電力機(jī)車變流技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

段 鑫，燕 延，陳保平，李 騰

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.太原鐵路局 房建段，山西 太原 030000)

電力機(jī)車變流技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

段 鑫1，燕 延1，陳保平1，李 騰2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.太原鐵路局 房建段，山西 太原 030000)

為解決現(xiàn)有電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能滿足教學(xué)需要的問題，設(shè)計(jì)并制作綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)包括傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并與先進(jìn)電力機(jī)車變流技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力機(jī)車變流系統(tǒng)的模擬。滿足本科生實(shí)驗(yàn)操作以及研究生科研創(chuàng)新的要求，成效顯著。

電力電子技術(shù)；綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；變流技術(shù)

電力電子技術(shù)作為一門多門學(xué)科的交叉學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域正從傳統(tǒng)的角色向更多朝陽產(chǎn)業(yè)進(jìn)行拓展，特別在機(jī)車牽引與軌道交通領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。因此，一些復(fù)雜的控制算法被應(yīng)用到電力電子控制領(lǐng)域，如非線性控制、模糊邏輯控制、自適應(yīng)控制等。這些復(fù)雜控制算法的使用，使得電力電子技術(shù)的工作性能得以改變，適用于更多的發(fā)展領(lǐng)域[1]。因此，對(duì)于電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)更加不能忽略，然而目前電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)還只是停留在教師做學(xué)生看、單一知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證的階段，嚴(yán)重地忽視了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。應(yīng)對(duì)其進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)改革，以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩方面的支持，對(duì)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)需要做到兩個(gè)結(jié)合，一是實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)相結(jié)合；二是實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐工程相結(jié)合[2]。只有這樣才能真正地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的效果。然而，目前電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)存在與先進(jìn)理論知識(shí)脫節(jié)、與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合不緊密以及綜合性較差等問題：

1)傳統(tǒng)的電力電子實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合的問題。傳統(tǒng)的電力電子元器件、整流逆變電路，不僅在書本上具有圖像的展示而且其本身具有具體形象，易于記憶，容易被學(xué)生認(rèn)知、接受，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中已基本實(shí)現(xiàn)模塊化封裝[3]。因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，既要兼顧傳統(tǒng)元器件的形態(tài)，又要突出相關(guān)模塊的應(yīng)用與實(shí)踐。

2)如何開展電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從硬、軟件上掌握電力電子技術(shù)的知識(shí)。從硬件平臺(tái)上看，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)只是向?qū)W生介紹電路工作過程，而沒能夠讓學(xué)生真正的參與到電路器件性能分析、主電路分析和動(dòng)態(tài)工作過程分析，在仿真與模擬實(shí)驗(yàn)方面更是空白。按照研究的理念，學(xué)生應(yīng)該選擇自己感興趣的問題進(jìn)行深度分析，從而形成自己獨(dú)特的研究方法，這需要有良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為支撐。

3)如何將新技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)中。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展，在智能電網(wǎng)、電磁兼容、節(jié)能等方面得到快速發(fā)展；同時(shí)，隨著電力器件的發(fā)展，電力電子技術(shù)對(duì)電力機(jī)車的發(fā)展起到了促進(jìn)作用[4]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)與當(dāng)今流行的實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合同時(shí)留有升級(jí)和進(jìn)一步擴(kuò)展的接口。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足之處，在深入研究電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需求，并與當(dāng)今發(fā)展迅速的電力機(jī)車變流技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了具有綜合性、創(chuàng)新性的電力機(jī)車變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電力機(jī)車變流技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括交直交傳動(dòng)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、操作平臺(tái)設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)三部分。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

2.1 交直交傳動(dòng)系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

交直交傳動(dòng)系統(tǒng)主電路主要包括四象限整流器、中間環(huán)節(jié)、四象限逆變器、異步電機(jī)以及信號(hào)采集電路五個(gè)模塊。主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1)四象限整流器、四象限逆變器硬件設(shè)計(jì)。采用智能功率模塊SPM45系列，為提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用性，因此采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將四象限整理器和四象限逆變器單獨(dú)制作成為兩個(gè)獨(dú)立的多層板，并設(shè)有連接接口方便與其他部分連接，拓展實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)并制作出的電路板如圖3所示。

