。图3—图5 为得到的仿真结果。

图1 单/三相电压型逆变电路

图2 单/三相电压型逆变仿真模型

图3 单相电压型半桥逆变仿真波形

图4 单相电压型全桥逆变仿真波形

图5 三相电压型半桥逆变仿真波形

对于理工科院系的教学工作来说，除了讲解变换器的原理外，还应结合实际，回归到应用中去。因此，在低频开关信号下的逆变电路原理分析基础上，搭建基于脉宽调制技术的高频逆变电路模型，引导学生了解脉宽调制技术，高频化的作用与优势，仿真结果如图6 所示。此外，除了开环形式的逆变电路分析外，搭建逆变电路的闭环控制模型，并结合电机、电网等负载形式，引导学生面向应用，了解逆变技术在实际工程中的应用。

图6 三相电压型半桥高频逆变仿真波形

2 教学应用

在实际教学过程中，教师根据设计的单/三相电压型逆变技术教学案例，结合梳理的电力电子技术课程DC/AC逆变理论知识，通过案例认知、强化实践、开放思考、知识回归四个步骤展开。

2.1 案例认知

首先梳理电力电子技术课程中逆变的基本概念、类型与特点，介绍有关单相电压型半桥逆变、单相电压型全桥逆变、三相电压型半桥逆变等三种逆变电路有关的电路拓扑、工作原理、关键波形与电量关系等基本理论与主要应用。运行低频开关信号下的逆变电路仿真模型，并在运行过程中观察逆变器各电量的波形与量值关系。结合课程知识的理论介绍，引导学生对DC/AC 逆变技术建立感性上的认知，并分析逆变电路的关键点与仿真要领。

2.2 强化实践

教师在引导学生理解三种逆变电路的关键点与仿真要领的基础上，根据变换器工作原理对仿真模型划分主要功能区块，并针对关键区块进行必要性讲解，启发学生兴趣。然后，将学生划分为若干小组，在仿真环境下动手实践，搭建逆变电路各功能区块仿真模型，并测试各功能区块的工作效果。确保各功能区块正确无误后，搭建逆变电路的完整仿真模型，验证变换器的工作原理、关键波形与电量关系等理论知识。最后，进入小组讨论环节，小组间分享仿真心得，老师对学生提出的共性问题进行解答，在仿真实践过程中强化学生对课程中关键内容的理解。

2.3 开放思考

在仿真验证的基础上，引导学生进行逆变技术外延内容的开放性思考。例如，①对于三种电压型逆变电路来讲，根据对偶关系，是否存在电流型的逆变电路？引导学生思考电压型、电流型逆变电路的主要区别、联系及各自的工作特性，为接下来讲解电流型逆变电路部分埋下伏笔；②如何实现大功率的逆变技术？如何改善逆变电路输出电压的波形质量？引导学生思考，为接下来讲解逆变电路的多重化与多电平逆变电路埋下伏笔；③结合应用，对于电机、电网等负载形式，在掌握逆变电路基本原理的基础上，还有哪些共性技术与特殊问题是需要考虑的？运行逆变电路高频仿真模型，引导学生思考驱动信号高频化及闭环控制的必要性与作用，为接下来的脉宽调制与闭环控制埋下伏笔。

2.4 知识回归

通过前述案例认知、强化实践与开放思考三个环节，学生已基本能够掌握三种电压型逆变电路的核心要点，并能够主动思考完成一个实际的逆变器设备所需的内容及努力的方向。在此基础上，为帮助学生准确把握课程内容的重点，结合案例，教师再次总结其中的关键点，从案例回归到课程理论知识，加深学生对课程内容的理解。

综上，在前述案例认知、强化实践、开放思考与知识回归四个环节中，学生组成小组参与到教学过程中。教学期间，注重学生的主动思考、师生之间的互动以及小组之间的讨论分享，锻炼学生的团队协作能力、主动思考问题的习惯以及独立解决问题的能力，启发学生的创新性思维。

3 结语

本文围绕电力电子技术课程教学，以电压型逆变技术为例，建立了教学案例，并通过案例认知、强化实践、开放思考、知识回归四个步骤阐述了基于案例的教学方法。这种教学方法以课程理论知识为基础，以实际工程应用为牵引，并充分利用计算机仿真等技术手段，有助于学生扎实掌握课程授课内容，加深学生对相关知识的理解，促进学生理论联系实际。实践表明，本教学方法有助于充分调动学生的学习积极性，可以有效锻炼学生的团队协作能力、主动思考问题的习惯以及独立解决问题的能力，有利于启发学生的创新性思维。