電力電子技術實驗教學改革探索

電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，是一門迅速發展的新興交叉學科。“電力電子技術基礎”課程是高等院校電類自動化、電氣工程及自動化和工業電氣自動化等專業的一門重要的技術基礎課。課程的應用性、實踐性很強，其實驗教學對學生實踐能力的提高、啟發學生創造性思維，具有重要意義。電力電子技術實驗一般都涉及到強弱電，在自動化專業中屬于“強電”課程。近年來，在學生中普遍存在著書本知識與實踐能力脫節、動手能力差、懼怕硬件和強電的現象。安全性好的實驗環境對培養研究型人才、培養學生掌握實驗乃至科學研究的方法、提高科研的興趣和主動參與意識、調動學生的積極性和創造性，將起到十分重要的作用。
隨著“電力電子技術基礎”、“電力拖動與運動控制”等課程改革與創新建設，與之相配套的實驗教學環節需要相應地加以改進和完善，以提高實驗教學效果。作為學校“985”二期支持的項目，清華大學自動化系電力電子與運動控制實驗室重新設計了電力電子與運動控制教學實驗平臺。本文主要探討電力電子技術實驗教學的改革及取得的成效。
1、基本思路
(1) 結合電力電子技術基礎的課堂教學內容以及電力電子技術課程特點，實驗教學內容必須包括電力電子器件工作原理、基本電力電子電路原理、典型電力電子系統應用等。在每個實驗內容選擇、設計以及實驗指導等環節上，必須堅持“以培養學生的實踐能力”和“理論與實踐相結合”的實驗教學理念，使學生既動手又動腦、豐富工程實踐知識，并且培養學生的創新能
力和綜合能力。
(2) 在實驗教學平臺的覆蓋面上，希望能夠覆蓋3個層面的需求:
①滿足目前自動化專業教學大綱中“電力電子技術基礎”、“電力拖動與運動控制”課程的全部教學實驗和“控制系列專題實驗”課程的相關實驗;
②為自動化系本科生、研究生以及有關專業的學生提供一個綜合性實驗平臺;
③同時也可為有關的科研項目提供實驗環境。
(3) 在實驗平臺裝置的設計上，實現“先進性、實用性、開放性、多功能性、安全性”的特點，以滿足多層面的基礎型、研究型和綜合設計型的實驗教學和實踐活動的要求。
(4) 在建設的方法上，本著“利用清華大學在科研成果方面的優勢，借鑒廠家成熟的生產技術”的思路，在對國內外已有的同類實驗教學產品的特點進行了充分調研的基礎上，確定自主研發本實驗平臺的主要核心模塊，同時，對原已較先進和實用的實驗模塊進行升級改造，使實驗平臺不僅能滿足教學的各種需求，保證了技術領先，并且大大地節省了實驗平臺的資金投入。
2、教學實驗平臺的組成
2．1實驗裝置
整套實驗平臺由實驗臺和不同的功能模塊組成，如圖1 所示。模塊按照功能可劃分為5 個部分: 電源部分、控制部分、功率部分、測量部分和負載部分。

圖1 電力電子技術實驗平臺

(1)電源部分。由三相變壓器模塊、橋式整流模塊和濾波模塊組成的主電路示意圖如圖2所示。主電路的進線電壓為三相交流380V市電，經過三相變壓器模塊的隔離、降壓，變壓器可提供輸出相電壓為15、75和90V等幾種選擇，為實驗提供與電網隔離的不同交流電壓的電源。再經過橋式整流、濾波模塊，得到約為40V或220V等直流電壓。另外，還有直流電源模塊，可提供以0V為參考端的±15V兩路直流電源。可外加保險管模塊，用于主電路的過流保護。
(2)控制部分。自主設計的以DSP為核心的驅動及控制模塊，如圖3左圖所示。該模塊包括多種控制模式與算法，具有多功能、全數字化的特點，并且設計了過電壓、過電流和短路保護等保護環節。其“工作方式選擇”可以選擇“正弦逆變”、“開關電源”、“倍頻逆變”和“電機運行”等工作方式，如: 將工作方式選擇為正弦逆變時，送至各IGBT的驅動信號為SPWM波，開關頻率有5、10、15和20kHz四檔輸出。輸出正弦波頻率從45～65Hz。面板圖上還設置了相應的指示燈，提高了直觀性和可靠性。
直流斬波電路的控制電路( 見圖3右圖) 也是PWM控制模塊，由SG3525芯片及外圍電路構成。SG3525是一種脈寬調制控制電路，通過改變外接阻容參數可以產生不同的開關頻率，通過改變輸入給定值，可以得到不同占空比的控制信號，作為斬波器等主電路功率器件的驅動信號。該模塊輸出頻率從5～20kHz，并帶有輸出限幅和外部關閉驅動信號等保護功能。
(3)功率部分。針對當前電力電子技術的發展趨勢，主電路功率器件模塊采用全控型器件。分別由4個IGBT和4個MOSFET功率器件組成。每個器件既可單獨使用，也可構成單相半橋或全橋變換電路。功率器件還包括高頻變壓整流濾波模塊、電感電容模塊、電感電容電阻模塊、帶有阻容吸收電路的二極管模塊等，用于實驗中不同電路的搭建。

