开放式电力电子技术实训平台的研究与设计

李祥来，颜渐德， 许志伟

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411101)

开放式电力电子技术实训平台的研究与设计

李祥来1，2，颜渐德1， 许志伟1，2

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411101)

电力电子技术课程实验教学大多属于演示性或验证性实验，限制了学生动手能力和创新能力的培养.针对此种教学窘况，进行相关实验教学改革和构建新型电力电子技术实训平台是非常必要的事情.本文探索并设计了具有易扩展、易组合、数字化的电力电子技术实训平台.该平台主要包括直接直流变换电路和间接直流变换电路的实训内容，完全满足本科生对相关实验实训要求，对研究生培养和教师科研也有一定的帮助，满足了实验教学改革的综合要求.

电力电子实验； 实训平台；数字化；教学改革

电力电子技术在全世界范围都是一个比较新兴的学科，它与电气工程(强电)、信息工程(弱电)、控制工程三大学科紧密交叉，是连接弱电和强电的桥梁，是目前最活跃、发展最快的新兴学科之一[1]，是新能源发电和电力传动与电力推进研究的关键技术，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.

目前电力电子技术课程实验教学大都依托封闭的实验平台进行，该平台上只能设置演示性或验证性实验，真正动手分析、设计、搭建、调试电路的机会几乎没有，限制了学生动手能力和创新能力的培养[2-4].为使电气类大学生能够在毕业后尽快适应继续学习或工作的需求，在校期间应对其进行一定的工程实训，培养学生在专业方向上的实际工作能力和创新能力这是非常必要的[5].

1 电力电子技术实训平台建设

在电力电子技术实训平台建设之前，我院电力电子实验室的设备台套数还是比较多的，有2000年浙江求是科技生产的电力电子技术及调速实验装置6套，有2008年浙江天煌教仪生产的电力电子技术及运动控制实验装置18套，虽然台套数很多，但这些设备都有一些共同的问题，一是这些设备都只能进行验证性实验，二是设备故障率较高，并且是封闭挂件不便于维护.针对此种情况，结合我院的电力电子技术课程改革的要求，在深入研究电力电子技术电路原理和发展趋势的基础上，同时兼顾实验教学的实际需要，综合各任课老师的建议，构建了开放式电力电子技术综合实训平台.

该实训平台采用模块化设计，学生既可以快速上手，也可以通过不同的组合创造性的进行一系列的研究与设计.该平台组成结构如图1所示.

图1 平台结构框图

由图1所示平台框图所知，该平台具有完善的控制电源系统、丰富的模块电路、较为全面的负载和测量系统，是一个功能全面、性能优良、学生能快速入手学习、实训、设计的平台.

2 模块化电路设计

2.1 主电路设计

图2 直接直流变换电路原理图

图2所示为直接直流变换中的降压斩波变换电路，该电路的工作原理是可以分为两个阶段，当Q1导通是，输入电源既给负载供电，也给电感L1充电，当Q1截止时，输入电源不能向负载提供能量，负载只在电感L1和续流二极管D1的作用下，维持电流通道.根据做功的大小，可以判断出，负载两端的等效电压肯定不会大于输入电压，故称为降压斩波.

该电路虽然原理简单，但是学生通过此电路就能理解电力电子技术中电路最本质的要求，电压变化与调整.为深层次电路的理解和设计提供导向.

图3 间接直流变换——反激变换器原理图

图3为间接直流变换电路中的经典电路——反激变换电路，反激变换电路主要用于中小功率电源上，如电脑电源、手机充电器、家用电器辅助电源等.该电路的设计与调试具有一定的难度，要求学生具有较强的知识功底和实际动手能力，该平台选择该电路作为高阶锻炼具有非常重要的意义，通过这样难度的锻炼，使学生基本具备独立设计、调试完整的电力电子电路.

2.2 驱动电路设计

驱动电路是电力电子主电路与控制电路的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个系统的性能有很大的影响.采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较为理想的开关状态，减少开通和关断损耗，对系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义.

图4 分立元件组成的独立驱动电路

驱动电路按元件属性可以分为分立元件驱动电路和集成芯片驱动电路，分立元件驱动电路一般功能较简单，成本较低，实际使用在电压较低、功率器件容量较小、对成本控制严格的系统中；集成驱动电路功能更为全面、在电路设计上更为简单，成本也较高.

综合来讲，分立器件组成的驱动电路更适合初学者的研究与学习，更能准确掌握驱动信号的变换过程，如电压放大、功率放大等环节.

