《電力電子技術(shù)》教學(xué)大綱

《電力電子技術(shù)》教學(xué)大綱課程編號：13220415英文名稱：PowerElectronics學(xué)分：2.5學(xué)時：總學(xué)時48學(xué)時，其中理論32學(xué)時，實踐16學(xué)時先修課程：大學(xué)物理、電路原理、模擬電子技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)，自動控制原理課程類別：專業(yè)主干課程授課對象：電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第5學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)1.課程地位電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，課程講述電力電子器件、四類變流電路（AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC）、變流控制和應(yīng)用等四部分內(nèi)容，旨在培養(yǎng)電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生為智能儀器儀表研發(fā)過程中設(shè)計電子電源，以及機(jī)器人與智能控制行業(yè)中的電機(jī)驅(qū)動設(shè)計電機(jī)驅(qū)動器的工程應(yīng)用能力。2.課程目標(biāo)課程目標(biāo)1：根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動要求和電氣系統(tǒng)的電能需求，制定電機(jī)驅(qū)動器電能變換電路和電子電源方案、計算參數(shù)、設(shè)計電路；課程目標(biāo)2：能夠解釋開關(guān)工作的電能變換裝置帶來的電磁干擾和電能損耗問題，能在電磁兼容、節(jié)能、電氣安全等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系下，自覺踐行軟開關(guān)、高效率等綠色能源變換理念、安全電能變換理念，分析和設(shè)計電氣工程領(lǐng)域的復(fù)雜電能變換裝置。二、課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)權(quán)重3.2能夠針對特定需求，完成輸電、變電、配電、拖動等單元模塊的設(shè)計；課程目標(biāo)1H4.1能夠基于科學(xué)原理，通過文獻(xiàn)研究或?qū)I(yè)調(diào)研等相關(guān)方法，調(diào)研和分析電氣工程相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的實驗、設(shè)計思路；課程目標(biāo)2M三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配（一）理論教學(xué)序號教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)課程目標(biāo)緒論什么是電力電子技術(shù)；電力電子技術(shù)發(fā)展史、應(yīng)用基本要求：正確理解電力電子技術(shù)的含義；理解并能區(qū)分電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)；理解晶閘管的誕生年是電力電子技術(shù)元年；理解電力電子技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)因是半控到全控、低頻到高頻、高噪聲到低噪聲。重點難點：電力電子技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)因是半控到全控、低頻到高頻、高噪聲到低噪聲。德育要求：愛國主義：我國科技的高速發(fā)展與當(dāng)代青年人的機(jī)遇和挑戰(zhàn)1集中講授、文獻(xiàn)閱讀課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2電力電子器件電力二極管、晶閘管、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等電力半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理；靜態(tài)、動態(tài)特性與參數(shù)基本要求：標(biāo)出電力二極管、SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等電力半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)；總結(jié)和解釋工作原理；區(qū)分工作頻率的高低、電壓電流能力的高低。重點難點：SCR、MOSFET、IGBT三類器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點德育要求：愛國主義：我國科技的高速發(fā)展與當(dāng)代青年人的機(jī)遇和挑戰(zhàn)5集中講授、課堂演示、課后作業(yè)、文獻(xiàn)查找和分析課程目標(biāo)1整流電路單相半波、全波、橋式相控整流電路的組成、工作原理、定量分析；三相相控整流電路的組成、工作原理、定量分析；相控整流電路的有源逆變工作狀態(tài)；變壓器漏感對整流電路的影響；諧波和功率因素；相控整流電路的有源逆變工作狀態(tài)。