開放式電力電子技術實訓平臺的研究與設計

李祥來，顏漸德， 許志偉

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101；2.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411101)

開放式電力電子技術實訓平臺的研究與設計

李祥來1，2，顏漸德1， 許志偉1，2

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101；2.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411101)

電力電子技術課程實驗教學大多屬于演示性或驗證性實驗，限制了學生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).針對此種教學窘況，進行相關實驗教學改革和構建新型電力電子技術實訓平臺是非常必要的事情.本文探索并設計了具有易擴展、易組合、數(shù)字化的電力電子技術實訓平臺.該平臺主要包括直接直流變換電路和間接直流變換電路的實訓內容，完全滿足本科生對相關實驗實訓要求，對研究生培養(yǎng)和教師科研也有一定的幫助，滿足了實驗教學改革的綜合要求.

電力電子實驗； 實訓平臺；數(shù)字化；教學改革

電力電子技術在全世界范圍都是一個比較新興的學科，它與電氣工程(強電)、信息工程(弱電)、控制工程三大學科緊密交叉，是連接弱電和強電的橋梁，是目前最活躍、發(fā)展最快的新興學科之一[1]，是新能源發(fā)電和電力傳動與電力推進研究的關鍵技術，是發(fā)配電系統(tǒng)的核心，也是電氣類專業(yè)學生必須掌握的內容和技能.

目前電力電子技術課程實驗教學大都依托封閉的實驗平臺進行，該平臺上只能設置演示性或驗證性實驗，真正動手分析、設計、搭建、調試電路的機會幾乎沒有，限制了學生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2-4].為使電氣類大學生能夠在畢業(yè)后盡快適應繼續(xù)學習或工作的需求，在校期間應對其進行一定的工程實訓，培養(yǎng)學生在專業(yè)方向上的實際工作能力和創(chuàng)新能力這是非常必要的[5].

1 電力電子技術實訓平臺建設

在電力電子技術實訓平臺建設之前，我院電力電子實驗室的設備臺套數(shù)還是比較多的，有2000年浙江求是科技生產的電力電子技術及調速實驗裝置6套，有2008年浙江天煌教儀生產的電力電子技術及運動控制實驗裝置18套，雖然臺套數(shù)很多，但這些設備都有一些共同的問題，一是這些設備都只能進行驗證性實驗，二是設備故障率較高，并且是封閉掛件不便于維護.針對此種情況，結合我院的電力電子技術課程改革的要求，在深入研究電力電子技術電路原理和發(fā)展趨勢的基礎上，同時兼顧實驗教學的實際需要，綜合各任課老師的建議，構建了開放式電力電子技術綜合實訓平臺.

該實訓平臺采用模塊化設計，學生既可以快速上手，也可以通過不同的組合創(chuàng)造性的進行一系列的研究與設計.該平臺組成結構如圖1所示.

圖1 平臺結構框圖

由圖1所示平臺框圖所知，該平臺具有完善的控制電源系統(tǒng)、豐富的模塊電路、較為全面的負載和測量系統(tǒng)，是一個功能全面、性能優(yōu)良、學生能快速入手學習、實訓、設計的平臺.

2 模塊化電路設計

2.1 主電路設計

圖2 直接直流變換電路原理圖

圖2所示為直接直流變換中的降壓斬波變換電路，該電路的工作原理是可以分為兩個階段，當Q1導通是，輸入電源既給負載供電，也給電感L1充電，當Q1截止時，輸入電源不能向負載提供能量，負載只在電感L1和續(xù)流二極管D1的作用下，維持電流通道.根據(jù)做功的大小，可以判斷出，負載兩端的等效電壓肯定不會大于輸入電壓，故稱為降壓斬波.

該電路雖然原理簡單，但是學生通過此電路就能理解電力電子技術中電路最本質的要求，電壓變化與調整.為深層次電路的理解和設計提供導向.

圖3 間接直流變換——反激變換器原理圖

圖3為間接直流變換電路中的經典電路——反激變換電路，反激變換電路主要用于中小功率電源上，如電腦電源、手機充電器、家用電器輔助電源等.該電路的設計與調試具有一定的難度，要求學生具有較強的知識功底和實際動手能力，該平臺選擇該電路作為高階鍛煉具有非常重要的意義，通過這樣難度的鍛煉，使學生基本具備獨立設計、調試完整的電力電子電路.

2.2 驅動電路設計

驅動電路是電力電子主電路與控制電路的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個系統(tǒng)的性能有很大的影響.采用性能良好的驅動電路，可使電力電子器件工作在較為理想的開關狀態(tài)，減少開通和關斷損耗，對系統(tǒng)的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義.

圖4 分立元件組成的獨立驅動電路

驅動電路按元件屬性可以分為分立元件驅動電路和集成芯片驅動電路，分立元件驅動電路一般功能較簡單，成本較低，實際使用在電壓較低、功率器件容量較小、對成本控制嚴格的系統(tǒng)中；集成驅動電路功能更為全面、在電路設計上更為簡單，成本也較高.

綜合來講，分立器件組成的驅動電路更適合初學者的研究與學習，更能準確掌握驅動信號的變換過程，如電壓放大、功率放大等環(huán)節(jié).

