浙江大学“电力电子技术”精品课程建设研究

浙江大学“电力电子技术”精品课程建设研究潘再平马皓(浙江大学电气工程学院杭州：[e-mail])摘要：介绍了浙江省精品课程“电力电子技术”在教材建设、实验室建设、教学内容体系改革、教学手段与教学方法改革等方面的经验和成果。该精品课程建设的主要成果是：出版电力电子技术课程教材11本，教材类型齐全；研制了多种型号的电力电子技术与运动控制技术实验装置，建成了国内领先的实验室，实验装置在全国近400所大专院校推广使用；进行了形式多样、易于操作、效果显著的教学改革，通过讨论式教学、撰写论文、设置创新设计型实验、单独实验考试、改革考试方式等措施，较大地提升了教学效果。关键词：电力电子技术；精品课程；教学改革；实验；教材1引言电力电子技术跨“电力”、“电子”和“控制”三个领域，是现代电子技术的基础之一，更是弱电子对强电力实现控制的桥梁和纽带，是电气工程中的基础电子技术，“电力电子技术”课程已成为电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，该课程在培养电气工程、自动化专业人才中有十分重要的地位。浙江大学“电力电子技术”课程于2002年被评为浙江大学精品课程，在学校、学院的大力支持下，经过课程组全体教师的努力，在教学队伍建设、教学内容建设、使用先进的教学方法和手段、教材建设、实验建设、教学管理等方面都取得了丰硕成果，大大提高了教学水平。浙江大学“电力电子技术”课程于2006年被评为浙江省精品课程。2教材建设浙江大学是国内最早设立电力电子技术专业的高校。1972年，中国工程院院士汪槱生教授在浙江大学创建了我国第一个以电力电子技术为主要研究对象的专业，1977招收了第一批电力电子技术专业本科生，以后改称应用电子技术专业，1998年根据教育部新的高等学校本科专业目录改称为电子信息工程专业。自1980年开始，浙江大学在电力电子技术、电机及其控制、工业自动化、电力系统自动化等专业开设了电力电子技术课程，后根据各专业对电力电子技术课程的要求不同，将该课程分成2个层次：《电力电子技术基础》（甲）为电力电子技术专业（现为电子信息工程专业）开设，而《电力电子技术基础》（乙）主要针对电气工程及其自动化专业、自动化等专业。浙江大学对电力电子技术教材建设工作非常重视，林渭勋教授等在1986年出版了《电力电子电路》（浙江大学出版社），1990年出版了《电力电子技术基础》（机械工业出版社），这些教材在全国有很大影响，促进了相关专业的发展。此后，相继出版了电力电子技术教材15部，教材类型齐全，层次分明，有十一五、十五、九五国家规划教材、实验教程、自学指导书、练习册等，教材内容反映了当前电力电子技术学科的发展方向和教学需求，具有创新特色，使用面较广，完全能满足教学要求，许多兄弟学校选用了这些教材。2003年机械工业出版社的《电力电子技术基础》和2006年科学出版社的《电力电子技术》比较适合《电力电子技术基础》（甲）课程；而1995年浙江大学出版社的《电力电子技术基础》与2004年科学出版社的《电力电子技术》则适用于《电力电子技术基础》（乙）课程。徐德鸿、马皓、汪槱生等编写的《电力电子技术》（2006年，科学出版社）为十一五、十五国家级规划教材，本教材是为电气信息类中电气工程与自动化、电子信息工程专业及其它相关专业编写的。通过本课程的学习，使学习者能掌握电力电子器件的基本特性、电力电子电路的基本分析和综合方法。全书共分九章。第一章介绍电力电子器件基本特性与使用方法。第二、三章介绍隔离与非隔离直流－直流变换电路原理和分析方法、动态模型及其控制。第四章介绍直流－交流变换技术。第五章介绍交流－直流变换技术，包括晶闸管可控整流电路和采用自关断元件的高功率因数整流器等。第六章介绍交流－交流变换技术。第七章介绍软开关谐振功率变换技术。第八章介绍电力电子电路中的磁性元件及其设计。第九章介绍电力电子应用技术。其中电力电子电路的建模及状态空间平均法等内容是目前国内同类教材中尚未有的，另外还增加如新能源发电、电磁兼容等内容。