面向应用型实践人才培养的电力电子技术实践创新平台研制

胡国珍， 马学军， 徐滤非

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院, 湖北 黄石 435000)

面向应用型实践人才培养的电力电子技术实践创新平台研制

胡国珍， 马学军， 徐滤非

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院, 湖北 黄石 435000)

为培养应用型实践人才,针对电力电子技术课程体系结构,研制了一种新型电力电子实践创新平台。平台由高校任课教师和实验技术人员共同设计制作,强化了实践教学改革,将理论教学和实践教学紧密联系,能较好地提高学生分析、设计和调试电力电子电路的实际操作能力,充分激发了学生创新能力。实践创新平台已应用于电力电子课程实践教学,教学效果良好。

电力电子线路； 课程体系； 实验平台； 教学改革

教育部《关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》和《关于地方本科高校转型发展的指导意见》中指出，实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键。地方本科院校应以培养既具有系统理论训练，又有一定技能的本科层次的应用技术人才为目标[1-4]，由此可知实验教学在高校人才培养中占据着重要的地位。与实践教学密切相关的实验仪器设备的配备标准也应随着行业和科学技术的发展而不断改革才能适应国家对创新型应用人才培养的要求。通常市场上成熟的实验平台难以满足工程应用技术和课程体系发展的需求,由高校任课教师和实验技术人员自行研制实验装置和平台，已逐渐成为当前实践教学改革的重要手段[5-6]。

1 电力电子技术实践创新平台开发必要性

电力电子及电力传动是实践性很强的学科,只有加强实践教学环节才能真正深化相关专业课程的学习。电力电子技术课程涵盖了器件、电路、控制等内容,在生产实践中应用广泛,其应用范围包括电机调速控制、电力系统的无功补偿、谐波治理、柔性交流输电、直流输电,以及新能源、电动汽车等领域[7-9]。电力电子技术实践教学平台应能适应科技、生产发展的需要。

目前相关市场供应商提供的电力电子技术教学平台主要以功能性验证实验为主,从外观上看,专业厂家生产的实验设备外形美观、操作方便,但从学生学习的角度来看,这种平台可视性较差,电子元器件藏在实验箱体内,学生看不到实验对象,无法了解器件实际形状和电路结构；同时这类实验平台功能电路连线内部已接好,学生仅需从面板进行简单接线,对提高动手能力帮助不大。因此,这类教学实验装置极大地限制了学生创新开发思维,难以充分发挥学生主观能动性。

为了体现专业特点,实现应用型人才培养目标,必须根据专业人才培养方案和课程体系设计合适的实践平台。自制实践平台按照教学内容制作不同功能模块,模块布局直观,冗余性强,方便学生进行实验测试。同时自制实验平台也方便维护,即使出现故障,实验教师也可自己维修,保障了实验设备完好率。

2 新型电力电子技术实践创新平台的开发及特点

2.1 课程特点

随着新的电力开关器件、新的电磁材料以及新的变换和控制技术不断出现,电力电子应用领域要求能量的控制和变换向高频率、高效率、高功率密度、高功率因数和高可靠性等方向发展,因此教学大纲和教学内容也应该不断变革和更新[10]。目前教学大纲内容已从晶闸管整流电路逐渐发展到整流、斩波、逆变和交流调压变频电路等内容。电力电子技术课程体系如图1所示。

图1 电力电子技术课程体系

为提高创新平台的应用性及可操作性,基于图1电力电子技术课程体系要求,设计时按照实验内容制作了功能全面的实验对象。平台的模块为自制,每个模块对应一块印刷电路板(PCB),电路板上仅包含电子元器件,而不包含测量仪表,测量仪表(如示波器,万用表等)由外部接入。同时负载和电源也由外部提供,电源采用隔离变压器和调压器接入。实践创新平台原理示意如图2所示。

图2 电力电子技术实践创新平台原理示意图

模块化电路设计学习方便直观,可以让学生掌握基本实验方法,培养基本实验技能,进一步可充分运用该平台对课程体系要求掌握的各种电路进行深入研究,掌握电路设计和调试方法,结合具体电路波形可分析实际电路参数与理论参数输出结果的差异性,从而将理论知识转化为工程实践能力。

