电力机车变流技术综合实验平台的设计与开发

段 鑫，燕 延，陈保平，李 腾

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043；2.太原铁路局 房建段，山西 太原 030000)

电力机车变流技术综合实验平台的设计与开发

段 鑫1，燕 延1，陈保平1，李 腾2

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043；2.太原铁路局 房建段，山西 太原 030000)

为解决现有电力电子技术实验设备不能满足教学需要的问题，设计并制作综合性实验平台。平台包括传统实验内容，并与先进电力机车变流技术相结合，实现对电力机车变流系统的模拟。满足本科生实验操作以及研究生科研创新的要求，成效显著。

电力电子技术；综合实验平台；变流技术

电力电子技术作为一门多门学科的交叉学科，其应用领域正从传统的角色向更多朝阳产业进行拓展，特别在机车牵引与轨道交通领域得到成功应用。因此，一些复杂的控制算法被应用到电力电子控制领域，如非线性控制、模糊逻辑控制、自适应控制等。这些复杂控制算法的使用，使得电力电子技术的工作性能得以改变，适用于更多的发展领域[1]。因此，对于电力电子技术基础知识的教学更加不能忽略，然而目前电力电子技术课程实验教学还只是停留在教师做学生看、单一知识点验证的阶段，严重地忽视了对学生动手能力、创新能力的培养。应对其进行必要的实验改革，以适应时代发展的需求。

1 传统实验存在的问题

实验的实施，需要实验设备和实验平台两方面的支持，对于实验平台的设计与开发需要做到两个结合，一是实验与理论知识相结合；二是实验与实践工程相结合[2]。只有这样才能真正地发挥实验的效果。然而，目前电力电子技术实验存在与先进理论知识脱节、与生产实践结合不紧密以及综合性较差等问题：

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，不仅在书本上具有图像的展示而且其本身具有具体形象，易于记忆，容易被学生认知、接受，但是在实际应用过程中已基本实现模块化封装[3]。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，当前的实验只是向学生介绍电路工作过程，而没能够让学生真正的参与到电路器件性能分析、主电路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。电力电子技术的应用领域在不断扩展，在智能电网、电磁兼容、节能等方面得到快速发展；同时，随着电力器件的发展，电力电子技术对电力机车的发展起到了促进作用[4]。针对这一现状，实验平台的设计应与当今流行的实践项目相结合同时留有升级和进一步扩展的接口。

2 实验平台设计

针对目前电力电子实验平台的不足之处，在深入研究电力电子技术实验原理和发展趋势的基础上，考虑到实验教学的实际需求，并与当今发展迅速的电力机车变流技术相结合，设计了具有综合性、创新性的电力机车变流技术实验平台。电力机车变流技术综合实验平台的设计与开发主要包括交直交传动系统电路设计、操作平台设计以及远程监控平台设计三部分。实验平台示意图如图1所示。

2.1 交直交传动系统主电路设计

交直交传动系统主电路主要包括四象限整流器、中间环节、四象限逆变器、异步电机以及信号采集电路五个模块。主电路结构图如图2所示。

1)四象限整流器、四象限逆变器硬件设计。采用智能功率模块SPM45系列，为提高实验平台的应用性，因此采用模块化设计方式，将四象限整理器和四象限逆变器单独制作成为两个独立的多层板，并设有连接接口方便与其他部分连接，拓展实验。设计并制作出的电路板如图3所示。

2)采集电路以及调理电路设计。为保证系统能够工作在牵引、制动两种工作状态，需要对四象限整流器、中间环节以及四象限逆变器中的电压和电流进行采集。因此信息采集电路的设计尤为重要。本系统设计过程中，分别采用电压型霍尔传感器模块以及电流型霍尔传感器模块进行检测。其电路原理图如图4、图5所示。

图5为电流采集电路原理图，采用基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712对电流测量。ACS712既可以测量交流也可测量直流，输出电压与所测量的交流或直流成比例，同时与芯片的供电电源电压成比例，便于进行软件计算。从霍尔传感器模块出来的信号比较复杂，需要经过调理电路才能输出给A/D转换芯片，其电压、电流调理电路如图6、图7所示。

3)电源模块硬件设计。电源模块是为实验平台各个模块供电，实验平台所需要的直流电压有3.3 V、5 V和15 V。其中直流5 V电压为智能功率芯片、电流传感器和运放放大器提供电压，该电压由外接开关电源模块提供。3.3 V电源为主控芯片供电，该电压在本设计中由低压差线性调压器LM1117-3.3将5 V电压转变为直流3.3 V。15 V电源为智能功率芯片提供电压，该电压由PTN78000W将5 V电压转变为直流15 V。电源模块设计如图8所示。