2)采集電路以及調(diào)理電路設(shè)計(jì)。為保證系統(tǒng)能夠工作在牽引、制動(dòng)兩種工作狀態(tài)，需要對(duì)四象限整流器、中間環(huán)節(jié)以及四象限逆變器中的電壓和電流進(jìn)行采集。因此信息采集電路的設(shè)計(jì)尤為重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，分別采用電壓型霍爾傳感器模塊以及電流型霍爾傳感器模塊進(jìn)行檢測。其電路原理圖如圖4、圖5所示。

圖5為電流采集電路原理圖，采用基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器ACS712對(duì)電流測量。ACS712既可以測量交流也可測量直流，輸出電壓與所測量的交流或直流成比例，同時(shí)與芯片的供電電源電壓成比例，便于進(jìn)行軟件計(jì)算。從霍爾傳感器模塊出來的信號(hào)比較復(fù)雜，需要經(jīng)過調(diào)理電路才能輸出給A/D轉(zhuǎn)換芯片，其電壓、電流調(diào)理電路如圖6、圖7所示。

3)電源模塊硬件設(shè)計(jì)。電源模塊是為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)模塊供電，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需要的直流電壓有3.3 V、5 V和15 V。其中直流5 V電壓為智能功率芯片、電流傳感器和運(yùn)放放大器提供電壓，該電壓由外接開關(guān)電源模塊提供。3.3 V電源為主控芯片供電，該電壓在本設(shè)計(jì)中由低壓差線性調(diào)壓器LM1117-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?.3 V。15 V電源為智能功率芯片提供電壓，該電壓由PTN78000W將5 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?5 V。電源模塊設(shè)計(jì)如圖8所示。

4)電容電感設(shè)計(jì)。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)的過程中，交流側(cè)電感的選擇以及直流側(cè)電容的選擇是至關(guān)重要的。對(duì)于交流側(cè)電感而言，其大小將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)、系統(tǒng)輸出功率、直流側(cè)電壓等方面產(chǎn)生影響。電感大小的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，em為電網(wǎng)電壓峰值；Ts為整流器的控制開關(guān)周期；im為網(wǎng)側(cè)相電流的基波峰值；Δimax為諧波電流的最大允許值。

通過大量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論公式計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇2 mh。

對(duì)于直流側(cè)電容而言，其型號(hào)的選擇直接影響到直流側(cè)電壓對(duì)給定電壓的追隨性以及輸出電壓的穩(wěn)定性。電容大小的計(jì)算公式如下：

(2)

通過大量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇2 800 μF。

2.2 交直交傳動(dòng)系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

傳動(dòng)控制單元采用目前先進(jìn)的STM32F4作為核心控制芯片，采用了IFCO間接磁場定向控制方式及SVPWM調(diào)制方式，輸出PWM波，完成對(duì)交直交傳動(dòng)主電路的控制。并且采用CAN總線完成數(shù)據(jù)傳輸。控制電路的硬件系統(tǒng)框圖如圖9所示。 考慮到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的層次性以及可二次開發(fā)的特點(diǎn)，采用模塊化方式設(shè)計(jì)主電路模塊，便于對(duì)系統(tǒng)主電路不同部分進(jìn)行控制。

2.3 遠(yuǎn)程控制臺(tái)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交直交系統(tǒng)的控制，需要對(duì)運(yùn)作過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)故障，故障指示燈及時(shí)地亮起，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、處理故障。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)具有保存數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)的功能，將實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)出到excel表格中，便于進(jìn)行下一步的研究。本部分的設(shè)計(jì)主要采用NI公司開發(fā)的LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)界面的編寫[5]。檢測界面如圖10所示。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)勢

