啟發(fā)式教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

李莉　任國華

摘要：本文采用啟發(fā)式教學(xué)法講解降壓直流斬波電路，將知識點(diǎn)從學(xué)生已知的電路一步步通過提問問題，導(dǎo)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理，最后通過實(shí)驗(yàn)深化知識點(diǎn)——通過直流斬波電路可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速。整個(gè)過程大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：啟發(fā)式教學(xué);降壓斬波電路;實(shí)驗(yàn);直流電動(dòng)機(jī);無級調(diào)速

一、“電力電子技術(shù)”課程介紹

“電力電子技術(shù)”課程是我國高等職業(yè)院校電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課程，是一門利用電力半導(dǎo)體開關(guān)器件對電能進(jìn)行高效率變換和控制的技術(shù)。主要講述了各類電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件的名稱、符號和使用條件，以及各類電力電子變換電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用場合等，本課程為后續(xù)課程“變頻技術(shù)”和“電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)”打下良好的基礎(chǔ)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，是一科涉及電力技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的交叉學(xué)科，是一門新興的技術(shù)。

二、學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

高職院校的學(xué)生大多喜歡動(dòng)手操作比較多的實(shí)訓(xùn)課程，因?yàn)閷?shí)訓(xùn)結(jié)果能很快的顯現(xiàn)出來，從而帶來學(xué)習(xí)的成就感。而對比較復(fù)雜的理論知識，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺比較吃力。

“電力電子技術(shù)”課程中的電力電子變換電路，涉及到電路結(jié)構(gòu)分析和電路輸入，輸出波形的變換，這對高職的學(xué)生來說學(xué)習(xí)難度頗大，普遍反映電路分析和波形變換太抽象，影響學(xué)習(xí)的積極性。

對此，需要對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，本文以降壓直流斬波電路為例，采用啟發(fā)式教學(xué)方法講解，并在講解完成后及時(shí)讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證結(jié)論，取得了比較好的教學(xué)效果。

三、啟發(fā)式教學(xué)法講解降壓直流斬波電路

人們在生產(chǎn)和生活中需要用到各種各樣的電源，可調(diào)的直流電源可以方便的實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的無級變速。直流斬波器就是將恒定的直流電壓，通過電力電子器件的開關(guān)作用，變換為可調(diào)直流電壓的裝置。首先給學(xué)生引入下列電路來講解：

（一）初中所學(xué)的簡單電路

初中所學(xué)的簡單電路如右圖1所示，電路中有直流電源E，開關(guān)K1，白熾燈L做為負(fù)載。分析電路如下：

當(dāng)開關(guān)K1閉合時(shí)，白熾燈L兩端電壓 ;

當(dāng)開關(guān)K1斷開時(shí)，白熾燈L兩端電壓 ;

這個(gè)電路大家都會(huì)分析，與學(xué)生產(chǎn)生共鳴，提高學(xué)生的積極性。

圖4

（二）升級電路

電力電子器件包括不可控的電力二極管，半控的晶閘管及其派生器件，還有全控型的電力晶體管，門極可關(guān)斷晶閘管，電力MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管等。這些電力電子器件的本質(zhì)就是開關(guān)，以絕緣柵雙極型晶體管IGBT為例，當(dāng)IGBT的柵極和發(fā)射極之間加正向電壓，集電極和發(fā)射極間加正向電壓時(shí)，IGBT的集電極和發(fā)射極間相當(dāng)于開關(guān)閉合，閉合壓降很小;當(dāng)柵極和發(fā)射極間電壓小于等于零時(shí)，IGBT的集電極和發(fā)射極間相當(dāng)于開關(guān)斷開。所以上圖1所示中的開關(guān)我們可以用絕緣柵雙極型晶體管IGBT來代替，稱為斬波器件CH。

白熾燈泡兩端電壓和流過它的電流同相位，其本質(zhì)為電阻性負(fù)載。但是實(shí)際中，直流電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載的情況更多，其本質(zhì)為電感與電阻串聯(lián)的感性負(fù)載。所以我們可以用電感與電阻串聯(lián)代替上圖一中的白熾燈泡，這樣，電路圖變?yōu)槿鐖D2所示。

分析電路如下：

當(dāng)斬波器件CH導(dǎo)通時(shí)，忽略IGBT的導(dǎo)通壓降， ;

當(dāng)斬波器件CH斷開時(shí)，負(fù)載兩端電壓 ;