基本要求：能夠繪制單相半波、全波、橋式相控整流電路并解釋這三類相控整流電路在電阻負(fù)載、阻感負(fù)載和反電動勢狀態(tài)下電阻負(fù)載、阻感負(fù)載的工作原理，推導(dǎo)數(shù)量關(guān)系；能夠繪制三相半波、橋式相控整流電路，并解釋在電阻負(fù)載、阻感負(fù)載狀態(tài)的工作原理，推導(dǎo)數(shù)量關(guān)系；建立換相壓降、重疊角的概念，并掌握換相壓降、重疊角定量計算；了解電容濾波的不可控整流電路的工作特點；建立諧波、功率因素的概念，了解相控整流電路、不控整流電路產(chǎn)生諧波和干擾的特點；掌握產(chǎn)生有源逆變的條件，三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計算。重點難點：三相橋式相控整流電路在電阻負(fù)載、阻感負(fù)載狀態(tài)的工作原理和數(shù)量關(guān)系；諧波；三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計算。德育要求：工匠精神：以王兆安、陳伯時、錢照明等專家學(xué)者的事例，講述其長期攻關(guān)我國電力電子技術(shù)，做成了巨大貢獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生崇尚工匠精神。穿插袁隆平的事跡。6集中講授、課堂演示、課后作業(yè)課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2逆變電路換流方式；單相和三相電壓型逆變電路；單相和三相電流型逆變電路；多重逆變電路和多電平逆變電路?；疽螅赫莆账姆N換流方式；能夠繪制單相電壓型半橋、全橋、推挽逆變電路，掌握全橋逆變電路的基波與直流輸入電壓之間的數(shù)量關(guān)系；能夠繪制三相電壓型逆變電路，解釋工作原理，推導(dǎo)輸出相電壓、線電壓的數(shù)量關(guān)系；了解晶閘管作為開關(guān)管的單相、三相電流型逆變電路；建立多重逆變和多電平逆變的概念。重點難點：單相電壓型半橋、全橋、推挽逆變電路；三相電壓型逆變電路德育要求：創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神4集中講授、課堂演示、課后作業(yè)課程目標(biāo)1直流-直流變流電路非隔離的直流-直流變流電路（直接直流-直流變流電路，基本斬波電路）；復(fù)合斬波電路和多相多重斬波；隔離的直流-直流變流電路（間接直流-直流變流電路）?；疽螅?）針對開關(guān)電源：能夠繪制非隔離的Buck和Boost拓?fù)涞闹麟娐方Y(jié)構(gòu)以及PWM控制策略的輸入、輸出和占空比之間的數(shù)量關(guān)系；了解Buck-Boost、Cuk等拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，能根據(jù)穩(wěn)態(tài)時，在一個周期T內(nèi)電感L的伏秒平衡原理和電容C的安秒平衡原理推導(dǎo)PWM控制策略的輸入、輸出和占空比之間的數(shù)量關(guān)系；建立多相多重斬波的概念，了解典型電路；能夠繪制隔離的正激、反激、半橋、全橋、推挽等五種開關(guān)電源拓?fù)渲麟娐?，掌握PWM控制策略的輸入、輸出和占空比之間的數(shù)量關(guān)系，了解變壓器單向、雙向勵磁特點和開關(guān)管的電壓應(yīng)力；2）針對直流電力拖動：能夠繪制電流可逆斬波和橋式可逆斬波電路的主電路、能解釋控制策略和工作原理。3）具有自主學(xué)習(xí)的能力，包括對技術(shù)問題理解的能力，歸納總結(jié)的能力；4）就開關(guān)電源技術(shù)問題，有效使用PowerPoint、Visio等辦公軟件，以口頭、文稿、圖表等方式，同業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通。重點難點：Buck、Boost、正激、反激、推挽、半橋、全橋直流直流變換電路。德育要求：創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神6翻轉(zhuǎn)課堂（學(xué)生自學(xué)后同伴學(xué)習(xí)）、團(tuán)隊討論、課堂演示、課后作業(yè)、文獻(xiàn)查找和分析課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2交流-交流變流電路單相相控式、斬控式交流調(diào)壓電路；相控式三相交流調(diào)壓電路；交流調(diào)功電路；交流電力電子開關(guān)；單相和三相交交變頻電路?；疽螅耗軌蚶L制單相相控式、斬控式交流調(diào)壓電路，能夠分析其數(shù)量關(guān)系；了解相控式三相交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)；了解單相和三相交交變頻電路的電路組成，解釋工作原理。