2.3 檢測與控制電路設計

檢測電路性能的好壞關系到系統(tǒng)能否正常工作，檢測電路的輸出是系統(tǒng)工作指令的來源，是控制電路的直接命令者，檢測電路按輸出信號與被檢測信號之間是否具有直接的電氣聯(lián)系可以分為隔離型檢測電路和非隔離型電路，下面介紹一種采用霍爾傳感器進行電流隔離采樣的檢測電路.該電路如圖5所示，CN1代表霍爾電流傳感器的輸出端，傳感器信號側是通過三根線與外部鏈接的，兩根是電源線，要求供電為±12 V至±15 V，第三根為信號輸出端，信號輸出有直接電壓輸出的，也有采用電流形式輸出的，直接電壓輸出的信號調理電路相對簡單點，但易受傳輸距離的長度等因素干擾，電流輸出的抗干擾性、傳輸距離等都要好于電壓型的.圖5為采用電流形式輸出的電流傳感器，電流信號通過2號線輸出，經過R1取樣，把電流轉換為電壓信號.再通過U1、R4、R5、C6等進行信號的放大、濾波等調節(jié)，調制好的信號再送入單片機的A/D輸入端子.

檢測電路是電力電子電路實現(xiàn)閉環(huán)控制的核心，檢測電路的設計、信號的調理是學生掌握完整電力電子系統(tǒng)的必修環(huán)節(jié).

圖5 隔離型電流檢測電路

控制電路是系統(tǒng)的核心，根據(jù)處理信號的類型來分主要有模擬控制電路和數(shù)字控制電路.模擬控制電路一般用于單機控制，不需要與其它設備進行數(shù)據(jù)傳輸，價格便宜，系統(tǒng)功能單一，不便于擴展.數(shù)字控制電路是當前技術發(fā)展的趨勢和必然所在，數(shù)字控制技術能實現(xiàn)系統(tǒng)與其它設備進行數(shù)據(jù)交換，更能實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制與數(shù)據(jù)的實時顯示與保存，有助于系統(tǒng)的改造與升級.

把數(shù)字控制電路的設計與系統(tǒng)編程，確定為該實訓平臺建設的又一必修環(huán)節(jié)，學生通過該平臺的鍛煉，不僅可以把以前所學的單片機、C語言等課程好好復習，還能把理論知識與實際項目很好的結合起來.

圖6為基于DSPic33F主控芯片設計的最少數(shù)字控制電路.

圖6 數(shù)字化控制電路

3 平臺實驗實施流程

通過前述電路的分析與建設，此開放平臺具備了多式多樣的基本電力電子模塊電路.但距離一個完整的系統(tǒng)還有相當?shù)娜蝿?，在教學的工程中，采用任務加課題的模式來進行，所謂任務是每個同學應該對常見的基本電力電子電路要清楚，既要能夠分析出其中的原理，還應該能夠準確的把握電路的工作的狀態(tài).課題是要求每個做創(chuàng)新性實驗的同學應該有一個明確的目標，包括研究方法、研究內容、研究目標等都有一個詳細的計劃，這樣才能極大的發(fā)揮該開放平臺的作用.

4 平臺部分實物電路

經過實訓后，根據(jù)課題要求學生設計出如圖7、圖8所示的電路，這些電路都在具體的項目中表現(xiàn)出了應有的功能. 也體現(xiàn)了該實訓平臺具有很好的學習、鍛煉的作用.

圖7 數(shù)字控制主板

圖8 多路輸出反激變換電源系統(tǒng)

5 總結

(1)開放性電力電子實訓項目為電力電子技術實驗改革和實踐創(chuàng)新平臺建設提供了良好的實施環(huán)境.

(2)通過該平臺, 學生可對完整的電力電子電路的結構和基本原理建立一個較為全面的認識.對電力電子電路中的驅動電路、檢測電路、控制電路等內容有實質的認識.

(3)構建具有自主知識產權的直接直流變換電路、間接直流變換電路為主的電力電子技術實踐創(chuàng)新平臺，可以滿足優(yōu)秀本科生、研究生人才培養(yǎng)等相關項目的實施要求.

(4)電力電子技術實訓系統(tǒng)內容豐富，融合了當前的工程教育理念和企業(yè)項目開發(fā)流程，具有多層次、數(shù)字化、開放性的技術特點，效果顯著，具有推廣價值.

[1] 趙 濤，張麗華，徐開蕓，等．Pspice 在電力電子技術教學改革實踐中的應用[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2009,21(6):123-127.

[2] 胡少強,王智東,林聲宏.電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真綜合性實驗教學研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(7):81-82.

[3] 趙凱岐，蘭 海，杜春洋，等．新型電力電子技術實驗方法的研究[J]．實驗技術與管理，2009，26(9):32-35,46．

[4] 王春鳳，李旭春，薛文軒，等． 電力電子技術實驗教學改革的探索與實踐[J]． 實驗室研究與探索，2011，30( 9) : 127-129．

[5] 黃海宏，杜少武，張毅現(xiàn)代電源技術實驗平臺研制[J]．實驗技術與管理，2012，29(6)：66-70．

Research and Design of Open Power Electronic Technology Training Platform

LI Xiang-lai1,2，YAN Jian-de1，XU Zhi-wei1,2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104,China;2. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The experimental teaching of the power electronic technology course belongs to demonstration or validation experiments, limiting the student operational ability and innovation ability. With this teaching delima, reforming power electronic technology experimental teaching and constructing a new training platform are very necessary. In this article, a power electronic technology digital training platform has been designed with easy extension and combination. This platform mainly includes dc conversion circuit, direct and indirect dc conversion circuit, which fullys meet the requirements of undergraduate of relevant experimental training. It’s also helpful to graduate education and teachers’ scientific research. This platform meets the requirements of the comprehensive experimental teaching reform.

power electronics experiment; training platform; digitizing; teaching reform

2016-09-29

湖南工程學院青年科研項目(XJ1508)；湖南省教育廳創(chuàng)新平臺項目(15K031)；湖南工程學院博士科研啟動基金(15046)

李祥來(1985-)，男，碩士，助教，研究方向：電力電子技術、電機控制.

G642.0

A

1671-119X(2017)01-0028-04