張 寶，徐小軍，婁建國，戴文俊，梁繼俊

(淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽淮南 232000)

0 引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及電子、電力和控制三個(gè)領(lǐng)域的新型工科技術(shù)，涉及的器件更新快，廣泛應(yīng)用于通信、交通、國防、社會(huì)生活等方面.“電力電子技術(shù)”課程在當(dāng)前的教學(xué)過程主要圍繞 “教”的過程，采用PPT展示與板書的方式對(duì)波形分析、電路講解，內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)，而忽略了 “學(xué)”的重要性，學(xué)生被動(dòng)的掌握，難以理解，缺乏興趣.

近年來，“電力電子技術(shù)”課程結(jié)合Matlab/Simulink軟件進(jìn)行輔助教學(xué)已被廣泛運(yùn)用[1]，Simulink具有豐富的仿真資源、設(shè)計(jì)簡單、可視化與直觀性強(qiáng)的特點(diǎn).根據(jù)課程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，以實(shí)際工程為案例，提煉課程問題[2-7]，要求學(xué)生完成電路設(shè)計(jì)、仿真與分析，在教學(xué)過程中講解與分析，與學(xué)生深入交流探討，提高學(xué)生參與度，增加學(xué)生的積極性.本文結(jié)合“三相橋式全控整流電路”的教學(xué)案例闡述任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方式在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用.

1 提煉學(xué)習(xí)任務(wù)

教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和學(xué)生水平提煉教學(xué)重難點(diǎn)，結(jié)合工程案例提出問題并做簡單分析后給出仿真分析思路.學(xué)生根據(jù)老師的分析，結(jié)合課本知識(shí)，學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容.學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決具體工程問題，幫助學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)自己的價(jià)值取向以及思維方式，增加學(xué)生的求知欲，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性.

以“三相橋式全控整流電路”的教學(xué)內(nèi)容為例.在教學(xué)過程中，三相橋式全控整流電路的晶閘管通斷順序以及輸出電壓波形和電流流向問題是學(xué)生較難理解的內(nèi)容.因此，讓學(xué)生通過仿真觀察便于理解，引用工程實(shí)例，要求學(xué)生完成預(yù)習(xí).

圖1 電動(dòng)挖掘機(jī)三相整流電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of three-phase rectifier circuit of electric excavator

工程中，常需要把三相交流電整流成直流電，驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載.在礦用電動(dòng)挖掘機(jī)的發(fā)電機(jī)組中主要采用三相橋式全控整流方式把三相交流電轉(zhuǎn)成直流電提供電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[8-9]，本文采用12個(gè)晶閘管組成的整流電路改變輸出電流的方向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)挖掘的直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，其中6個(gè)晶閘管實(shí)現(xiàn)電流正向輸出，另外6個(gè)晶閘管實(shí)現(xiàn)電流反向輸出.在講述礦用電動(dòng)挖掘機(jī)的基本工作過程后，給學(xué)生提出學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生利用Matlab/Simulink軟件搭建出礦用電動(dòng)挖掘機(jī)的發(fā)電機(jī)整流電路仿真模型，試對(duì)仿真做簡要分析.給出發(fā)電機(jī)電路圖如圖1所示，提示學(xué)生根據(jù)單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)分析，觀察輸出電壓電流波形.

2 三相橋式全控整流原理講解

圖2 三相橋式全控整流電路的原理圖Fig.2 Schematic diagram of the three- phase bridge fully controlled rectifier circuit

整流電路是電力電子課程的教學(xué)重點(diǎn)，其中三相橋式全控整流電路又是整流電路的難點(diǎn).在教學(xué)安排上，老師先給出三相橋式全控整流電路的原理圖，如圖2所示，把晶閘管VT1、VT3、VT5的陰極接在一起構(gòu)成共陰極組；把晶閘管VT4、VT6、VT2的陽極接在一起構(gòu)成共陽極組.再分別討論帶電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的工作情況，由于篇幅限制在這里不給出輸出電壓電流波形，可以參考機(jī)械工業(yè)出版社出版由王兆安等編寫的《電力電子技術(shù)》教程[10].觸發(fā)角分別為α=30o和α=60o時(shí)電阻負(fù)載和阻感負(fù)載的輸出電壓波形完全相同；α=90o時(shí)輸出電壓波形發(fā)生了變化，向?qū)W生提問發(fā)生變化的原因，以及帶電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的電流波形都不相同的原因，再給出解釋原因是由于電感具有儲(chǔ)能以及阻礙電流變化的特性，當(dāng)電壓發(fā)生過零變化時(shí)，電流不能突變并沒有過零，同時(shí)電感可以向晶閘管提供維持導(dǎo)通的能量，所以阻感負(fù)載在α=90o時(shí)輸出波形有負(fù)電壓，電感先儲(chǔ)能再穩(wěn)定不變，輸出電流恒定.由于電阻負(fù)載不具備儲(chǔ)能作用所以在觸發(fā)角α=90o時(shí)沒有負(fù)電壓，輸出電流變化趨勢(shì)與電壓變化相同.

3 整流電路仿真分析

圖3 Simulink仿真環(huán)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環(huán)境下的電力系統(tǒng)仿真模型庫Sim-Power System可以用于電力電子電路建模仿真，操作簡單，可以把抽象的公式轉(zhuǎn)化成圖形顯示，利用萬用表或示波器觀察各點(diǎn)電壓電流信號(hào)，有利于學(xué)生仿真練習(xí).運(yùn)用Simulink仿真環(huán)境建模分析流程如圖3所示.