重點難點：單相相控式交流調(diào)壓電路；單相和三相交交變頻電路的電路組成，解釋工作原理。德育要求：創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神3集中講授、課后作業(yè)課程目標(biāo)1PWM控制技術(shù)PWM控制的基本原理；PWM逆變電路及其控制方法；PWM跟蹤控制技術(shù)；PWM整流電路及其控制方法基本要求：能夠表述并解釋PWM的基本原理；能夠列舉和解釋PWM的計算法和調(diào)制法兩種方法；能夠解釋異步調(diào)制和同步調(diào)制；了解PWM跟蹤控制技術(shù)；能夠繪制典型的單相半橋、單相全橋、三相橋式PWM整流電路，表述其控制方法。重點難點：調(diào)制法PWM德育要求：創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神2集中講授、課后作業(yè)課程目標(biāo)1軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)的基本概念；軟開關(guān)電路的分類；典型的軟開關(guān)電路基本要求：能夠定義和解釋軟開關(guān)的概念；能表述和解釋軟開關(guān)對電力電子變換器的噪聲降低、效率提升和功率密度提高作用；能夠表述和解釋零電壓開關(guān)、零電流開關(guān)；能夠表述和解釋PFM型諧振軟開關(guān)以及PWM型零開關(guān)和零轉(zhuǎn)換兩類軟開關(guān)；能夠繪制移相全橋的功率電路，能夠解釋開關(guān)管軟開關(guān)的實現(xiàn)原理，能夠區(qū)分移相全橋和硬開關(guān)PWM全橋的控制不同點。重點難點：移相全橋變換器德育要求：共商共享共贏的合作精神；團(tuán)隊精神：通過項目合作設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生之間互助友愛的團(tuán)隊意識；設(shè)計方案的綜合分析與比較；社會責(zé)任與技術(shù)規(guī)范踐行5集中講授、課堂演示、課后作業(yè)、文獻(xiàn)查找和分析課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2合計32（二）實驗教學(xué)序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學(xué)時類型對應(yīng)課程目標(biāo)1三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗內(nèi)容：正弦波、鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的調(diào)試；在整流或有源逆變狀態(tài)下，當(dāng)觸發(fā)電路出現(xiàn)故障（人為模擬）時通過示波器觀察主電路的波形進(jìn)行故障排查并記錄波形。成果：理解半控器件晶閘管的工作原理和開關(guān)特性；理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理；以KC系列集成觸發(fā)器為例了解晶閘管觸發(fā)電路的工作原理，建立同步、同步的概念；分析三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作狀態(tài)。要求：必修。4綜合性課程目標(biāo)1課程目標(biāo)22直流斬波電路的性能研究內(nèi)容：Buck變換器原理；驅(qū)動波形、電感前端波形隨輸入電壓的占空比、頻率、幅值變化，以及輸出電壓變化。成果：能夠閱讀并理解英文文獻(xiàn)，具備一定的國際視野；理解Buck變換器的工作原理；能夠表述和理解PWM控制策略的思想并應(yīng)用到開關(guān)電源設(shè)計中；掌握程控電源、電子負(fù)載、示波器、萬用表等現(xiàn)代儀器設(shè)備的使用；能夠計算非隔離式開關(guān)電源的磁性元件；能夠設(shè)計儀器儀表、機(jī)器人與智能控制儀器中非隔離式開關(guān)電源。要求：必修。3綜合性課程目標(biāo)1課程目標(biāo)23LLC諧振變換器的性能研究內(nèi)容：LLC諧振變換器原理；下管驅(qū)動波形、漏源波形、整流管反壓隨輸入電壓的占空比、頻率、幅值變化，以及輸出電壓變化。成果：能夠閱讀并理解英文文獻(xiàn)，具備一定的國際視野；理解半橋逆變電路和全波整流的工作原理；理解變壓器的設(shè)計；理解諧振式軟開關(guān)的工作原理，以及軟開關(guān)對電磁噪聲的抑制作用，進(jìn)而理解工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響；了解開關(guān)電源的諧振軟開關(guān)的研究熱點；表述并能解釋隔離式開關(guān)電源的電路組成；理解PFM的工作原理，并能區(qū)別和比較PWM和PFM兩種控制策略；為LED等設(shè)計隔離式開關(guān)電源；能夠在一個團(tuán)隊中擔(dān)當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)或者成員的角色，并能有效溝通，成功開展工作。要求：必修。