本书在编写过程中，在借鉴国内外同类优秀教材的基础上，结合近年来进行的教学实践和改革，对《电力电子技术》内容进一步改进、完善，在编排上力图做到：使学习者在系统地掌握电力电子电路的分析和综合方法的基础上，了解电力电子新技术，如：软开关谐振功率变换技术、PWM整流电路、多电平逆变器、矩阵变换器等，本书教学内容由比较容易理解和学习的直流－直流变换电路入手，整体内容安排也是由浅入深，使学生易于入门。在文字叙述方面，对重点内容介绍比较详细，便于学生自学，以符合现在提倡的学生自主化学习的要求。贺益康、潘再平编写的《电力电子技术》（2004年，科学出版社）考虑了电气工程的专业方向改造对课程内容提出的更新要求，目前的电气工程及其自动化本科专业包含专业目录调整前的电机及其控制、电力系统及其自动化等专业。因此，教材的编写应考虑到电气工程及其自动化专业的教学特点，编写中一方面注意了电力电子技术本身学科内容的系统性、完整性和教学所需要的循序渐进性，同时也突出了对电气工程及其自动化专业教学需要、与后续专业课程衔接的针对性，并注意引入最新技术成果以保持本书内容的新颖和先进性。该教材共分八章。第一、二章讲述电力电子器件及其驱动与保护电路，包括传统的半控型晶闸管和全控型各类自关器件。第三章至第六章以电力电子电路为内容分别介绍了AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四类基本变换电路，其中包含有重要的脉宽调制技术、整流和逆变电路的多重化、多电平化，以及内容较新的电压空间矢量脉宽调制、PWM整流电路、矩阵式交—交变换器等。第七章专门讨论了谐振软开关技术，以适应变换电路高频化的发展趋势。第八章为“电力电子技术在电气工程中的应用”，介绍了一些电气工程中应用的重要电力电子装置，以提高工程实际概念。3实验室建设实验环节在“电力电子技术”教学中占了相当重要的地位，学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实践相结合，使认识不断提高、深化。3.1实验设备的研制与推广浙江大学电气工程学院对实验教学非常重视，根据实验教学需要，及时研制、更新实验设备。课程组负责人早在1982年就参与了在全国有很大影响、得到全面推广的DSZ型电机系统实验装置的研制；1988年主持研制了DKSZ型电力电子技术与电机控制系统实验装置，该装置是一种功能齐全的大型综合性实验装置，用来完成电力电子技术、电机控制系列课程的全部教学实验。DKSZ型实验装置通过了浙江省科委的技术鉴定，并于1993年获浙江省科学技术进步奖，原全国高等工业学校电机专业教学指导委员会和工业自动化专业教学指导委员会都推荐该装置作为各自专业的优选实验设备。此后，电力电子技术课程组又与相关企业合作研制了MCL型、DDSX型等电力电子技术、运动控制技术等实验装置，满足了不断发展的电力电子技术实验教学的需要。课程组研制的实验装置及相关技术已由方圆、求是、天煌等教仪生产企业生产，在全国近30个省市的400余所大专院校推广使用，促进了全国各校有关专业的实验室建设工作，取得了很好的社会效益和经济效益。实验室建设连同学科建设成果曾在1997年获国家教学成果二等奖、浙江省教学成果一等奖。目前浙江大学电气学院实验室配备的电力电子技术、运动控制技术等实验装置是一种功能齐全的综合性实验装置，具有配置齐全、功能齐全、结构紧凑、使用方便、体积既小而适应面广，且有扩展能力的实验设备。实验装置能开设单相桥式整流电路，三相桥式整流、逆变电路，晶闸管触发电路，直流斩波电路，交流调压电路，GTO、GTR、MOSFET、IGBT等自关断器件特性及驱动保护电路、单相交直交变频电路的性能研究、半桥型开关稳压电源的性能研究、电流控制型脉宽调制开关稳压电源研究、直流斩波电路（Buck-Boost变换器）的研究、单相正弦波（SPWM）逆变电路实验、全桥DC/DC变换电路实验、整流电路的有源功率因数校正实验、软开关实验、脉宽调制技术实验等电力电子技术实验项目和采用DSP控制的直流方波无刷电机调速系统、空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速系统、采用DSP的磁场定向变频调速系统与直接转矩变频调速系统、开关磁阻电机调速系统等电机控制类实验项目。