圖3控制電路面板圖
(4)測量部分。電量測量模塊可以測量電路中的直流和交流電流，也可測量電路中兩點間的交直流電壓值。霍爾電流傳感器模塊可以觀測電路中任一處的電流波形并計算電流大小。
(5)負載部分。3個燈泡負載模塊，分別由3只額定電壓為220、110和36V的燈泡組成，作為實驗負載使用。
2．2 實驗內容
作為實驗技能訓練的基本要求，實驗內容中充實了基礎實驗即驗證型實驗———直流斬波電路實驗。基本要求是對電路功能的驗證，同時要求學生通過改變電路參數、改變開關頻率以及負載的大小等方法觀測和分析電路工作性能和參數的變化。例如，波形失真、諧波分析和高頻噪聲等內容，在理論上比較難于理解，而通過實驗可以很直觀地對它們加深感性認識，起到了事半功倍的效果。
研究型實驗包括正弦波逆變電路實驗和開關電源實驗。正弦波逆變電路實驗融匯了逆變電路和PWM控制技術的核心內容。而開關電源采用交—直—交—直變換技術，是一種組合變流電路，包含整流、高頻逆變、隔離變壓和濾波等電路，體現出了電力電子技術及其課程教學的主要內容，對學生提煉電力電子技術課程教學的關鍵知識點有很大的幫助。這兩個研究型實驗對學生深入學習與理解電力電子技術有很大的作用。
對學有余力和有興趣的同學可以選作設計型實驗，如有源功率因數校正實驗等。同時，在原有實驗的基礎上增加了多項學生自主設計和動手的環節，充分滿足了學生自主實驗時的要求，避免了以往驗證型實驗中有些學生機械性地照搬實驗步驟的現象，調動了學生自主學習的積極性。
3、新型教學實驗平臺的特點
(1)主要控制電路采用先進的主流技術。自主設計的驅動及控制單元以DSP為核心，設計了多種控制模式與算法，具有多功能、全數字化的特點。該單元集調壓、調頻、斬波和正弦脈寬調制輸出等多種控制功能于一體，可以進行直流斬波、正弦逆變、倍頻逆變、開關電源和電機調速等多項實驗。
(2)模塊化和集成化的設計。實現了電力電子技術課程所需的從電路原理、控制器及被控對象到系統的多層次、多內容的實驗體系。整個實驗平臺結構緊湊，易于擴展，使用方便靈活，便于維護。
(3)安全性、易觀測性和易操作性的提高。充分注意強電實驗的特點，對絕緣和保護做了細致考慮; 合理地配置了觀測點和測量儀器，以便于實驗中各物理量的安全和準確提取，方便實驗驗證; 強化實驗安全教育和實驗操作規范，實驗指導書對安全問題進行了仔細的說明。
(4)實驗平臺的多功能化。為增加或組合綜合性和研究型實驗教學內容提供了有力的保障。實驗平臺還可以為本科生的專業實踐、綜合論文訓練和研究生的相關研究課題提供可靠的實驗環境，為大學生研究訓練計劃(Students Research Training，SRT)、設計大賽、課外科技活動等提供設備和技術支持，能不同程度地滿足廣大師生相關教學和科研的需求。
4、結語
本文就電力電子技術實驗教學內容體系的改革進行了探討，重點討論了實驗平臺和實驗內容的改革。通過兩年來的教學實踐，學生普遍反映通過該教學實驗平臺進行的教學實驗使得課堂理論知識得到了充分的驗證; 在實驗過程中，接觸了最新的電力電子器件和實驗方法，對硬件、電路和系統有了直觀的認識和了解，并通過解決實驗過程中遇到的問題，提高了分析問題和解決實際問題的能力，對強電不再感到懼怕，培養了創新意識以及科研開發的能力。


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