9綜合性課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2合計16四、課程教學(xué)方法（1）理論學(xué)習(xí)以集中授課的形式為主，小組討論為輔；（2）綜合性實驗以小組形式完成，集中評價。本課程的課外環(huán)節(jié)包含三個部分：課后作業(yè)、文獻(xiàn)閱讀、視頻學(xué)習(xí)。（1）課后作業(yè)為實現(xiàn)課程目標(biāo)1和2的達(dá)成，并對達(dá)成情況進(jìn)行評價，本課程要求學(xué)生完成至少5次課后作業(yè)。主要形式（但不限于）為電路設(shè)計、計算等。主要內(nèi)容是依據(jù)所學(xué)的電路原理、模擬電路、電力電子技術(shù)等基本原理，對電力電子器件、四大變流電路、PWM控制策略和軟開關(guān)技術(shù)等進(jìn)行分析、計算和設(shè)計。（2）文獻(xiàn)閱讀1）AbrahamI.Pressman.SwichingPowerSupplyDesign(SecondEdition)[M].McGraw-Hill2)High-VoltageSwitcherforLowPowerOfflineSMPS；3)AnintroductiontoLLCresonanthalf-bridgeconverter.STApplicationnote.AN2644.4)LLCresonanthalf-bridgeconverterdesignguideline.STApplicationnote.AN2450.5)L6599Adatasheet.（3）視頻學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)上對Buck、LLC諧振變換器的講解等。五、學(xué)業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時作業(yè)、實驗（含綜合設(shè)計）、期末考核組成，均按百分制計分，其中平時作業(yè)成績占10%、實驗1占10%、實驗2占10%、實驗3占20%、期末考核成績占50%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評價序號教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）合計1平時作業(yè)82102實驗實驗16410實驗26410實驗31010203期末考試42850課程目標(biāo)對應(yīng)分值7228100（二）考核與評價標(biāo)準(zhǔn)1.平時成績考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分作業(yè)按時完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識點理解、掌握到位。能夠利用理論知識識別、分析儀器儀表和電機(jī)驅(qū)動的用電需求，完成電子電源或電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計、計算。按時完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識點理解、掌握較到位。能夠較好利用理論知識識別、分析儀器儀表和電機(jī)驅(qū)動的用電需求，完成電子電源或電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計、計算。延時完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識點理解、掌握基本到位。利用理論知識對電子電源或電機(jī)驅(qū)動器有一定的設(shè)計、計算。不交和補(bǔ)交，50%以下的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識點理解、掌握有偏差。不能利用理論知識對電子電源或電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行設(shè)計、計算。2.實驗分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分實驗?zāi)茌^快地完成電路調(diào)試、排故，前10%完成整個實驗。能邏輯清晰地分析和定位電路故障，能正確使用各種工具，遵守電氣技術(shù)規(guī)范。能在一兩個提示下在規(guī)定時間內(nèi)較快地完成電路調(diào)試、排故，分析和定位電路故障的思路比較清晰，能調(diào)試和測試實物。能正確使用各種儀器。在報告中能夠較為正確地分析各類因素。匯報時思路較為清晰，能回答大部分問題。能在規(guī)定的時間內(nèi)完成電路調(diào)試、排故。在同學(xué)的幫助下完成測試和原理講解。不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成電路調(diào)試、排故，超過了三個提示方能完成電路調(diào)試、排故。報告不規(guī)范，不能清楚地說明設(shè)計、制作過程和工作原理。3.期末試卷考核與評價標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計期末考核試題，綜合檢驗學(xué)生對課程相關(guān)知識的掌握、綜合應(yīng)用及解決復(fù)雜問