电力电子磁技术多维度教学方法探索实践_胡斯登.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-09-03;修回日期:2021-12-02基金项目:国家自然科学基金(面上项目基金)(52177199)第一作者:胡斯登(1984)，男，博士，副教授，主要从事电力电子的教学、大容量变换器设计与评估的研究工作，E-mail:husideng zjuedu cn电力电子磁技术多维度教学方法探索实践胡斯登陈瑞文白宇宁俞勇祥徐超炯(浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)摘要:随着我国新工科战略趋势时代的开启，探索新的工程教育的中国模式已成为迫在眉睫的使命。根据电力电子技术跨学科的特点，从物理基础、开关频率及开关瞬态的关系等多维度对现有“电力电子”课程磁元件教学方法进行探索与实践。其特点是不拘泥于单一测试数据以及理论课程既定结论，而是进行多角度对比、多途径交叉验证的综合性观察，以培养学生在工程实践中面对复杂问题时的新工科思维能力。关键词:电力电子;磁技术;非理想特性;教学方法探索中图分类号:G426 0文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0135-04Exploration and Practice of Multi dimensional Teaching Methodfor Power Electronic Magnetic TechnologyHU SidengCHEN uiwenBAI YuningYU YongxiangXU Chaojiong(College of Electric Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)Abstract:With the opening of the era of new engineering strategy trend in China，it has become an urgent mission for the engi-neering educators to explore a new Chinese model of engineering education Magnetic component is one of the most importantparts of power electronics technology Based on the interdisciplinary characteristics of power electronics technology，this paper ex-plores and practices the teaching methods of magnetic components in the current Power Electronics course from the aspects ofphysical basic knowledge，the relationship between magnetic components and switching transient Its characteristics are not limitedto a single test data and the established theoretical courses，but a comprehensive observation of multi-angle comparison and multi-way cross verification，eliminating the cognitive blind spot between magnetic components and power transient process It helpsstudents to master the essential laws behind the non-ideal characteristics of magnetic components This exploration of teaching re-form aims to cultivate students new engineering ability when facing complex problems in practiceKeywords:power electronics;magnetic technology;non-ideal characteristics;teaching methods exploration新工科教学改革的推动力是社会对自主学习、独立思考能力的创新型人才的需求，这就需要更注重对学生自主学习、独立思考解决问题、不断创新的思维能力的培养1 5。