摘 要：為滿足電力電子技術(shù)實驗的單設(shè)課的教學要求，我校進行了電力電子技術(shù)實驗裝置的自主研發(fā)，吸取市售產(chǎn)品設(shè)備優(yōu)點，參考了本校最新科研成果，開發(fā)了新一代電力電子技術(shù)實驗裝置總體思路是，采用掛箱式結(jié)構(gòu)，盡可能兼容生產(chǎn)廠家的主控屏供電設(shè)備，做到不改動或者最少改動廠家的實驗平臺即可直接使用，并且使自制裝置兼顧實用性、基礎(chǔ)性、先進性、易維護性和可拓展性，尋求多種創(chuàng)新性解決方案，并具備從內(nèi)到外的整套技術(shù)圖紙及器件購買渠道，具有可生產(chǎn)性。 關(guān)鍵詞：電力電子；實驗裝置；實驗設(shè)備 “電力電子技術(shù)”是電氣工程與自動化專業(yè)重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，為了突出實踐能力的培養(yǎng)和建立面向行業(yè)的工程能力培養(yǎng)的實驗教學理念[sup][1-3] [/sup]，體現(xiàn)“注重素質(zhì)，注重綜合，注重創(chuàng)新”[sup][4][/sup]，我校將電力電子技術(shù)實驗單獨設(shè)課，單獨考核。 我們發(fā)現(xiàn)市售產(chǎn)品不能滿足單獨設(shè)課的教學要求，決定立足自身，從實驗設(shè)備入手進行改革，其主要原因是缺少控制電路和主電路的支路電流相關(guān)測試點，僅能完成開環(huán)控制，而且沒有基本的電力電子變換器實驗掛箱。 課堂教學中的單端正激和單端反激電路是最基本的隔離型電力電子變換器拓撲是重點內(nèi)容之一，而著名的生產(chǎn)電力電子實驗教學儀器的廠家，卻沒有該類型的實驗掛箱。 因此，我們認為有必要自主研發(fā)實驗裝置，吸取廠家設(shè)備優(yōu)點和本單位最新科研成果，開發(fā)新一代電力電子實驗設(shè)備，最終研制出7種實驗掛箱。 1 自制設(shè)備的設(shè)計思想 我校設(shè)備自制的總體思路是，使自制裝置兼顧實用性、基礎(chǔ)性、先進性、易維護性和可拓展性，尋求多種創(chuàng)新性解決方案，并具備從內(nèi)到外的整套技術(shù)圖紙，具有可生產(chǎn)性。 在實驗內(nèi)容上要注重實驗教學的系統(tǒng)性，而且要合理設(shè)置觀測點，充分兼顧主電路與控制電路的實驗研究內(nèi)容。使實驗設(shè)備可同時觀測研究主電路內(nèi)容、控制電路內(nèi)容及閉環(huán)反饋內(nèi)容[sup][5][/sup] 。 2 具體實施方案 （1）確定研制實驗掛箱的重點 “電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容主要分為兩大部分：以晶閘管為代表的傳統(tǒng)電力電子部分和以全控器件為代表的現(xiàn)代電力電子部分。現(xiàn)在，以高頻變換為主要特征的現(xiàn)代電力電子技術(shù)逐漸成為技術(shù)核心，新的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法成為電氣工程中研究最為活躍的方向。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，高頻功率電子學已作為我校實驗實踐教學的重點內(nèi)容。 因此，我校自制的實驗掛箱，除了基礎(chǔ)性的相控整流部分外，其余自制掛箱都是各種高頻變換DC-DC變換器。 （2）兼容性安全性實施方案 為了兼容生產(chǎn)廠家的主控屏供電設(shè)備，我們開發(fā)的電源掛箱作為第二級供電設(shè)備。這樣能使掛箱里不再使用二次電源，還避免了掛箱內(nèi)高壓電的轉(zhuǎn)換，輸人的電壓也都是低壓電，徹底解決了安全性問題。這也就解決了強制性安全認證只存在于電源掛箱一種設(shè)備中的問題。 為了進一步解決安全問題，在開發(fā)電源掛箱時，我們采用了經(jīng)過安全認證的開關(guān)電源做為供電源。但由于開關(guān)電源的噪聲電壓幅度太高，會淹沒正常采樣信號，我們采用了磁環(huán)構(gòu)成的共模噪聲抑制電路和R-C低通濾波器組合抑制高頻噪聲，此項技術(shù)已獲授權(quán)的實用新型專利[sup][6][/sup] 。 （3）相控整流實施方案 在驅(qū)動電路的設(shè)計中，變換不同接線可改變不同相控整流主電路拓撲，使一個掛箱能系統(tǒng)性完成兩個不同主電路性能研究。