2.3 创新平台优点及可靠性

2.3.1 创新平台优点

本平台可满足教学和科研需要,设备具有如下优点。

2010～2015年乡镇卫生院人员配置趋势，从性别分析，女性占比呈现上升趋势；从年龄分析，34岁以下的卫生技术人员逐渐减少，35～44岁以及60岁以上的逐渐增加，截止2015年底，25～44岁占比最大，为70.57%，60岁以上占4.18%；从学历分析，大专及以上的人员构成逐渐增加，截止2015底，主要以大专、中专及中技为主，占比分别为41.33%和42.62%。本科及以上学员占12.00%，大专及以上学历占53.33%；从职称分析，职称构成变化趋势不明显，截止2015年，以师级/助理为主，占39.18%，中级占22.40%，正高级和副高级职称占比相对较少，分别为0.09%、1.18%。

(1) 经济性。目前国内电力电子实验平台定价偏高,其功能不一定满足教学和科研需要,而自行研制的创新平台功能齐全，价格经济。

(2) 为学生和教师提供了相当大的自由度,可以根据设计的需要进行硬件设计和软件开发,直至最后的软硬件测试。用于教学能够有效地提高学生的动手能力,开拓学生的创新性思维。

(3) 创新平台功率裕量大,配置齐全；装置经过组合设计,其参数特性能模拟实际应用需要。

(4) 创新平台电路模块布局明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开，插头不能互插,避免强电接入弱电设备,造成该设备损坏。

2.3.2 创新平台的可靠性措施

平台主要面向学生进行综合性及设计性实践教学,学生对装置熟练程度不同,因此必须保证较高的可靠性,设计中通过以下环节来进行有效保障。

(1) 供电采用三相变压器隔离,平台设有电压漏电保护装置和电流漏电保护装置,切实有效保护操作者的人身安全,为开放性实验室创造了前提条件。

(2) 实验连接线采用强、弱电插头分开,两者不能互插,避免强电接入弱电设备,造成该设备损坏。

(3) 电压电流软件保护。每个模块设置了软件电压电流保护,一旦发现过压过流,系统自动封锁驱动信号,有效地防止了器件损坏。

(4) 可靠的硬件短路保护。系统大部分电源由单端反激辅助电源提供,根据反激式电源特性,输出端短路时,通过控制调节自动封锁脉冲,自动阻断能量输出,从而防止短路引起器件损坏。

3 实践创新平台结构及功能

3.1 系统结构及接口

创新平台外部设计了方便快捷的人机界面,采用17.8 cm(7寸)触摸屏,开关机、电路功能选择、控制参数设定、输入输出参数等均可通过触摸屏设置。平台内部由直流变换器板、三相不控整流板、三相PWM驱动板、检测驱动保护板、直流变换器板、DSP控制板、控制辅助电源板、4路24 V辅助电源板等模块组成。设计的电路有三相不控整流电路、继电器整流电路、相控整流主电路、逆变主电路等。内部结构如图3所示。

图3 电力电子技术实践创新平台内部结构图

3.1.1 系统电源接口

系统输入为三相四线ABCN供电,通过调压器给相控整流主电路和逆变主电路供电。其他部分电源由辅助电源提供,系统含两块辅助电源,其中一块为控制电路提供+5 V和+/-12 V供电；另一块给驱动提供4路+/-24 V供电,提供1路给相控驱动板,另1路给直流变换器板提供输入直流电源。电源接口示意图如图4所示。

图4 系统电源接口示意图

3.1.2 系统信号接口

(1) 驱动信号接口。系统信号接口如图5所示。实验平台采用DSP控制,DSP控制板根据电路功能不同可选发出驱动信号,最多可同时发出12路驱动信号(PWM123/AB, PWM456/AB),PWM123/AB通过三相PWM驱动板；转换为隔离PWM驱动信号T1AB、T2AB、T3AB, PWM456/AB通过三相相控驱动转换为电流型触发信号VT1-VT6。直流变换器部分,Boost、Buck、正激电路只需单管驱动,驱动信号为T1A,半桥电路为上下对称双管驱动,驱动信号为T1AB、全桥电路为2个桥臂驱动,驱动信号为T1AB、T2AB。全桥逆变电路部分,单相电路为T1AB、T2AB,三相电路为T1AB、T2AB、T3AB。相控整流电路部分,单相半波整流驱动为VT1,单相全桥相控电路上管驱动为VT1/3,下管驱动为VT4/6,三相全桥相控整流电路上管驱动为VT1/3/5,下管驱动为VT4/6/2。