功率因数校正实验等部分实验项目为创新设计型实验，由学生自主设计实验内容和方法，提高学生的创新能力。电力电子技术实验室的建设完全满足了电力电子技术精品课程对实验教学的要求。在搞好实验室建设的同时，我们也十分重视实验教材的编写，出版了《电力电子技术与电机控制实验教程》。该教材系统介绍了电力电子、电机控制学科中多门专业基础课和专业课中的实验原理、实验方法，对各课程中涉及较少的控制单元作了较为详细的介绍，教材在理论和实际结合的内容方面留给学生充分的思考余度，以利培养和提高学生的实验动手能力和独立分析、解决问题的能力。另有2本电力电子技术、运动控制技术的实验教材正在出版中。3.2实验室管理系统为适应新人才培养方案的实施，实现实验课程的全面改革，有计划地进行开放性实验是行之有效的教学手段，也是改变传统教学模式，提高实验教学质量，培养学生独立操作能力和创造性思维的必由之路。为提高实验教学水平，规范有序地做好实验室开放工作，迫切需要一套与上述现代教学管理相适应的实验室管理系统，以实现开放性实验室管理。开放性实验室管理系统原是专门为浙江大学电力电子技术与电机控制实验室研制的，该系统运用信息技术和计算机管理技术，建立实验教学管理系统；在网上公布实验室开放的实验项目，实现网上预约选课的形式；学生可根据各自实际情况，预约实验时间；做实验时刷卡进入实验室，记录学生到达和离开实验室的时间；教师根据学生的实验情况对学生的实验进行评分，并以文档形式存档，以便查询，通过在每个实验室配置一台管理机，从而实现了实验课程教学的动态、开放式管理。开放性实验管理系统的正常运行，完全取代了传统的实验室管理方式，为实验课程教学的全面改革提供了必要的条件。由于该实验管理系统使用效果良好，现已成功地应用于浙江大学电气学院的实验教学中，使实验管理水平实现了很大的提升。该系统已经在浙江大学电气学院的各实验室运行了3年时间，期间对参加电力电子技术、微机原理与应用、电机学、电机与拖动、DSP原理与应用、控制理论、机电运动控制系统、电气控制技术、嵌入式系统设计等课程实验共2000余名学生进行了使用，对网上选课、教师确认、刷卡记时等功能进行了测试，一切都很正常，对这套系统的运行，任课教师普遍认为该系统适应浙江大学本科教学四学期制改革以及学校选课系统的运行，管理、查询十分方便。学生也普遍反映良好，也受到前来实验室参观的兄弟院校老师的一致好评。3.3网络实验随着互联网络技术的不断发展以及高等教育学生规模的扩大，基于Internet的远程教育正在普及。为满足各类学生进行实验的要求，浙江大学电气工程学院建立了网络实验室，网络实验室是在计算机网络环境下的虚拟实验室。与真实的物理实验室不同，其终端硬件设备皆为远程，但它也有别于传统的纯粹用于仿真的虚拟实验室，在此实验室里，所有实验数据皆由物理设备真实产生。网络实验室将地理上分散的实验设备集中起来，可供分布于互联网终端的各个远程用户使用。课程组针对电力电子技术课程的特点，研制了基于网络的电力电子电路实验装置，可以进行整流与有源逆变电路实验、BOOST及软开关ZVTBOOST电路实验、单相全桥逆变电路及其控制实验等实验。学生可远程登录上网，在网络客户端进行所选择的实验项目。比如学生根据整流与有源逆变实验原理图，自由地设计各种不同的实验。通过选择控制开关的切换，实现单相整流、三相桥式整流、三相桥式有源逆变等多种实验。也可通过脉冲控制开关的闭合或分断，来模拟晶闸管开路故障、驱动脉冲丢失故障等实验。设置负载电感Ld和负载电阻Rd的数值可以组合成多组不同负载参数的纯阻性负载、感性负载等。通过菜单项输入移相角，进行移相控制参数设置。这样学生通过开关切换和负载的选择等，自由的设计各种实验，直接在网上获