3.1 應(yīng)用層次廣泛性

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅適用于學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)課程的主要專業(yè)，如電氣工程專業(yè)，自動(dòng)化專業(yè)等電氣專業(yè)，同時(shí)還適用于其他非主要專業(yè)，如電子信息工程專業(yè)；同時(shí)，既可以滿足優(yōu)秀本科生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的拓展，又可以滿足碩士研究生進(jìn)行科研創(chuàng)新。

3.2 擴(kuò)展性

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)、制作的過程中，考慮到不同層次的實(shí)驗(yàn)者，在設(shè)計(jì)過程中，將交直交傳動(dòng)系統(tǒng)的主電路部分進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，將其分為四象限整流器部分、逆變器部分以及電機(jī)控制部分，并且每一部分都有自己的核心控制模塊，這樣既可以單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又可以將各個(gè)模塊連接起來進(jìn)行綜合性的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，采用可編程器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，?duì)程序進(jìn)行編寫，可供優(yōu)秀本科生和碩士研究生進(jìn)行科研創(chuàng)新。

3.3 創(chuàng)新性

創(chuàng)新性的填補(bǔ)了目前實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與電力機(jī)車變流技術(shù)相結(jié)合的空白。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參照機(jī)車、動(dòng)車牽引變流典型電路，制作出電力機(jī)車變流電路模型。將電力電子技術(shù)課程知識(shí)與實(shí)際電力機(jī)車變流技術(shù)相結(jié)合，有效地彌補(bǔ)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的不足，在實(shí)驗(yàn)過程中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，動(dòng)手去做，想法得到驗(yàn)證。通過思考、創(chuàng)新、動(dòng)手驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果這四個(gè)過程，使得教學(xué)質(zhì)量大大提高。

4 結(jié)束語

電力電子技術(shù)作為一門多門學(xué)科的交叉學(xué)科，同時(shí)又是當(dāng)今多種新型項(xiàng)目的知識(shí)基礎(chǔ)，因此對(duì)于電力電子技術(shù)知識(shí)的教學(xué)質(zhì)量必須有所提高，緊跟時(shí)代的前沿。只有這樣才能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，解決學(xué)生所學(xué)知識(shí)與實(shí)際項(xiàng)目工程相脫離的問題。對(duì)于電力機(jī)車綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可以大大地提高教學(xué)質(zhì)量，有效地將當(dāng)今主流的電力機(jī)車變流技術(shù)與電力電子技術(shù)知識(shí)相結(jié)合。使電氣類專業(yè)的學(xué)生對(duì)于電力電子技術(shù)知識(shí)有更加直觀的理解，更加深刻的認(rèn)識(shí)以及更加實(shí)際的應(yīng)用。

[1] 楊穎.以學(xué)生為本創(chuàng)新電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(6)：80-83.

[2] 王智東，梁灼勇，王鋼.電氣工程專業(yè)微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(4)：151-155.

[3] 梁梅.電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與建設(shè)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，15(13)：16-17.

[4] 周江濤.交直交—交直綜合傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[5] 董如金.基于LabVIEW的電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2011.

DesignandDevelopmentofElectricLocomotiveConverterTechnologyIntegratedExperimentPlatform

DUAN Xin1， YAN Yan1， CHEN Bao-ping1， LI Teng2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China;2.Housing Section, Taiyuan Railway, Taiyuan030000, Shanxi, China)

Devices for power electronic technology experiment are generally backward and fail to satisfy the need of teaching and technology development nowadays. The design and manufacture of comprehensive experimental platform combined with traditional experiment and advanced electric locomotive converter technology. This platform realized the operation of converter system of electric locomotive. The platform is used for experimental operation of undergraduate and research and innovation of graduate.

power electronics technology; comprehensive experimental platform; converter technology

2017-04-28

段鑫(1991-)，女，河北邢臺(tái)人，碩士，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)研究，E-mail：524762983@qq.com。

U264-46

A

1008-9446(2017)06-0047-05