應(yīng)用型獨(dú)立學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的探討

徐祖平　郭偉

[摘要]電力電子技術(shù)是電力電子行業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，首先分析了電力電子行業(yè)的現(xiàn)狀與企業(yè)對(duì)電力電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生技能的需求，然后結(jié)合應(yīng)用型獨(dú)立學(xué)院的培養(yǎng)方案，根據(jù)通達(dá)學(xué)院電力電子綜合實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備情況，介紹如何通過自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及仿真軟件等措施，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)案例以及考核方式，使學(xué)生能夠熟練掌握電力電子技術(shù)的變換過程和控制方法，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生能與企業(yè)接軌。

[關(guān)鍵詞] 電力電子技術(shù);課程設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]? G642????? ?? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A????????? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2018）34-0106-02

電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的一種電子技術(shù)[1]，包括整流、逆變、直流斬波、交交變換四種基本電路。其從二十世紀(jì)開始快速發(fā)展，目前在電力系統(tǒng)、新能源、工業(yè)控制、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種無(wú)處不在的技術(shù)，比如，在電力系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)柔性輸配電、電網(wǎng)儲(chǔ)能、電能質(zhì)量治理等功能;在電氣傳動(dòng)行業(yè)可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速、直流驅(qū)動(dòng)等功能;在家用電器中基于電力電子技術(shù)的開關(guān)電源已經(jīng)普遍使用。

因此，當(dāng)前不管是傳統(tǒng)的電力企業(yè)或者新型的電力電子企業(yè)都需要大量的電力電子工程師，同時(shí)電力電子技術(shù)又是一門實(shí)驗(yàn)和理論并重的技術(shù)。企業(yè)需要學(xué)生具有較深的理論基礎(chǔ)，同時(shí)要有很強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，包括編程、測(cè)試、電路設(shè)計(jì)能相關(guān)能力。這就要求學(xué)校在培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)候要理論與實(shí)踐雙管齊下。通過合理的案例設(shè)計(jì)讓學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，為學(xué)生與企業(yè)接軌做好橋梁作用。

課程設(shè)計(jì)作為工科實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)中更應(yīng)該占據(jù)十分重要的位置，然而如何提高課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量是我們值得思考的問題，這其中如何選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例都是重點(diǎn)問題。本文介紹了一種自制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過此平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)案例，很大程度上提高了課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，充分發(fā)揮了學(xué)生的自主動(dòng)手能力。

一、傳統(tǒng)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的狀況

以南郵通達(dá)學(xué)院為例，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)大多數(shù)均是基于“TKDD-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展的，屬于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是臺(tái)式設(shè)備，主要元器件都封裝在模塊里，學(xué)生不能直觀觀察電路，同時(shí)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只要按照指導(dǎo)書完成簡(jiǎn)單的接線工作就能快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生并不能深入了解電路的工作機(jī)制，同時(shí)固定的接線方式也限制了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，不能充分發(fā)揮學(xué)生的思維，很難達(dá)到實(shí)踐反哺理論的作用。

二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺陷，本文自制了一套電力電子課程設(shè)計(jì)平臺(tái)。考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性以及實(shí)際的可操作性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均是基于小功率負(fù)載設(shè)計(jì)。如圖1所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，主要包含主電路和控制電路兩部分?？刂破魇褂脝纹瑱C(jī)開發(fā)板，實(shí)驗(yàn)室提供部分主電路。學(xué)生需要根據(jù)課程設(shè)計(jì)的具體要求自行設(shè)計(jì)電壓/電流采樣電路以及驅(qū)動(dòng)電路。

為了讓學(xué)生充分了解電力電子技術(shù)電能變換的原理以及對(duì)應(yīng)的控制方法，能過通過查閱器件和芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，利用所學(xué)的模電、數(shù)電、電路、單片機(jī)等課程，獨(dú)立完成電力電子設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)。因此本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主電路，此平臺(tái)基本包含電力電子基本技術(shù)點(diǎn)，同時(shí)了也緊跟當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展方向，做到理論聯(lián)系實(shí)際并貼近生活。本方案分為三個(gè)部分：（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（雙向DC/DC）。a.光伏電池通過雙向DC/DC給蓄電池充電：b.蓄電池通過雙向DC/DC給直流母線供電。（2）提高實(shí)驗(yàn)（單相逆變器），通過DC/AC變換器把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。（3）后續(xù)實(shí)驗(yàn)（并網(wǎng)雙向AC/DC）。具體要求：

1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：

充電部分：光伏電池（17V）到蓄電池（12V，12Ah）

（1）使用恒壓限流的充電方式，恒壓（14.8V），限流（0.24A），當(dāng)電池慢慢上升到14.8V后變成恒壓充電，當(dāng)電流下降到0.05A，則認(rèn)為電池充電完成。

（2）使用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電壓和電流，同時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)（正在充電/充電完成）。

（3）設(shè)備具有過壓、過流、過溫保護(hù)，使用LED作為報(bào)警指示。

（4）電池充電可實(shí)現(xiàn)MPPT控制（加分項(xiàng)目）。

放電部分：（使用LED作為測(cè)試負(fù)載）

（1）輸出電壓24V穩(wěn)壓控制，輸出最大電流0.5A。

（2）具有過壓、過流保護(hù)功能。

（3）使用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電壓和電流。

2.提高實(shí)驗(yàn)：（使用水泥電阻作為測(cè)試負(fù)載）

（1）直流母線電壓24V。

（2）交流側(cè)輸出電壓12V（有效值），電壓精度±0.5，諧波含量小于3%。

（3）具有過壓、過流保護(hù)功能。

（4）使用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電壓和電流（有效值）。

三、仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

為了驗(yàn)證學(xué)生方案設(shè)計(jì)的可行性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)每個(gè)控制環(huán)節(jié)的理解，仿真軟件的使用不可避免。本課程設(shè)計(jì)使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，通過搭建電路模型進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證電路，既可以降低實(shí)驗(yàn)成本，又可以加強(qiáng)對(duì)電路的理解。以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例搭建如圖3所示的雙向DC/DC電路，通過仿真軟件可以很方便地改變占空比和每個(gè)器件的工作狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)觀察每個(gè)元器件的工作波形，可以很直觀地理解電路的工作機(jī)制。在此基礎(chǔ)上能夠幫助學(xué)生快速地設(shè)計(jì)控制電路，完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論

為了符合當(dāng)前企業(yè)對(duì)電力電子技術(shù)人才的需求，強(qiáng)調(diào)了課程設(shè)計(jì)在《電力電子技術(shù)》教學(xué)過程中的重要性，同時(shí)為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和案例設(shè)計(jì)上的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幾乎涵蓋電力電子技術(shù)的所有基本工作原理，在此平臺(tái)上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、提高實(shí)驗(yàn)、后續(xù)實(shí)驗(yàn)三個(gè)不同要求的實(shí)驗(yàn)，能夠滿足各種不同需求的學(xué)生。既可以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手測(cè)試能力，儀表、儀器的使用能力，同時(shí)又可以培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力，與應(yīng)用型獨(dú)立學(xué)院的培養(yǎng)方案相契合，從而滿足社會(huì)需求。

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◎編輯 張 慧