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概述

電力電子課程的主要內容、重點、難點及解決方法電力電子課程的主要內容、重點、難點及解決方法電力電子課程理論性和實踐性均較強,是專業基礎課,涉及到電、磁、熱等綜合知識,課程教學內容結合本科階段的學習能力,……
電力電子課程的主要內容、重點、難點及解決方法
電力電子課程的主要內容、重點、難點及解決方法

電力電子課程理論性和實踐性均較強,是專業基礎課,涉及到電、磁、熱等綜合知識,課程教學內容結合本科階段的學習能力,將熱設計部分作為自學或參考內容,不做課程講授,同時把重點、難點分散;強調基礎的同時,結合電力電子技術的最新發展補充新的授課內容;理論教學與工程實踐相結合,通過實例和應用分析來帶動各知識點,使學生在饒有興趣中完成課堂學習;同過必做和選做式作業,完成梯度式教學,適應不同層次學生的學習需求,面向學力稍弱的學生強調基礎內容,面向學力好的學生提供開放式題目和創新課題指導以提高其創新能力。

 

 課程教學的主要內容、重點、難點及解決方法為:

 0 緒論

 重點:電力電子技術專業特點和應用。解決辦法:系統介紹電力電子課程專業特點和應用,根據專業特點提出參考學習方法,給出專業課程的網站,互動現場演示精品課程網站的使用方法,方便學生提供課程學習效率,將網路與課堂教學互為補充。

 1 晶閘管器件

 重點:晶閘管的開關條件;晶閘管的開關特性和物理構成的關係;晶閘管的參數含義;晶閘管的電流定額折算方法。

 難點:正弦半波的有效值折算方法;晶閘管的電流定額選取。

 解決辦法:通過互動虛擬實驗演示晶閘管的開關實驗,有助於學生熟悉晶閘管的開關條件和半控工作條件;採用多媒體和實物模型幫助學生對晶閘管有直觀認識,方便學生掌握晶閘管的電氣特點;通過工程設計實例幫助學生理解器件各種參數定額含義,掌握器件的參數設計方法;通過課堂練習和講解強調晶閘管的正弦半波的有效值折算原則,熟悉晶閘管電流定額的計算和選取,進而掌握晶閘管電流的具體計算折算方法。

 

 2.1 單相半波整流電路

 重點:注意掌握整流電路的分析方法(工作原理/波形分析/量化分析)、電路按時域劃分的線性等效電路的分析、電路波形分析與數量計算。

 難點:電路工作波形分析方法。

 解決方法:首先通過多媒體軟體動態演示單相半波整流電路工作過程,強調不同性質負載下電壓電流波形、各種電量基本關係,進而幫助學生掌握各種電路特點和應用範圍,根據用電設備要求正確設計可控整流電路及元件的參數。在此基礎上,通過課堂互動提問強調可控整流電路的工作原理分析方法。

 2.2 單相橋式整流電路

 重點:單相橋式整流電路的分析方法(工作原理/波形分析/量化分析);電路按時域劃分的線性等效電路的分析;不同負載的電路分析特點;對反電勢負載的分析方法(工作原理/波形分析/量化分析);半控電路的工作特點與工作狀態分析;半控電路的量化分析。

 難點:電路波形分析與數量計算;半控電路的特點和分析。

 解決方法:通過多媒體軟體動態演示全波整流電路和半控電路工作過程,掌握橋式整流電路特點;利用FLASH動畫分別針對阻性負載、感性負載和反電勢條件下,分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係,利用互動提問強調負載不同對電路的工作原理的影響。在講解半控電路時與全控電路進行對比分析,強調半控整流電路的拓撲特點和失控產生原因。

 2.3 三相半波整流電路

 重點:三相半波整流電路的分析方法(工作原理/波形分析/量化分析);電路按時域劃分的線性等效電路的分析;不同負載的電路分析特點。

 難點:三相半波電路波形分析與數量計算。

 解決方法:通過多媒體軟體動態演示三相半波整流電路工作過程,分別針對阻性負載和感性負載條件下,分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係。將三相整流電路與單相整流電路進行類比,注意拓撲和工作特點的異同和電路輸出電壓的不同。

 2.4 三相全橋整流電路

 重點:三相全橋整流電路的分析方法(工作原理/波形分析/量化分析);電路按時域劃分的線性等效電路的分析;三相全橋電路波形分析與數量計算;不同負載的電路分析特點。

 難點:三相全橋整流電路波形分析與數量計算。

 解決方法:通過多媒體軟體動態演示三相全橋整流電路不同模態的工作過程,分別針對阻性負載和感性負載條件下,分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係;利用矢量圖運畫演示闡述三相全橋換流順序和雙觸發時序。將三相全橋整流電路與三相半波相整流電路進行類比,注意拓撲和工作特點的異同,以及輸出電壓波形和輸出電壓平均值的不同。

