应用型独立学院电力电子技术课程设计的探讨

徐祖平　郭伟

[摘要]电力电子技术是电力电子行业重要的专业基础课程，首先分析了电力电子行业的现状与企业对电力电子技术专业学生技能的需求，然后结合应用型独立学院的培养方案，根据通达学院电力电子综合实验室的设备情况，介绍如何通过自制实验平台以及仿真软件等措施，设计合理的实验案例以及考核方式，使学生能够熟练掌握电力电子技术的变换过程和控制方法，提高学生的动手能力，使学生能与企业接轨。

[关键词] 电力电子技术;课程设计;实验案例设计

[中图分类号]  G642           [文献标志码]  A          [文章编号]  2096-0603（2018）34-0106-02

电力电子技术是实现电能转换的一种电子技术[1]，包括整流、逆变、直流斩波、交交变换四种基本电路。其从二十世纪开始快速发展，目前在电力系统、新能源、工业控制、轨道交通、航空航天等领域都有广泛的应用，已经成为一种无处不在的技术，比如，在电力系统中可实现柔性输配电、电网储能、电能质量治理等功能;在电气传动行业可实现变频调速、直流驱动等功能;在家用电器中基于电力电子技术的开关电源已经普遍使用。

因此，当前不管是传统的电力企业或者新型的电力电子企业都需要大量的电力电子工程师，同时电力电子技术又是一门实验和理论并重的技术。企业需要学生具有较深的理论基础，同时要有很强的动手实践能力，包括编程、测试、电路设计能相关能力。这就要求学校在培养学生的时候要理论与实践双管齐下。通过合理的案例设计让学生能够理论联系实际，为学生与企业接轨做好桥梁作用。

课程设计作为工科实践教学的重要环节，在电力电子技术的学习中更应该占据十分重要的位置，然而如何提高课程设计的质量是我们值得思考的问题，这其中如何选择实验平台、如何设计实验案例都是重点问题。本文介绍了一种自制的实验平台，通过此平台设计了一套实验案例，很大程度上提高了课程设计的质量，充分发挥了学生的自主动手能力。

一、传统电力电子技术课程设计的状况

以南邮通达学院为例，传统的课程设计大多数均是基于“TKDD-1型电力电子技术及电机控制实验装置”实验平台开展的，属于验证型实验，实验设备都是台式设备，主要元器件都封装在模块里，学生不能直观观察电路，同时大多数实验只要按照指导书完成简单的接线工作就能快速得到实验结果，学生并不能深入了解电路的工作机制，同时固定的接线方式也限制了学生的自主创新能力，不能充分发挥学生的思维，很难达到实践反哺理论的作用。

二、实验平台与实验案例的设计

为了弥补传统课程设计实验平台的缺陷，本文自制了一套电力电子课程设计平台。考虑到实验的安全性以及实际的可操作性，实验平台均是基于小功率负载设计。如图1所示为实验平台的结构图，主要包含主电路和控制电路两部分。控制器使用单片机开发板，实验室提供部分主电路。学生需要根据课程设计的具体要求自行设计电压/电流采样电路以及驱动电路。

为了让学生充分了解电力电子技术电能变换的原理以及对应的控制方法，能过通过查阅器件和芯片的数据手册，利用所学的模电、数电、电路、单片机等课程，独立完成电力电子设备的软硬件设计。因此本文设计了如图2所示的实验平台主电路，此平台基本包含电力电子基本技术点，同时了也紧跟当前的技术发展方向，做到理论联系实际并贴近生活。本方案分为三个部分：（1）基础实验（双向DC/DC）。a.光伏电池通过双向DC/DC给蓄电池充电：b.蓄电池通过双向DC/DC给直流母线供电。（2）提高实验（单相逆变器），通过DC/AC变换器把直流电压转换成交流电压。（3）后续实验（并网双向AC/DC）。具体要求：

1.基础实验：

充电部分：光伏电池（17V）到蓄电池（12V，12Ah）

（1）使用恒压限流的充电方式，恒压（14.8V），限流（0.24A），当电池慢慢上升到14.8V后变成恒压充电，当电流下降到0.05A，则认为电池充电完成。

（2）使用数码管实时显示电压和电流，同时显示当前状态（正在充电/充电完成）。

（3）设备具有过压、过流、过温保护，使用LED作为报警指示。

（4）电池充电可实现MPPT控制（加分项目）。

放电部分：（使用LED作为测试负载）

（1）输出电压24V稳压控制，输出最大电流0.5A。

（2）具有过压、过流保护功能。

（3）使用數码管实时显示电压和电流。

2.提高实验：（使用水泥电阻作为测试负载）

（1）直流母线电压24V。

（2）交流侧输出电压12V（有效值），电压精度±0.5，谐波含量小于3%。

（3）具有过压、过流保护功能。

（4）使用数码管实时显示电压和电流（有效值）。

三、仿真与实验的结合

为了验证学生方案设计的可行性，增强学生对每个控制环节的理解，仿真软件的使用不可避免。本课程设计使用MATLAB/SIMULINK仿真软件，通过搭建电路模型进行功能仿真，验证电路，既可以降低实验成本，又可以加强对电路的理解。以基础实验为例搭建如图3所示的双向DC/DC电路，通过仿真软件可以很方便地改变占空比和每个器件的工作状态，能够实时观察每个元器件的工作波形，可以很直观地理解电路的工作机制。在此基础上能够帮助学生快速地设计控制电路，完成整个系统的设计。

四、结论

为了符合当前企业对电力电子技术人才的需求，强调了课程设计在《电力电子技术》教学过程中的重要性，同时为了弥补传统课程设计在实验平台和案例设计上的缺陷，本文设计了一种简易的实验平台，此实验平台几乎涵盖电力电子技术的所有基本工作原理，在此平台上设计基础实验、提高实验、后续实验三个不同要求的实验，能够满足各种不同需求的学生。既可以培养学生动手测试能力，仪表、仪器的使用能力，同时又可以培养学生的软硬件设计能力，与应用型独立学院的培养方案相契合，从而满足社会需求。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2015.

[2]田海涛，梁建宾.电力电子技术的应用及发展前景探究[J].电子测试，2013（14）：27-28.

[3]韦林，廖慧昕，易干洪.电力电子技术在电力系统中的应用研究[J].数字技术与应用，2012（10）：97-98.

[5]赵仁德，王艳松，张加胜，等.电力电子技术课程设计的内容与考核方法的探讨[J].南京：电气电子教学学报，2011，33（4）：59-60，65.

[6]杨浩东，王伟.电力电子教学中常用仿真软件对比[J].中国电力教育，2012（3）：112-113.

◎编辑 张 慧