电力电子技术实验教学改革探索

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是一门迅速发展的新兴交叉学科。“电力电子技术基础”课程是高等院校电类自动化、电气工程及自动化和工业电气自动化等专业的一门重要的技术基础课。课程的应用性、实践性很强，其实验教学对学生实践能力的提高、启发学生创造性思维，具有重要意义。电力电子技术实验一般都涉及到强弱电，在自动化专业中属于“强电”课程。近年来，在学生中普遍存在着书本知识与实践能力脱节、动手能力差、惧怕硬件和强电的现象。安全性好的实验环境对培养研究型人才、培养学生掌握实验乃至科学研究的方法、提高科研的兴趣和主动参与意识、调动学生的积极性和创造性，将起到十分重要的作用。
随着“电力电子技术基础”、“电力拖动与运动控制”等课程改革与创新建设，与之相配套的实验教学环节需要相应地加以改进和完善，以提高实验教学效果。作为学校“985”二期支持的项目，清华大学自动化系电力电子与运动控制实验室重新设计了电力电子与运动控制教学实验平台。本文主要探讨电力电子技术实验教学的改革及取得的成效。
1、基本思路
(1) 结合电力电子技术基础的课堂教学内容以及电力电子技术课程特点，实验教学内容必须包括电力电子器件工作原理、基本电力电子电路原理、典型电力电子系统应用等。在每个实验内容选择、设计以及实验指导等环节上，必须坚持“以培养学生的实践能力”和“理论与实践相结合”的实验教学理念，使学生既动手又动脑、丰富工程实践知识，并且培养学生的创新能
力和综合能力。
(2) 在实验教学平台的覆盖面上，希望能够覆盖3个层面的需求:
①满足目前自动化专业教学大纲中“电力电子技术基础”、“电力拖动与运动控制”课程的全部教学实验和“控制系列专题实验”课程的相关实验;
②为自动化系本科生、研究生以及有关专业的学生提供一个综合性实验平台;
③同时也可为有关的科研项目提供实验环境。
(3) 在实验平台装置的设计上，实现“先进性、实用性、开放性、多功能性、安全性”的特点，以满足多层面的基础型、研究型和综合设计型的实验教学和实践活动的要求。
(4) 在建设的方法上，本着“利用清华大学在科研成果方面的优势，借鉴厂家成熟的生产技术”的思路，在对国内外已有的同类实验教学产品的特点进行了充分调研的基础上，确定自主研发本实验平台的主要核心模块，同时，对原已较先进和实用的实验模块进行升级改造，使实验平台不仅能满足教学的各种需求，保证了技术领先，并且大大地节省了实验平台的资金投入。
2、教学实验平台的组成
2．1实验装置
整套实验平台由实验台和不同的功能模块组成，如图1 所示。模块按照功能可划分为5 个部分: 电源部分、控制部分、功率部分、测量部分和负载部分。

图1 电力电子技术实验平台

(1)电源部分。由三相变压器模块、桥式整流模块和滤波模块组成的主电路示意图如图2所示。主电路的进线电压为三相交流380V市电，经过三相变压器模块的隔离、降压，变压器可提供输出相电压为15、75和90V等几种选择，为实验提供与电网隔离的不同交流电压的电源。再经过桥式整流、滤波模块，得到约为40V或220V等直流电压。另外，还有直流电源模块，可提供以0V为参考端的±15V两路直流电源。可外加保险管模块，用于主电路的过流保护。
(2)控制部分。自主设计的以DSP为核心的驱动及控制模块，如图3左图所示。该模块包括多种控制模式与算法，具有多功能、全数字化的特点，并且设计了过电压、过电流和短路保护等保护环节。其“工作方式选择”可以选择“正弦逆变”、“开关电源”、“倍频逆变”和“电机运行”等工作方式，如: 将工作方式选择为正弦逆变时，送至各IGBT的驱动信号为SPWM波，开关频率有5、10、15和20kHz四档输出。输出正弦波频率从45～65Hz。面板图上还设置了相应的指示灯，提高了直观性和可靠性。
直流斩波电路的控制电路( 见图3右图) 也是PWM控制模块，由SG3525芯片及外围电路构成。SG3525是一种脉宽调制控制电路，通过改变外接阻容参数可以产生不同的开关频率，通过改变输入给定值，可以得到不同占空比的控制信号，作为斩波器等主电路功率器件的驱动信号。该模块输出频率从5～20kHz，并带有输出限幅和外部关闭驱动信号等保护功能。
(3)功率部分。针对当前电力电子技术的发展趋势，主电路功率器件模块采用全控型器件。分别由4个IGBT和4个MOSFET功率器件组成。每个器件既可单独使用，也可构成单相半桥或全桥变换电路。功率器件还包括高频变压整流滤波模块、电感电容模块、电感电容电阻模块、带有阻容吸收电路的二极管模块等，用于实验中不同电路的搭建。

图3控制电路面板图
(4)测量部分。电量测量模块可以测量电路中的直流和交流电流，也可测量电路中两点间的交直流电压值。霍尔电流传感器模块可以观测电路中任一处的电流波形并计算电流大小。
(5)负载部分。3个灯泡负载模块，分别由3只额定电压为220、110和36V的灯泡组成，作为实验负载使用。
2．2 实验内容
作为实验技能训练的基本要求，实验内容中充实了基础实验即验证型实验———直流斩波电路实验。基本要求是对电路功能的验证，同时要求学生通过改变电路参数、改变开关频率以及负载的大小等方法观测和分析电路工作性能和参数的变化。例如，波形失真、谐波分析和高频噪声等内容，在理论上比较难于理解，而通过实验可以很直观地对它们加深感性认识，起到了事半功倍的效果。
研究型实验包括正弦波逆变电路实验和开关电源实验。正弦波逆变电路实验融汇了逆变电路和PWM控制技术的核心内容。而开关电源采用交—直—交—直变换技术，是一种组合变流电路，包含整流、高频逆变、隔离变压和滤波等电路，体现出了电力电子技术及其课程教学的主要内容，对学生提炼电力电子技术课程教学的关键知识点有很大的帮助。这两个研究型实验对学生深入学习与理解电力电子技术有很大的作用。
对学有余力和有兴趣的同学可以选作设计型实验，如有源功率因数校正实验等。同时，在原有实验的基础上增加了多项学生自主设计和动手的环节，充分满足了学生自主实验时的要求，避免了以往验证型实验中有些学生机械性地照搬实验步骤的现象，调动了学生自主学习的积极性。
3、新型教学实验平台的特点
(1)主要控制电路采用先进的主流技术。自主设计的驱动及控制单元以DSP为核心，设计了多种控制模式与算法，具有多功能、全数字化的特点。该单元集调压、调频、斩波和正弦脉宽调制输出等多种控制功能于一体，可以进行直流斩波、正弦逆变、倍频逆变、开关电源和电机调速等多项实验。
(2)模块化和集成化的设计。实现了电力电子技术课程所需的从电路原理、控制器及被控对象到系统的多层次、多内容的实验体系。整个实验平台结构紧凑，易于扩展，使用方便灵活，便于维护。
(3)安全性、易观测性和易操作性的提高。充分注意强电实验的特点，对绝缘和保护做了细致考虑; 合理地配置了观测点和测量仪器，以便于实验中各物理量的安全和准确提取，方便实验验证; 强化实验安全教育和实验操作规范，实验指导书对安全问题进行了仔细的说明。
(4)实验平台的多功能化。为增加或组合综合性和研究型实验教学内容提供了有力的保障。实验平台还可以为本科生的专业实践、综合论文训练和研究生的相关研究课题提供可靠的实验环境，为大学生研究训练计划(Students Research Training，SRT)、设计大赛、课外科技活动等提供设备和技术支持，能不同程度地满足广大师生相关教学和科研的需求。
4、结语
本文就电力电子技术实验教学内容体系的改革进行了探讨，重点讨论了实验平台和实验内容的改革。通过两年来的教学实践，学生普遍反映通过该教学实验平台进行的教学实验使得课堂理论知识得到了充分的验证; 在实验过程中，接触了最新的电力电子器件和实验方法，对硬件、电路和系统有了直观的认识和了解，并通过解决实验过程中遇到的问题，提高了分析问题和解决实际问题的能力，对强电不再感到惧怕，培养了创新意识以及科研开发的能力。


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