觸發(fā)角度在移相范圍內(nèi)全程連續(xù)變化，可細致觀測和控制相關(guān)所有特性。 掛箱可完成的實驗類別有，三相半波可控整流電路及其觸發(fā)電路實驗研究和三相橋式全控整流電路及其觸發(fā)電路實驗研究。 各實驗類別可完成實驗內(nèi)容包括：①全面精確細致研究主電路和觸發(fā)電路工作情況；②比較不同負載性質(zhì)工作情況；③研究外特性；④比較不同拓撲結(jié)構(gòu)工作的異同。 （4）直-直變換器總體實施方案 直-直變換器內(nèi)容實施方案為面板引線設(shè)計中確保能反映主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的內(nèi)容，在確保進行基礎(chǔ)性實驗研究的同時，拓展到綜合性提高研究和設(shè)計性實驗研究?？赏瓿蓪嶒烆悇e有：①BUCK變換器主電路及控制電路實驗研究；②BOOST變換器主電路及控制電路實驗研究；③單端正激變換器主電路及控制電路實驗研究；④單端反激變換器主電路及控制電路實驗研究。 其實驗研究包括如下層次。 ①基礎(chǔ)性實驗研究，包括能細致觀測研究主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的內(nèi)容，并進行全面分析。 ②提高性實驗研究，包括改變控制頻率觀察電流連續(xù)點和斷續(xù)點的轉(zhuǎn)化及電路性能實驗（已獲授專利授權(quán)[sup][7][/sup]）、研究吸收電路和緩沖電路作用的實驗以及通過改變關(guān)鍵部件變壓器變比參數(shù)研究主電路性能變化的實驗。 ③設(shè)計性實驗研究為可自主改變關(guān)鍵部件電感參數(shù)變壓器參數(shù)進行性能變化研究。如圖1所示，從廠家購買的主控屏供電系統(tǒng)對自制的直流電源掛箱進行供電，再由該掛箱對自制的BUCK變換器實驗掛箱供電。BUCK變換器實驗掛箱面板上包含主電路實驗內(nèi)容、控制電路驅(qū)動電路實驗內(nèi)容和閉環(huán)反饋的內(nèi)容。其所帶負載為自制的掛箱負載。 3 自制實驗掛箱的特色 （1）實驗模塊不僅可以進行驗證性實驗，而且可以進行一定的研究性實驗。例如實驗模塊可以通過改變控制電路的振蕩頻率使PWM波信號實現(xiàn)變頻，使電流臨界連續(xù)點發(fā)生改變，從而在不改變硬件電路（主電路）的情況下，觀測到電流連續(xù)（CCM）和電流斷續(xù)（DCM）工作情況的轉(zhuǎn)化，有利于全面分析電路性能，深入理解電路工作原理。 （2）實驗模塊不僅可以進行變換器的開環(huán)實驗，而且可以進行閉環(huán)實驗研究。該模塊除了市售電力電子實驗設(shè)備的主電路實驗功能外，還具備了其不能完成的控制電路實驗。 （3）增加了控制電路中關(guān)鍵點電壓波形的檢測點及主電路中主要支路電流波形的檢測點，以同時觀測研究主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的狀態(tài)。 （4）在信號檢測點上采用了內(nèi)藏阻抗技術(shù)，即不影響對信號的觀測，又可以防止學生誤接線、誤操作導致設(shè)備的損壞，提高了實驗設(shè)備的可靠性。 （5）合理設(shè)計實驗掛箱接線布局，大大提高了其擴展性能。 （6）實驗臺采用經(jīng)過安全認證的開關(guān)電源，可以保障實驗設(shè)備的安全性。 4 結(jié)語 我校電力電子實驗自制設(shè)備投入運行兩年多時間中，面向電氣工程及自動化專業(yè)學生開放，受益近千人?？梢圆捎糜媱澃才?、主、集體預約和學生個人預約三種模式完成實驗。兄弟院校的本科實驗教學也因此受益，受到了高度評價。實踐表明，自制實驗裝置對培養(yǎng)學生的實踐能力起到了良好作用。 參考文獻： [1]俞勇祥．電力電子技術(shù)的應(yīng)用概況[J].北京：新技術(shù)新工藝，2000（10）:12 [2]徐向民，呂華琳，尤芳敏等．加強引導，依托學科，搭建課內(nèi)課外實踐創(chuàng)新平臺[J].西安：中國電子教育2006（3）:33-37 [3]黃大明，秦鋼年，文冰等．專業(yè)實驗獨立設(shè)課的研究與實踐[J].上海：實驗室研究與探索，2007（11）:85-87 [4]任正義，王東．努力實現(xiàn)“大工至善、大學至真”[J]．上海：實驗室研究與探索，2007（11）:68-72 [5]黃大明，秦鋼年，文冰等．專業(yè)實驗獨立設(shè)課的研究與實踐[J]．上海：實驗室研究與探索，2007（11）:85-87 詳情請點擊：新一代電力電子實驗裝置的研制