电力电子技术综合实验平台的研究与建设

梁 梅 胡少强 王智东

华南理工大学电力学院 广东广州 510641

电力电子技术在全世界范围都是一个比较新兴的学科，是新能源并网和电能质量研究的关键技术，是发配电系统的核心，也是电气类专业学生必须掌握的内容和技能。电力电子技术课程教学内容多、信息量大，既涉及电力工程知识、又涉及电子和计算机知识，是理论性和实践性非常强的专业课程。目前，在智能电网、节能、电磁兼容等方面大量应用，要求学生能根据千变万化的需求和实践设计解决方案，熟练掌握其非线性的特征及应用。

目前电力电子技术课程实验教学大都依托实验平台进行，基本上只设置演示性或验证性实验，真正动手设计、搭建、调试电路的机会并不多，限制了学生动手能力和创新能力的培养[1]。

1 传统实验存在的问题

开展实验，需有相应的实验设备和实验平台支持，实验的开设和设备的选择要做到“两个结合”[2]。一方面，实验要结合理论知识；另一方面，实验要结合工程实践，避免和工程实践脱节[3]。但目前高校开设的电力电子实验普遍存在着实验与理论结合不紧密、实验与生产实践脱节的问题，主要体现在：

(1)传统的电力电子实验与实验平台相结合的问题。传统的电力电子元器件、整流逆变电路等有具体形象[4]、易于被学生接受，但在实际应用过程中已基本实现模块化封装。因此实验平台的设计，既要兼顾传统元器件的形态，又要突出相关模块的应用与实践。

(2)如何开展电力电子技术实验，让学生从硬、软件上掌握电力电子技术的知识。从硬件平台上看，当前的实验只是“静态”地向学生介绍电路工作过程，而没有让学生参与到电路原件分析、电路拓扑分析和动态工作过程分析，在仿真与模拟实验方面更是空白。按照研究的理念，学生应该选择自己感兴趣的问题进行深度分析，从而形成自己独特的研究方法，这需要有良好的实验平台作为支撑。

(3)如何将新技术融入实验中。电力电子技术向着高度的模块化、集成化以及应用多元化的方向发展。智能电网、节能、电磁兼容等技术推动着电力电子技术飞速发展。因此，实验平台的设计应比较先进而且留有升级和进一步扩展的接口。

2 可视灵活的综合实验平台

在电力电子技术综合实验平台建设之前，我院电力电子实验室的设备比较陈旧。针对该情况，在深入研究电力电子技术实现原理和发展趋势的基础上，考虑到实验教学的实际需要，构建了电力电子技术综合实验平台。

综合实验平台主要由PC机、MCL系列电力电子试验台、拓展板、测量设备等组成(如图1所示)。整个综合平台采用标准化的模块结构，PC机可通过数据线与实验台相连，PC机运行电力电子技术实验管理软件和EWB仿真软件。实验过程中，学生可以根据需要进行模块的自由组合、拓展板设计来完成实验电路的搭建和调试。综合平台具有良好的可扩展性，可以根据实验室建设规模灵活地配置实验台的数目，主要包括：

图1 电力电子综合实验平台结构图

(1)信号电源。经过过流、过压、漏电等保护电路，再分别通过调压、变压、稳压电路得到的交流可调电源、多路直流稳压电源及斩波信号源、逆变信号源、同步信号源等，为不同的实验电路提供不同的电源信号。

(2)实验电路部分根据不同的电力电子器件及不同的电力变换电路。分别设计了不同的相对独立的实验单元挂箱。各实验单元电路原理清晰、可操作性强、效果直观。

(3)类型齐全的电力电子元器件，可以进行GTR，MOSFET，IGBT，GTO的开关特性及其驱动电路、缓冲和保护电路相关实验。

(4)直流电动机、发电机模块。在进行直流调速系统实验时，除可用常规的由运算放大器构成的PID调节器进行控制外，还可和计算机相连，由上位机进行数字控制，并采集转速曲线和电流反馈信号，通过计算机对调速系统的参数进行调节，对转速等动态波形进行分析。

(5)实验台对PC以及其他拓展板的各种标准化接口。

(6)数字仪表、开关和按钮等辅助设备。

综合实验平台有以下主要特点：

(1)设备齐全，包括常规的电力电子元器件，配备了电机、变压器和电路拓扑等模型，还可以在PC机上自行仿真电路并将虚拟模块信号传送到实验台。学生可以自行设计电路模块，并使相关模块与平台相连，提高动手能力。

(2)PC机上可利用EWB等软件设计电力电子技术课程中的许多电力电子电路仿真实验，如单相/三相晶闸管相控整流电路、电容滤波不可控整流电路、DC-DC升/降压电路等。

(3)实现实验台与PC机、拓展板的标准化数据通讯，方便教学实验，避免以往实验存在电力电子元器件、电路拓扑不易修改的问题。

(4)配有各种信号灯及音响，提醒实验的学生注意当前的实验运行情况，保证接错线时不会损坏平台，解决了实验设备容易损坏而不敢让学生动手实验的问题。

3 实验管理

如何进行电力电子实验是难点和重点，当前的电力电子实验把重点放在讲解理想元器件在理想信号下的标准工作过程，仅简单地重现了理论课的内容，既锻炼不了学生的实验能力，也无法提高学生的学习积极性。针对这种问题，应用实验管理软件，存放着学生自己设计的实验过程，可让学生自己动手参与实验的设计。