图5 系统信号接口图

(2) 信号检测接口。为完成电路闭环控制,各部分电路均包含输入电压检测、输出电压和电流检测,检测信号通过差分检测电路或霍尔传感器进入检测驱动保护板,然后通过板上调理电路到DSP控制板,通过数字控制器完成系统的闭环控制和过压、过流保护功能。

3.2 主要实验项目

设计的电力电子实践创新平台主要可分3个功能模块:直流斩波电路模块、相控整流电路模块、正弦脉宽调制逆变电路模块,可完成40余个电力电子及电力传动方面的实验。系统设计功率裕量较大,可在此基础上根据科研需求进行变换装置的二次开发。

(1) 逆变电路模块。逆变系统电路示意图如图6所示。

图6 逆变系统电路示意图

在图6中，正弦脉宽调制逆变电路模块由三相四线ABCN输入,经调压器为三相不控整流桥提供直流电源,开关管T1—T6组成三相逆变电路,输出采用三相LC滤波。为了防止上电时电流过大，对输入直流电容过冲设计了上电启动电路,上电时依次合上S1、S2、S3,上电结束后时间继电器切断R1、R2。此模块可完成单相和三相正弦脉宽调制逆变电路的特性研究。

(2) 相控整流电路模块。相控整流电路模块采用三相四线输入电源,晶闸管Q1—Q6组成三相相控整流电路,VT1—VT6为6路触发脉冲。主电路和接口电路采用继电器跳线控制选择,能够通过不同组合实现单相半波相控整流电路、单相全桥相控整流电路、三相全桥相控整流电路的功能；相控整流电路模块采用的电路能够拓扑、变形,有冗余度,能够完成单相和三相相控整流电路的性能研究。相控整流电路示意图如图7所示。

图7 相控整流电路示意图

(3) 直流变换电模块。直流变换电路模块采用24 V直流电源输入,T1A、T1B、T2A、T2B为四路直流驱动接口,MOSFET QA1—QA4组成全桥逆变电路,输出采用高频变压器隔离,副边由二极管DA1、DA2组成全波整流电路。直流变换电路模块根据继电器通断不同接口,从而实现不同的直流变换电路的功能。 直流变换电路如图8所示。

图8 直流变换电路示意图

4 结语

电力电子创新平台由任课教师和实验技术人员共同设计制作,更能体现教学需求;平台复杂程度低,元器件布局合理,连接方便,学习更直观,具备教学和科研的双重价值。该平台可针对工科高校本科电气信息类、控制类、自动化类的实验教学及科研需求,适合于电力电子应用于数字控制的实验和技术研究,可以让学生或科研人员掌握基本实验方法与电路调试技能,并在此基础上充分运用实验设备对各种电路进行深入研究。近年来,通过在该平台上对学生进行实践能力训练,学生能较好地掌握电源的设计及调试,在校生多次在全国电子大赛中获奖,毕业后很多学生进入电源行业就业,用人单位好评度较高。

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[10] 李先允,廖德利,许峰,等.应用型本科“电力电子技术”教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2011(4):118-121.

Development of power electronic practice innovation platform for practical talents training

Hu Guozhen， Ma Xuejun， Xu Lüfei

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi 435003， China)

To cultivate the applied talent, a new type of power electronic practice innovation platform has been developed based on power electronic technology course framework. The platform was made by teachers and laboratory technicians, which can strengthen the practice teaching reform, closely combine the theory teaching with practical teaching and improve actual operation ability of students’ analysis, design and debugging power electronic circuits, fully arouse the students’ innovative ability. Practical innovation platform has been applied in the practical teaching of power electronics course, and the teaching effect is good.

power electronic circuit; course system; experimental platform; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.008

2016-07-27

中国博士后科学基金第59批面上资助

胡国珍(1979—)，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子能量变换技术.

E-mail:hgz_hs@163.com

G642.0

A

1002-4956(2017)1-0033-05