圖2

問題：由上圖2的分析可知，當(dāng)斬波器件CH斷開時(shí)，電路電流為零。而電感性負(fù)載大多為電動(dòng)機(jī)負(fù)載，流過電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流如果時(shí)斷時(shí)有是會(huì)損害電動(dòng)機(jī)特性的，所以上述電路結(jié)構(gòu)對電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說是有缺陷的，那么應(yīng)該如何改進(jìn)呢？加入續(xù)流二極管！由此引入本次課的正題——降壓式直流斬波電路。

（三）降壓斬波單路

圖3

降壓斬波電路的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

分析電路如下：

1、當(dāng)斬波器件CH導(dǎo)通時(shí)，二極管VD承受反向電壓截止，等效電路如下圖4所示。若假設(shè)理想情況下，斬波器件導(dǎo)通壓降可以忽略不計(jì)，則有： ;;

2、當(dāng)斬波器件CH截止時(shí)，續(xù)流二極管開始導(dǎo)通，等效電路如下圖5所示。此時(shí)有： ; ; 電感中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管組成的閉合回路釋放，使負(fù)載中依然有電流流過。

圖4圖5

在斬波器件CH的集電極和發(fā)射極間加正向電壓的情況下，其導(dǎo)通和截止受柵極和發(fā)射極間電壓的控制，此電壓可以由單獨(dú)的控制電路來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)0— 時(shí)刻，斬波器件CH閉合導(dǎo)通; —T時(shí)刻，斬波器件CH斷開，如此周期性的閉合和斷開CH（周期為T），則可把輸出端的電壓 隨時(shí)間變化的情況用波形表示出來，如右圖6所示：

根據(jù)前面所學(xué)，我們可以求出圖6的平均電壓值為：

;

令占空比 ，則 ;

當(dāng) 不變， 改變時(shí)，占空比D變化，則 變化，如果給直流電動(dòng)機(jī)供電，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。

圖6

又根據(jù)斬波器件CH導(dǎo)通時(shí)間必小于等于周期T可知， ，則有： ，這就是降壓斬波電路的工作原理。

四、實(shí)驗(yàn)深化降壓斬波電路結(jié)論

采用啟發(fā)式教學(xué)法將降壓直流斬波的理論講解完畢后，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺按照電路圖接線，接線時(shí)將直流電動(dòng)機(jī)也串聯(lián)入負(fù)載電路中，斬波器件CH的柵極和射極之間加入PWM輸出波形，旋轉(zhuǎn)旋鈕，改變PWM輸出矩形波的占空比，則可以改變斬波器件的導(dǎo)通時(shí)間，即圖6中的占空比D發(fā)生改變，根據(jù)公式 ，從而負(fù)載端的平均電壓改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也在改變。學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)旋鈕很方便的看出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，加深了對直流斬波電路可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速的認(rèn)識。

五、延伸問題

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，還可以通過提問以下問題加深學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解：

1、電路里的電阻值R如果采用滑動(dòng)變阻器，改變電阻的值，也可以影響直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嗎？為什么？

2、我想觀測負(fù)載兩端的電壓值，可以采用什么設(shè)備？如果采用萬用表，那應(yīng)該打到哪一檔，屏幕上顯示的是什么值？如果采用示波器，那示波器上的波形應(yīng)該是什么樣子的？

3、我想監(jiān)測流過負(fù)載的電流波形，應(yīng)該用什么設(shè)備？示波器只能直接測量電壓波形，能用它來測量電流波形嗎？

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)知道三個(gè)問題的答案：電路里的R阻值越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越慢，這是因?yàn)殡娮鑂阻值越大，R兩端電壓就越高，流過電動(dòng)機(jī)的電流就會(huì)變小，從而速度就減慢;如果電阻R過大，導(dǎo)致電路里的電流過小，則電動(dòng)機(jī)可能就啟動(dòng)不起來。

如果采用萬用表測負(fù)載兩端的電壓值，則應(yīng)打到直流電壓檔位，此時(shí)測得的是負(fù)載兩端的平均電壓值。如果采用示波器測量負(fù)載端的電壓，則電壓波形應(yīng)該如上圖六所示的矩形波。

如果想檢測負(fù)載端的電流波形，則可以用示波器測量電阻兩端的電壓波形，對電阻而言，電壓波形和電流波形同相位，只是在數(shù)值上電流值等于電壓值除以電阻值，所以電流波形的形狀和相位可以通過電阻兩端電壓波形來等效。

六、結(jié)論

在講解降壓直流斬波電路中，采用啟發(fā)式教學(xué)法，理論知識點(diǎn)環(huán)環(huán)相扣，緊湊而有序，最后又有實(shí)驗(yàn)深化理論，形象生動(dòng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到很大提高，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

作者簡介：李莉：濟(jì)南職業(yè)學(xué)院、副教授、研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。任國華：濟(jì)南職業(yè)學(xué)院、講師、研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。