2.3 检测与控制电路设计

检测电路性能的好坏关系到系统能否正常工作，检测电路的输出是系统工作指令的来源，是控制电路的直接命令者，检测电路按输出信号与被检测信号之间是否具有直接的电气联系可以分为隔离型检测电路和非隔离型电路，下面介绍一种采用霍尔传感器进行电流隔离采样的检测电路.该电路如图5所示，CN1代表霍尔电流传感器的输出端，传感器信号侧是通过三根线与外部链接的，两根是电源线，要求供电为±12 V至±15 V，第三根为信号输出端，信号输出有直接电压输出的，也有采用电流形式输出的，直接电压输出的信号调理电路相对简单点，但易受传输距离的长度等因素干扰，电流输出的抗干扰性、传输距离等都要好于电压型的.图5为采用电流形式输出的电流传感器，电流信号通过2号线输出，经过R1取样，把电流转换为电压信号.再通过U1、R4、R5、C6等进行信号的放大、滤波等调节，调制好的信号再送入单片机的A/D输入端子.

检测电路是电力电子电路实现闭环控制的核心，检测电路的设计、信号的调理是学生掌握完整电力电子系统的必修环节.

图5 隔离型电流检测电路

控制电路是系统的核心，根据处理信号的类型来分主要有模拟控制电路和数字控制电路.模拟控制电路一般用于单机控制，不需要与其它设备进行数据传输，价格便宜，系统功能单一，不便于扩展.数字控制电路是当前技术发展的趋势和必然所在，数字控制技术能实现系统与其它设备进行数据交换，更能实现对系统的精确控制与数据的实时显示与保存，有助于系统的改造与升级.

把数字控制电路的设计与系统编程，确定为该实训平台建设的又一必修环节，学生通过该平台的锻炼，不仅可以把以前所学的单片机、C语言等课程好好复习，还能把理论知识与实际项目很好的结合起来.

图6为基于DSPic33F主控芯片设计的最少数字控制电路.

图6 数字化控制电路

3 平台实验实施流程

通过前述电路的分析与建设，此开放平台具备了多式多样的基本电力电子模块电路.但距离一个完整的系统还有相当的任务，在教学的工程中，采用任务加课题的模式来进行，所谓任务是每个同学应该对常见的基本电力电子电路要清楚，既要能够分析出其中的原理，还应该能够准确的把握电路的工作的状态.课题是要求每个做创新性实验的同学应该有一个明确的目标，包括研究方法、研究内容、研究目标等都有一个详细的计划，这样才能极大的发挥该开放平台的作用.

4 平台部分实物电路

经过实训后，根据课题要求学生设计出如图7、图8所示的电路，这些电路都在具体的项目中表现出了应有的功能. 也体现了该实训平台具有很好的学习、锻炼的作用.

图7 数字控制主板

图8 多路输出反激变换电源系统

5 总结

(1)开放性电力电子实训项目为电力电子技术实验改革和实践创新平台建设提供了良好的实施环境.

(2)通过该平台, 学生可对完整的电力电子电路的结构和基本原理建立一个较为全面的认识.对电力电子电路中的驱动电路、检测电路、控制电路等内容有实质的认识.

(3)构建具有自主知识产权的直接直流变换电路、间接直流变换电路为主的电力电子技术实践创新平台，可以满足优秀本科生、研究生人才培养等相关项目的实施要求.

(4)电力电子技术实训系统内容丰富，融合了当前的工程教育理念和企业项目开发流程，具有多层次、数字化、开放性的技术特点，效果显著，具有推广价值.

[1] 赵 涛，张丽华，徐开芸，等．Pspice 在电力电子技术教学改革实践中的应用[J]．电力系统及其自动化学报，2009,21(6):123-127.

[2] 胡少强,王智东,林声宏.电力系统动态模拟仿真综合性实验教学研究[J].中国现代教育装备,2010(7):81-82.

[3] 赵凯岐，兰 海，杜春洋，等．新型电力电子技术实验方法的研究[J]．实验技术与管理，2009，26(9):32-35,46．

[4] 王春凤，李旭春，薛文轩，等． 电力电子技术实验教学改革的探索与实践[J]． 实验室研究与探索，2011，30( 9) : 127-129．

[5] 黄海宏，杜少武，张毅现代电源技术实验平台研制[J]．实验技术与管理，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

湖南工程学院青年科研项目(XJ1508)；湖南省教育厅创新平台项目(15K031)；湖南工程学院博士科研启动基金(15046)

李祥来(1985-)，男，硕士，助教，研究方向：电力电子技术、电机控制.

G642.0

A

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