由于學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，完成仿真模型的搭建并做簡要分析，對(duì)三相橋式全控整流仿真有了初步了解.在講解上述三相橋式全控整流電路原理時(shí)，學(xué)生理解相對(duì)容易，提高了聽課注意力，有利于知識(shí)的講解.

課堂上老師借助Matlab/Simulink演示搭建三相橋式全控整流電路仿真如圖4所示，設(shè)置相應(yīng)參數(shù).通過改變晶閘管的觸發(fā)角，一個(gè)工作周期內(nèi)的電壓、電流波形變化顯著.取α=30o，α=60o，α=90o時(shí)的整流輸出電壓波形如圖5、圖6所示，可以看出仿真得到的波形與理論分析波形完全相同，說明理論分析的正確性.學(xué)生可以在同時(shí)利用仿真軟件演示驗(yàn)證過程中，驗(yàn)證自己的學(xué)習(xí)成果的正確性.以直觀生動(dòng)的觀察改變觸發(fā)角引起的輸出波形的變化，可以很好的吸引學(xué)生的注意力，通過演示刺激提高學(xué)習(xí)興趣.

圖4 三相橋式全控整流電路仿真模型Fig.4 Simulation model of three-phase bridge-type full圖5 帶電阻負(fù)載時(shí)輸出的電壓電流波形Fig.5 The output voltageand current waveforms witha resistive loady controlledrectifier circuit圖6 帶阻感負(fù)載時(shí)輸出的電壓電流波形Fig.6 The output voltageand current waveformswith resistive load

4 仿真分析

通過對(duì)三相橋式全控整流電路內(nèi)容的講解和仿真分析，學(xué)生可以很好地了解其工作原理.老師再利用Simulink軟件演示礦用電動(dòng)挖掘機(jī)整流電路仿真模型的搭建，完成對(duì)預(yù)留任務(wù)的解答.電路主要采用12個(gè)晶閘管構(gòu)成兩組三相橋式全控整流電路實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流正反向，仿真模型如圖7所示，其中6個(gè)晶閘管組合構(gòu)成電流正向輸出，另外6個(gè)晶閘管組合實(shí)現(xiàn)電流反向輸出，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)挖掘的直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn).設(shè)置晶閘管觸發(fā)角為30o，得到仿真波形如圖8所示.從圖8中可以看出利用三相橋式全控整流可以得到負(fù)載電流穩(wěn)定輸出，達(dá)到挖掘機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定工作，通過改變正反向觸發(fā)得到正反向電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn).學(xué)生認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，增加對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)同感.

圖7 電動(dòng)挖掘機(jī)整流電路仿真模型Fig.7 Simulation model of rectifiercircuit of electric excavator圖8 礦用電動(dòng)挖掘機(jī)整流電路輸出波形Fig.8 The output waveform of the rectifiercircuit of an electric mining excavator

5 教學(xué)改革效果

5.1 學(xué)生更易掌握教學(xué)內(nèi)容

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式，教師圍繞如何完成電力電子技術(shù)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生圍繞如何完成任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí).教師教學(xué)思路清晰，學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確，使學(xué)生更容易掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容.通過改革，試點(diǎn)班級(jí)對(duì)比其他班級(jí)的學(xué)生期末成績平均分高7.52分.

5.2 學(xué)生的主動(dòng)參與意識(shí)得到了提升

學(xué)生的聽課、學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)參與意識(shí)增強(qiáng)，將任務(wù)與教學(xué)內(nèi)容融合在一起，圍繞著“任務(wù)”主動(dòng)參與交流、討論.培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決實(shí)際問題的能力，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性.有利于學(xué)生舉一反三、不斷創(chuàng)新.在后續(xù)課程中如電力電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)、電力工程仿真，教師反映試點(diǎn)班級(jí)學(xué)生動(dòng)手能力、積極性、操作熟練性等明顯高于其他班級(jí)學(xué)生.

5.3 學(xué)生的技術(shù)能力得到了提高

學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力得到了充分的發(fā)展，職業(yè)能力得到了提高.2019年經(jīng)教學(xué)改革的兩個(gè)教學(xué)班72人，通過培訓(xùn)后參加“西門子杯”智能制造挑戰(zhàn)賽、飛思卡爾智能車競(jìng)賽與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等比賽，獲得全國一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、全國二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省一等獎(jiǎng)8項(xiàng)、省二等獎(jiǎng)7項(xiàng)與省三等獎(jiǎng)3項(xiàng)的成績.

6 結(jié)語

結(jié)合工程運(yùn)用提煉課程問題，布置學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的方式，即讓大學(xué)生忙起來，符合教育部發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》的新舉措；也培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，使學(xué)生具備專業(yè)技能符合市場(chǎng)需求，提高學(xué)生的自我認(rèn)知、提升處理工程問題的思維方式.

結(jié)合Simulink仿真的可視化、直觀性的特點(diǎn)，使學(xué)生提高了自學(xué)能力，增加了對(duì)電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣.在教學(xué)過程中，老師經(jīng)常對(duì)教學(xué)成果進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，反饋調(diào)整教學(xué)方法，修正、補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課堂時(shí)間分配，整合教學(xué)內(nèi)容，組織新的教學(xué)安排，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo).