新一代电力电子实验装置的研制
关键词：电力电子；实验装置；实验设备
“电力电子技术”是电气工程与自动化专业重要的专业技术基础课程，为了突出实践能力的培养和建立面向行业的工程能力培养的实验教学理念[1-3] ，体现“注重素质，注重综合，注重创新”[4]，我校将电力电子技术实验单独设课，单独考核。
我们发现市售产品不能满足单独设课的教学要求，决定立足自身，从实验设备入手进行改革，其主要原因是缺少控制电路和主电路的支路电流相关测试点，仅能完成开环控制，而且没有基本的电力电子变换器实验挂箱。
课堂教学中的单端正激和单端反激电路是最基本的隔离型电力电子变换器拓扑是重点内容之一，而著名的生产电力电子实验教学仪器的厂家，却没有该类型的实验挂箱。
因此，我们认为有必要自主研发实验装置，吸取厂家设备优点和本单位最新科研成果，开发新一代电力电子实验设备，最终研制出7种实验挂箱。
1 自制设备的设计思想
我校设备自制的总体思路是，使自制装置兼顾实用性、基础性、先进性、易维护性和可拓展性，寻求多种创新性解决方案，并具备从内到外的整套技术图纸，具有可生产性。
在实验内容上要注重实验教学的系统性，而且要合理设置观测点，充分兼顾主电路与控制电路的实验研究内容。使实验设备可同时观测研究主电路内容、控制电路内容及闭环反馈内容[5] 。
2 具体实施方案
（1）确定研制实验挂箱的重点
“电力电子技术”课程内容主要分为两大部分：以晶闸管为代表的传统电力电子部分和以全控器件为代表的现代电力电子部分。现在，以高频变换为主要特征的现代电力电子技术逐渐成为技术核心，新的拓扑结构和控制方法成为电气工程中研究最为活跃的方向。为适应这种发展趋势，高频功率电子学已作为我校实验实践教学的重点内容。
因此，我校自制的实验挂箱，除了基础性的相控整流部分外，其余自制挂箱都是各种高频变换DC-DC变换器。
（2）兼容性安全性实施方案
为了兼容生产厂家的主控屏供电设备，我们开发的电源挂箱作为第二级供电设备。这样能使挂箱里不再使用二次电源，还避免了挂箱内高压电的转换，输人的电压也都是低压电，彻底解决了安全性问题。这也就解决了强制性安全认证只存在于电源挂箱一种设备中的问题。
为了进一步解决安全问题，在开发电源挂箱时，我们采用了经过安全认证的开关电源做为供电源。但由于开关电源的噪声电压幅度太高，会淹没正常采样信号，我们采用了磁环构成的共模噪声抑制电路和R-C低通滤波器组合抑制高频噪声，此项技术已获授权的实用新型专利[6] 。
（3）相控整流实施方案
在驱动电路的设计中，变换不同接线可改变不同相控整流主电路拓扑，使一个挂箱能系统性完成两个不同主电路性能研究。触发角度在移相范围内全程连续变化，可细致观测和控制相关所有特性。
挂箱可完成的实验类别有，三相半波可控整流电路及其触发电路实验研究和三相桥式全控整流电路及其触发电路实验研究。
各实验类别可完成实验内容包括：①全面精确细致研究主电路和触发电路工作情况；②比较不同负载性质工作情况；③研究外特性；④比较不同拓扑结构工作的异同。
（4）直-直变换器总体实施方案
直-直变换器内容实施方案为面板引线设计中确保能反映主电路、控制电路及闭环反馈的内容，在确保进行基础性实验研究的同时，拓展到综合性提高研究和设计性实验研究。可完成实验类别有：①BUCK变换器主电路及控制电路实验研究；②BOOST变换器主电路及控制电路实验研究；③单端正激变换器主电路及控制电路实验研究；④单端反激变换器主电路及控制电路实验研究。
其实验研究包括如下层次。
①基础性实验研究，包括能细致观测研究主电路、控制电路及闭环反馈的内容，并进行全面分析。
②提高性实验研究，包括改变控制频率观察电流连续点和断续点的转化及电路性能实验（已获授专利授权[7]）、研究吸收电路和缓冲电路作用的实验以及通过改变关键部件变压器变比参数研究主电路性能变化的实验。
③设计性实验研究为可自主改变关键部件电感参数变压器参数进行性能变化研究。如图1所示，从厂家购买的主控屏供电系统对自制的直流电源挂箱进行供电，再由该挂箱对自制的BUCK变换器实验挂箱供电。BUCK变换器实验挂箱面板上包含主电路实验内容、控制电路驱动电路实验内容和闭环反馈的内容。其所带负载为自制的挂箱负载。
3 自制实验挂箱的特色
（1）实验模块不仅可以进行验证性实验，而且可以进行一定的研究性实验。例如实验模块可以通过改变控制电路的振荡频率使PWM波信号实现变频，使电流临界连续点发生改变，从而在不改变硬件电路（主电路）的情况下，观测到电流连续（CCM）和电流断续（DCM）工作情况的转化，有利于全面分析电路性能，深入理解电路工作原理。
（2）实验模块不仅可以进行变换器的开环实验，而且可以进行闭环实验研究。该模块除了市售电力电子实验设备的主电路实验功能外，还具备了其不能完成的控制电路实验。
（3）增加了控制电路中关键点电压波形的检测点及主电路中主要支路电流波形的检测点，以同时观测研究主电路、控制电路及闭环反馈的状态。
（4）在信号检测点上采用了内藏阻抗技术，即不影响对信号的观测，又可以防止学生误接线、误操作导致设备的损坏，提高了实验设备的可靠性。
（5）合理设计实验挂箱接线布局，大大提高了其扩展性能。
（6）实验台采用经过安全认证的开关电源，可以保障实验设备的安全性。
4 结语
我校电力电子实验自制设备投入运行两年多时间中，面向电气工程及自动化专业学生开放，受益近千人。可以采用计划安排、主、集体预约和学生个人预约三种模式完成实验。兄弟院校的本科实验教学也因此受益，受到了高度评价。实践表明，自制实验装置对培养学生的实践能力起到了良好作用。
参考文献：
[1]俞勇祥．电力电子技术的应用概况[J].北京：新技术新工艺，2000（10）:12
[2]徐向民，吕华琳，尤芳敏等．加强引导，依托学科，搭建课内课外实践创新平台[J].西安：中国电子教育2006（3）:33-37
[3]黄大明，秦钢年，文冰等．专业实验独立设课的研究与实践[J].上海：实验室研究与探索，2007（11）:85-87
[4]任正义，王东．努力实现“大工至善、大学至真”[J]．上海：实验室研究与探索，2007（11）:68-72
[5]黄大明，秦钢年，文冰等．专业实验独立设课的研究与实践[J]．上海：实验室研究与探索，2007（11）:85-87
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