电力电子课程技术是融电气技术、电子技术与控制理论、半导体器件等为一体的综合学科。磁元件在电力电子课程电路中起到储能、能量转换、电气隔离等方面的作用，对电力电子装置的体积、效率以及电路工作性能有重要的影响6 8。相比与“电力电子”课程中其他教学内容，由于学生对磁元件中非理想特性如纹波、饱和、损耗、畸变9 10 等缺乏印象与直观理解，最终导致课程教学内容枯燥难懂11 15。采用开设短学期开关电源制作课程进行辅助教学具有一定的改善作用，但课时量要求较多，同时磁元件固有特性分析较少。如何让学生认识磁元件非理想特性的整体性与规律性，综合考虑非线性、易饱和，工作频率与温度特性等方面需求，掌握有效优化与改进方法，成为课堂教学的难点与关键环节。“电力电子”课程磁元件内容的教学改革主要存在以下先决因素:首先应避免价格昂贵的大电流发生系统，通过简易直观的操作，观察与对比磁元件的诸多非理想特性及诱发原因。其次，由于磁元件自身的复杂性，应设计多维度视角引导学生理解以高频化为代表的电力电子装置中磁技术各项内容。本文针对以上问题，结合电力电子技术学科内涵，对现有“电力电子”磁技术课程的教学与实验平台改进方法进行了研究。1基础:磁滞回线的非线性特征展示观察磁滞回线是理解磁芯材料非线性与饱和情况的重要手段，同时可以快速回顾“大学物理”的内容，为新知识的学习做好铺垫。对于铁氧体磁芯，由于需要在强电流条件下才能进入饱和状态。为保证实验的安全性和可操作性，本文利用共模电感磁芯在小电流即饱和的特点，设计了磁元件实验平台，如图 1 所示。除电路模块外，还包含香蕉插座等辅助元件与清晰的端口标注以降低电路连接难度，引导学生重点关注磁元件固有特性。在此平台上可相继开展磁滞回线观测、磁化曲线绘制、开关瞬态电感参数提取等内容，如图 2(a)所示。图 1磁元件自制实验平台(a)磁滞回线观测(b)磁化曲线绘制(c)开关瞬态电感参数提取图 2原理图图 1 中的磁元件为一对原副边参数相同的耦合线圈，匝数 N1与 N2均为10 匝，副边辅助绕组与电阻、电容相连，组成积分电路后可得:B(t)=2C1Uy(t)N2A(1)A 代表磁芯截面积为 12 5 106m2，Uy为电容 C1的端电压，U2为副边绕组端电压，电容端电压 Uy和磁感应强度瞬时值成正比。进一步地，由安培环路定理可得磁场强度瞬时值如式(2):H(t)=N1Ux(t)1Le(2)其中，Ux为电流采样电阻 1两端的电压，Le为等效磁路长度。学生可通过测量电阻 1端电压Ux和电容 C1端电压 Uy可获得 B、H 的关系。通过示波器 X Y 模式组合 Ux、Uy波形，即获得磁滞回线特征与变化规律。固定信号发生器工作频率为 10 kHz，调节输出峰峰值分别为 5 V，10 V，20 V的电压，对比磁滞回线的特征，如图 3 所示。图 3不同输出电压下的磁滞回线从图 3 中，随着外施电压的升高，磁场不断加大，首先，学生将观察到磁化曲线逐渐出现饱和特征;其次，磁滞回线与横纵坐标轴的交点不断向外扩张，表明磁元件中的矫顽力与剩磁不断增加;最后，磁滞回线围绕的面积不断增大，说明在磁场加大的过程中磁芯损耗也在不断增多。磁滞回线非理想特性的观测结果与“大学物理”课程内容保持一致，学生既回顾了“大学物理”知识，又掌握了磁元件实验台的基本操作，为后续实验奠定了基础。2延伸:受开关频率影响的磁化曲线在电力电子变换器中，掌握磁元件特性与开关频率的相互关系是学生理解电力电子技术中磁元件分析与设计的重要环节。磁化曲线是展现磁材料在外加环境改变情况下的通磁能力的主要方面，本节围绕多开关频率激发下的磁化曲线特征设计了延伸内容。课堂理论部分已经教授磁场强度、磁感应强度的计算公式:Hm=N1U1p1Le(3)631电气电子教学学报第 45 卷Bm=U2p2fN2A(4)最终，磁导率由 =Bm/Hm获得。其中 U1p与U2p为原副边的峰值电压，f 为信号源激励频率，Hm与 Bm为磁场强度与磁感应强度的幅值。在实验操作部分，进行 10 kHz、100 kHz 两组频率激励时的磁导率测试实验。依次增加输出电压幅值，记录不同频率下的两组 U1p、U2p数值。