新一代電力電子實驗裝置的研制
關鍵詞：電力電子；實驗裝置；實驗設備
“電力電子技術”是電氣工程與自動化專業重要的專業技術基礎課程，為了突出實踐能力的培養和建立面向行業的工程能力培養的實驗教學理念[1-3] ，體現“注重素質，注重綜合，注重創新”[4]，我校將電力電子技術實驗單獨設課，單獨考核。
我們發現市售產品不能滿足單獨設課的教學要求，決定立足自身，從實驗設備入手進行改革，其主要原因是缺少控制電路和主電路的支路電流相關測試點，僅能完成開環控制，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容之一，而著名的生產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實驗裝置，吸取廠家設備優點和本單位最新科研成果，開發新一代電力電子實驗設備，最終研制出7種實驗掛箱。
1 自制設備的設計思想
我校設備自制的總體思路是，使自制裝置兼顧實用性、基礎性、先進性、易維護性和可拓展性，尋求多種創新性解決方案，并具備從內到外的整套技術圖紙，具有可生產性。
在實驗內容上要注重實驗教學的系統性，而且要合理設置觀測點，充分兼顧主電路與控制電路的實驗研究內容。使實驗設備可同時觀測研究主電路內容、控制電路內容及閉環反饋內容[5] 。
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”課程內容主要分為兩大部分：以晶閘管為代表的傳統電力電子部分和以全控器件為代表的現代電力電子部分。現在，以高頻變換為主要特征的現代電力電子技術逐漸成為技術核心，新的拓撲結構和控制方法成為電氣工程中研究最為活躍的方向。為適應這種發展趨勢，高頻功率電子學已作為我校實驗實踐教學的重點內容。
因此，我校自制的實驗掛箱，除了基礎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
為了兼容生產廠家的主控屏供電設備，我們開發的電源掛箱作為第二級供電設備。這樣能使掛箱里不再使用二次電源，還避免了掛箱內高壓電的轉換，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備中的問題。
為了進一步解決安全問題，在開發電源掛箱時，我們采用了經過安全認證的開關電源做為供電源。但由于開關電源的噪聲電壓幅度太高，會淹沒正常采樣信號，我們采用了磁環構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，此項技術已獲授權的實用新型專利[6] 。
（3）相控整流實施方案
在驅動電路的設計中，變換不同接線可改變不同相控整流主電路拓撲，使一個掛箱能系統性完成兩個不同主電路性能研究。觸發角度在移相范圍內全程連續變化，可細致觀測和控制相關所有特性。
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電路實驗研究和三相橋式全控整流電路及其觸發電路實驗研究。
各實驗類別可完成實驗內容包括：①全面精確細致研究主電路和觸發電路工作情況；②比較不同負載性質工作情況；③研究外特性；④比較不同拓撲結構工作的異同。
（4）直-直變換器總體實施方案
直-直變換器內容實施方案為面板引線設計中確保能反映主電路、控制電路及閉環反饋的內容，在確保進行基礎性實驗研究的同時，拓展到綜合性提高研究和設計性實驗研究。可完成實驗類別有：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基礎性實驗研究，包括能細致觀測研究主電路、控制電路及閉環反饋的內容，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點和斷續點的轉化及電路性能實驗（已獲授專利授權[7]）、研究吸收電路和緩沖電路作用的實驗以及通過改變關鍵部件變壓器變比參數研究主電路性能變化的實驗。
③設計性實驗研究為可自主改變關鍵部件電感參數變壓器參數進行性能變化研究。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容、控制電路驅動電路實驗內容和閉環反饋的內容。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波信號實現變頻，使電流臨界連續點發生改變，從而在不改變硬件電路（主電路）的情況下，觀測到電流連續（CCM）和電流斷續（DCM）工作情況的轉化，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實驗，而且可以進行閉環實驗研究。該模塊除了市售電力電子實驗設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、控制電路及閉環反饋的狀態。
（4）在信號檢測點上采用了內藏阻抗技術，即不影響對信號的觀測，又可以防止學生誤接線、誤操作導致設備的損壞，提高了實驗設備的可靠性。
（5）合理設計實驗掛箱接線布局，大大提高了其擴展性能。
（6）實驗臺采用經過安全認證的開關電源，可以保障實驗設備的安全性。
4 結語
我校電力電子實驗自制設備投入運行兩年多時間中，面向電氣工程及自動化專業學生開放，受益近千人。可以采用計劃安排、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．電力電子技術的應用概況[J].北京：新技術新工藝，2000（10）:12
[2]徐向民，呂華琳，尤芳敏等．加強引導，依托學科，搭建課內課外實踐創新平臺[J].西安：中國電子教育2006（3）:33-37
[3]黃大明，秦鋼年，文冰等．專業實驗獨立設課的研究與實踐[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“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．專業實驗獨立設課的研究與實踐[J]．上海：實驗室研究與探索，2007（11）:85-87
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