 2.5 雙反星整流電路

 重點:對雙反星電路按時域劃分的線性等效電路的分析;電路波形分析與數量計算;掌握雙反星電路的工作特點和設計要點。

 難點:雙反星電路的工作原理與數量計算。

 解決方法:利用動畫演示雙反星整流電路工作過程和特點,分析各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係;強調雙反星整流電路的根本特點和設計中應注意事項。

 2.6 變壓器漏抗對整流器的影響

 重點:講解漏抗的影響原理和措施;分析逆變工作條件和原理。

 難點:漏抗對整流器的影響與量化計算。

 解決方法:採用提出問題->解決問題的講解方法,重點講解整流電路中漏抗對整流工作的影響和對應措施。

 

 3.1 三相有源逆變電路

 重點:講解三相半波逆變電路的工作原理、電路波形分析與數量計算;講解三相橋式逆變電路的工作原理、電路波形分析與數量計算。

 難點:三相全橋逆變電路工作過程分析。

 解決方法:利用FLASH動畫分析三相半波逆變電路的工作原理和電路分析(包括各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係);課堂互動方式強調三相橋式逆變電路的工作原理和電路分析(包括各電氣電壓電流波形、各種電量基本關係)。

 3.2 逆變顛復與最小逆變角限制

 重點:分析逆變失敗的原因;講解逆變失敗的影響原理和措施。

 難點:最小逆變角的限制條件。

 解決方法:課堂互動提問強調逆變失敗對整流工作的影響和對應措施;重點掌握逆變失敗導致的原因和最小逆變角定義。

 

 4.1 晶體管的觸發電路

 重點:觸發電路的定義和要求;觸發電路的電路工作原理分析;概念講授和電路工作的分析

 難點:各子功能電路的詳細工作原理。

 解決方法:利用多媒體軟體動畫演示握觸發電路的各部分組成,方便學生掌握觸發電路的工作原理和功能模塊劃分,進而了解觸發電路的各個組成部分的工作原理。

 

 5.1高頻開關功率器件

 重點:高頻功率二極體的分類、主要特性和參數;常用全控器件(GTR,MOSFET,IGBT)的特性和主要參數。極限參數和電氣參數。

 難點:高頻功率二極體的分類反向恢復;MOSFET和IGBT器件的開通和關斷過程、米勒效應。

 解決辦法:(1) 從高頻器件的基礎--功率PN結的半導體物理特性說起;(2) 結合三端器件的小信號等效電路講解米勒效應;(3)以一兩個具體型號典型器件的參數表為例,說明各種參數的體現及對電路性能的影響。

 

 6.1 DC-DC變換電路

 重點:BUCK、BOOST、反激和正激變換器幾種基本的變換器的拓撲電路形式,Buck變換器的分析方法和外特性(包括電流連續和斷續模式)。

 難點:反激變換器的分析方法,正激變換器的磁化及磁複位過程。

 解決辦法:1)以Buck變換器為例,詳細說明模態分析的原理和方法;並推論到其他拓撲; 2)用伏秒平衡原理和電流增量原理兩種方法對照分析;3)首先複習和強調磁通連續性、能量守恆和伏秒平衡等,強調物理概念;4)強調幾種拓撲的對偶性,推論分析方法和結果。

 

 7.1 DC-DC變換器的PWM控制

 重點:PWM控制工作原理,開關電源系統結構框圖。

 難點:SG1525/SG1527系列集成PWM控制器輸出級的控制邏輯;動態閉環調節原理。

 解決辦法:(1)結合BUCK變換器的脈寬調製模擬和實驗查看SG1525控制器各管腳的工作波形,闡述PWM原理;(2)結合自動控制原理,解釋誤差放大器、閉環調節原理。

 

 8.1 DA-AC變換電路及輸出波形控制

 重點:半橋、全橋和推挽逆變電路在阻性和感性負載下的工作原理,SPWM控制基本原理。

 難點:推挽電路帶感性負載下T/4的調節範圍,逆變電路的改進型SPWM控制方法。

 解決辦法:(1)通過畫推挽電路帶感性負載時0~T/4和接近T/4時的電路波形來說明;(2)通過對比SPWM和改進型SPWM控制下的電路波形進行闡述。

 