绘制如图 4 所示的不同频率磁化曲线。根据式(5)可对电感值进行估算:L=N21ALe(5)在此环节，学生通过电磁感应定律、麦克斯韦方程组等理论知识对比多条不重合磁化曲线之间的细节差别，图 4 中上图的斜率要大于下图，即磁导率 在 100 kHz 的激励时呈现小于 10 kHz 对应的值的情况。由于磁导率 是设计与计算电感的关键，因此通过本节频率引起磁导率变化的观察，学生了解了开关频率主导的磁元件特性，并对频率范围与磁导率改变幅度有了定量的认知。图 4不同测试频率时的磁元件磁化曲线3拓展:瞬态换流中的电感特性分析通过磁滞回线与磁化曲线的学习与观察，启发学生认识磁导率等特性与激励频率之间的关联。本节介绍综合拓展环节，以开关器件瞬态换流过程的电感值测量为对象，将电力电子开关瞬态过程磁技术与实际工程相结合。将线路接成如图 2(c)所示的降压斩波器形式，其中 L 为待测电感，输出端不接电容。端口AB 间电压 UAB呈高频的方波激励，随后注入后级电路。在开关管 S 关断后，UAB对应于方波下降沿，此时电感 L，电阻 3以及二极管 D 形成放电回路。电阻两端电压呈指数形式下降，表现为一阶电路的零输入响应11。电阻端电压降为 1/e 倍初始电压所用时间，记为时间常数。根据时间常数的定义，式(6)描述了时间常数与回路参数的关系:=L3(6)实测波形如图 5 所示，在电阻端电压 U指数下降阶段，利用时间常数法即可估测获得待测电感值。图 5电阻端电压实测波形获得的结果与 10 kHz、100 kHz 频率激励下的电感值均不同，与 100 kHz 对应结果更接近。原因是开关瞬态过程中包含的丰富频率分量，特别是高频分量。在完成动手实验后，采用 Matlab 进行数据处理、图形分析与结果对比，同时留下思考题等进行启发教学:分析采用公式法计算电感以及基于器件开关瞬态观测的电感值存在差别的原因;从磁损的角度分析激励频率影响电力电子电路的磁元件电感值变化的本质原因。利用信息化教学互动手段与 MOOC 讨论课等形式组织学生分析与讨论各自的思考角度与结论，多维度了解磁元件的特征与制约因素。该内容可以作为理论教学的拓展部分，可结合“信号分析”“大学物理”等内容自主讨论与探索，将电感值理解为不同频率激励下电感值的加权平均值，也从另一角度让学生体悟了在高频化的电力电子技术中磁元件分析独有的特点。4结语行动源于理念，行动诠释理念。“新工科”战略要求与实现，离不开教学方式方法的改革。随着高频化电力电子技术的快速发展，磁元件在“电力电子”工程实践和课堂教学中的重要性愈加显著，而其抽象、不易测量的特点加大了学生对其的掌握难度。考虑到安全可靠、简易直观的需求，本文基于典型电力电子器件及拓扑应用，利用共模电感磁元件，使学生在弱电流强度下进行多测试频率、多731第 3 期胡斯登，等:电力电子磁技术多维度教学方法探索实践角度交叉验证实践。增设基于器件开关动作的电感值估测拓展实验，为理论课堂教学铺平道路，增加的互动性有效激发了学生的探索热情。针对“电力电子”磁技术复杂课程内容的多维度教学方法是新工科时代背景下电力电子人才培养模式一种新的探索。参考文献 1 马坤，郭炳晖，郑志明 基于“新工科”建设的人才培养挑战与机遇J 大连理工大学学报(社会科学版)，2019，40(5):109 113 2 王晓川，李小勇，季斌 工科研究生创新人才培养及优秀科研团队培育探索 J 当代教育实践与教学研究，2015(11):67 68，33 3 蔡露，马志强 利益相关者视角下新工科人才协同培养的问题与对策J 教育理论与实践，2020，40(21):7 10 4 高琼 当“新工科”遇上“新思政”新工科背景下能源动力类大学生第二课堂综合素质培养研究 J 高等工程教育研究，2019(S1):39 42，48 5 张世宏，李明喜，斯松华 对地方高校工科类本科优秀专业人才培养的思考J 教育教学论坛，2014(8):120 121 6 徐德鸿，马皓，汪槱生 电力电子技术 M 北京:科学出版社，2016 7 王兆安，刘进军 电力电子技术M 北京:机械工业出版社，2009 8 周洁敏，赵修科，陶思钰 开关电源磁性元件理论及设计 M 北京:北京航空航天大学出版社，2014 9 王蕴杰 铁磁材料磁滞回线的 BP 神经网络分析方法设计 J 大学物理实验，2015，28(6):4 7 10 白旭东，刘巧凤，王飞，等 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