4)电容电感设计。在整个电路设计的过程中，交流侧电感的选择以及直流侧电容的选择是至关重要的。对于交流侧电感而言，其大小将会对整个系统的功率因数、系统输出功率、直流侧电压等方面产生影响。电感大小的计算公式如下：

(1)

式中，em为电网电压峰值；Ts为整流器的控制开关周期；im为网侧相电流的基波峰值；Δimax为谐波电流的最大允许值。

通过大量的实验，结合理论公式计算，本实验平台选择2 mh。

对于直流侧电容而言，其型号的选择直接影响到直流侧电压对给定电压的追随性以及输出电压的稳定性。电容大小的计算公式如下：

(2)

通过大量的实验，结合理论公式计算，实验平台选择2 800 μF。

2.2 交直交传动系统控制电路设计

传动控制单元采用目前先进的STM32F4作为核心控制芯片，采用了IFCO间接磁场定向控制方式及SVPWM调制方式，输出PWM波，完成对交直交传动主电路的控制。并且采用CAN总线完成数据传输。控制电路的硬件系统框图如图9所示。 考虑到实验系统的层次性以及可二次开发的特点，采用模块化方式设计主电路模块，便于对系统主电路不同部分进行控制。

2.3 远程控制台设计

为了实现对交直交系统的控制，需要对运作过程中的关键参数进行实时的监测，如果发现故障，故障指示灯及时地亮起，便于及时发现故障、处理故障。同时，监测系统具有保存数据、输出数据的功能，将实验过程中的数据，导出到excel表格中，便于进行下一步的研究。本部分的设计主要采用NI公司开发的LabVIEW进行上位机界面的编写[5]。检测界面如图10所示。

3 实验平台优势

3.1 应用层次广泛性

本实验平台，不仅适用于学习电力电子技术课程的主要专业，如电气工程专业，自动化专业等电气专业，同时还适用于其他非主要专业，如电子信息工程专业；同时，既可以满足优秀本科生进行实验的拓展，又可以满足硕士研究生进行科研创新。

3.2 扩展性

本实验平台在设计、制作的过程中，考虑到不同层次的实验者，在设计过程中，将交直交传动系统的主电路部分进行了模块化设计，将其分为四象限整流器部分、逆变器部分以及电机控制部分，并且每一部分都有自己的核心控制模块，这样既可以单独进行实验，又可以将各个模块连接起来进行综合性的实验。同时，采用可编程器件进行设计，学生可以根据实验目的和要求，对程序进行编写，可供优秀本科生和硕士研究生进行科研创新。

3.3 创新性

创新性的填补了目前实验项目与电力机车变流技术相结合的空白。本实验平台，参照机车、动车牵引变流典型电路，制作出电力机车变流电路模型。将电力电子技术课程知识与实际电力机车变流技术相结合，有效地弥补现场实践教学环节的不足，在实验过程中充分调动学生学习的积极性，动手去做，想法得到验证。通过思考、创新、动手验证实验、分析结果这四个过程，使得教学质量大大提高。

4 结束语

电力电子技术作为一门多门学科的交叉学科，同时又是当今多种新型项目的知识基础，因此对于电力电子技术知识的教学质量必须有所提高，紧跟时代的前沿。只有这样才能提高学生的动手能力，解决学生所学知识与实际项目工程相脱离的问题。对于电力机车综合实验平台的设计，可以大大地提高教学质量，有效地将当今主流的电力机车变流技术与电力电子技术知识相结合。使电气类专业的学生对于电力电子技术知识有更加直观的理解，更加深刻的认识以及更加实际的应用。

[1] 杨颖.以学生为本创新电子技术实验课教学[J].实验室研究与探索，2010，29(6)：80-83.

[2] 王智东，梁灼勇，王钢.电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台[J].电力系统及其自动化学报，2010，22(4)：151-155.

[3] 梁梅.电力电子技术综合实验平台的研究与建设[J].中国现代教育装备，2012，15(13)：16-17.

[4] 周江涛.交直交—交直综合传动实验台的研制[D].成都：西南交通大学，2011.

[5] 董如金.基于LabVIEW的电动机在线监测系统试验研究[D].上海：华东理工大学，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，河北邢台人，硕士，主要从事电力电子与电力传动研究，E-mail：524762983@qq.com。

U264-46

A

1008-9446(2017)06-0047-05