 9 開關管的緩衝電路和軟開關技術

 重點:緩衝的目的和意義,緩衝的原理,緩衝的方法;電應力和熱應力的概念;開通和關斷負載線的概念和意義;典型的RCD/RLD緩衝電路的構成和原理,元件L、R、D在緩衝電路中的作用,參數的設計方法;無損緩衝的概念、原理和典型電路;零電流或零電壓開通關斷的目的和意義,零電流和零電壓諧振開關的電路構成及原理。

 難點:buck電路的緩衝電路的分析和參數設計。

 解決辦法:採用由淺入深,由簡到繁,由局部到整體的分析方法,強調元件L、R、D在緩衝電路中的作用。

 

 10 開關管的驅動電路

 重點:電氣隔離的作用、方法、典型隔離電路、各種隔離電路的特點及工作特性、雙極性管和場控器件的驅動技術及典型電路。

 難點:結合電路系統判斷是否需要電氣隔離以及如何隔離、掌握抗飽和驅動電路的原理、理解MOS管驅動電路中各元件的作用。

 解決辦法:(1)結合觸電問題、全橋電路的各管驅動要求來講解電氣隔離的作用;(2)以Buck、Boost為例,講解如何結合電路系統判斷是否需要隔離驅動;(3)通過打比方和設問的方式引導學生思考並理解不同隔離電路的特點和工作特性:以三極體的外特性為比方讓學生理解光耦的線性、開關工作模式以及CTR參數;通過設問“正激式驅動電路能否用於占空比為0.98的信號的隔離驅動?”引導學生理解驅動電路中的變壓器同樣要滿足磁複位的穩態工作條件,進而了解正激式驅動電路同樣有占空比限制;通過問題“如果驅動信號頻率有的時候為低頻,有的時候為高頻,驅動占空比變化範圍從0到1,可採用何種隔離驅動電路?”引出高頻調製隔離驅動電路,同時也讓學生理解了該驅動電路的特點;(4)抓住驅動電流過大是引起三極體飽和的根本原因,從驅動分流的角度讓學生定性理解抗飽和的基本原理,進而掌握其定量關係;(5)通過畫出LC等效電路讓學生理解MOS 管驅動容易出現的尖峰振蕩原因,進一步引出可通過阻尼和電壓尖峰鉗位來解決此問題,讓學生理解MOS管驅動電路中各元件的作用;(6)布置開放式思考題:a. 反激變換器的驅動電路可採用哪些方案,相應的輸出電壓反饋是否需要隔離?b. MOS管驅動波形上升沿和下降沿為何能看到有小平台?

 11功率變換器中的磁性元件設計

 重點:鐵心BH曲線及其典型參數,鐵心損耗分類及各部分損耗與鐵心材料特性的關係,鐵心的幾種工作狀態,常用鐵心材料的性能及選用,脈衝功率變壓器及電感的設計思路。

 難點:能量在BH曲線上的反映,加入氣隙后磁心BH曲線如何變化,集膚效應和鄰近效應的理解,啟動過程中變壓器的飽和現象。

 解決辦法:(1)利用電磁感應原理將磁感應強度B與電壓u關聯,根據安培環路定律建立磁場強度H和電流i的關係,再結合做功的公式,幫助學生理解BH曲線向B軸投影的面積表徵磁元件的儲能;(2)結合BH曲線的能量關係講授磁滯損耗,並引出交變磁場下鐵氧體也會有渦流和損耗,使得學生可以自然而然理解鐵損的兩個主要部分和減小鐵損的方法;(3)結合磁路幫助學生理解氣隙增大,BH曲線向橫坐標傾斜;結合BH曲線的能量關係,讓學生直觀地理解加入氣隙、儲能能力增大、不易飽和;(4)引導學生應用右手法則畫出自身交變電流在導體中感應的高頻電流、以及鄰近交變電流在導體中感應的高頻電流,幫助學生理解集膚效應和鄰近效應,並應用“同向相斥、異向相吸”來總結鄰近效應的影響;(5)結合不同變換器中的磁性元件,讓學生理解磁性元件的不同工作狀態,掌握不同變換器中電感和變壓器對磁心材料和氣隙的要求;(6) 考慮到磁的抽象性,通過圖片與實物教具相結合的方式讓學生對不同磁性材料建立感性認識,了解磁件的組成,理解磁件設計一方面要保證電氣參數,同時還要保證不飽和、適當的損耗和可以繞下等要求,進而講解電感和變壓器的設計思路;(7)結合BH圖,講解啟動過程中變壓器的飽和現象和相應的抑制措施;(8)布置開放式思考題:變壓器的模型是什麼,變壓器中的漏感、激磁電感、各繞組匝數、同名端如何測量?

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