胡國珍, 馬學軍, 徐濾非
(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院, 湖北 黃石 435000)
面向應用型實踐人才培養的電力電子技術實踐創新平臺研制
胡國珍, 馬學軍, 徐濾非
(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院, 湖北 黃石 435000)
為培養應用型實踐人才,針對電力電子技術課程體系結構,研制了一種新型電力電子實踐創新平臺。平臺由高校任課教師和實驗技術人員共同設計制作,強化了實踐教學改革,將理論教學和實踐教學緊密聯系,能較好地提高學生分析、設計和調試電力電子電路的實際操作能力,充分激發了學生創新能力。實踐創新平臺已應用于電力電子課程實踐教學,教學效果良好。
電力電子線路; 課程體系; 實驗平臺; 教學改革
教育部《關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》和《關于地方本科高校轉型發展的指導意見》中指出,實踐教學方法改革是推動實踐教學改革和人才培養模式改革的關鍵。地方本科院校應以培養既具有系統理論訓練,又有一定技能的本科層次的應用技術人才為目標[1-4],由此可知實驗教學在高校人才培養中占據著重要的地位。與實踐教學密切相關的實驗儀器設備的配備標準也應隨著行業和科學技術的發展而不斷改革才能適應國家對創新型應用人才培養的要求。通常市場上成熟的實驗平臺難以滿足工程應用技術和課程體系發展的需求,由高校任課教師和實驗技術人員自行研制實驗裝置和平臺,已逐漸成為當前實踐教學改革的重要手段[5-6]。
電力電子及電力傳動是實踐性很強的學科,只有加強實踐教學環節才能真正深化相關專業課程的學習。電力電子技術課程涵蓋了器件、電路、控制等內容,在生產實踐中應用廣泛,其應用范圍包括電機調速控制、電力系統的無功補償、諧波治理、柔性交流輸電、直流輸電,以及新能源、電動汽車等領域[7-9]。電力電子技術實踐教學平臺應能適應科技、生產發展的需要。
目前相關市場供應商提供的電力電子技術教學平臺主要以功能性驗證實驗為主,從外觀上看,專業廠家生產的實驗設備外形美觀、操作方便,但從學生學習的角度來看,這種平臺可視性較差,電子元器件藏在實驗箱體內,學生看不到實驗對象,無法了解器件實際形狀和電路結構;同時這類實驗平臺功能電路連線內部已接好,學生僅需從面板進行簡單接線,對提高動手能力幫助不大。因此,這類教學實驗裝置極大地限制了學生創新開發思維,難以充分發揮學生主觀能動性。
為了體現專業特點,實現應用型人才培養目標,必須根據專業人才培養方案和課程體系設計合適的實踐平臺。自制實踐平臺按照教學內容制作不同功能模塊,模塊布局直觀,冗余性強,方便學生進行實驗測試。同時自制實驗平臺也方便維護,即使出現故障,實驗教師也可自己維修,保障了實驗設備完好率。
2.1 課程特點
隨著新的電力開關器件、新的電磁材料以及新的變換和控制技術不斷出現,電力電子應用領域要求能量的控制和變換向高頻率、高效率、高功率密度、高功率因數和高可靠性等方向發展,因此教學大綱和教學內容也應該不斷變革和更新[10]。目前教學大綱內容已從晶閘管整流電路逐漸發展到整流、斬波、逆變和交流調壓變頻電路等內容。電力電子技術課程體系如圖1所示。
圖1 電力電子技術課程體系
為提高創新平臺的應用性及可操作性,基于圖1電力電子技術課程體系要求,設計時按照實驗內容制作了功能全面的實驗對象。平臺的模塊為自制,每個模塊對應一塊印刷電路板(PCB),電路板上僅包含電子元器件,而不包含測量儀表,測量儀表(如示波器,萬用表等)由外部接入。同時負載和電源也由外部提供,電源采用隔離變壓器和調壓器接入。實踐創新平臺原理示意如圖2所示。
圖2 電力電子技術實踐創新平臺原理示意圖
模塊化電路設計學習方便直觀,可以讓學生掌握基本實驗方法,培養基本實驗技能,進一步可充分運用該平臺對課程體系要求掌握的各種電路進行深入研究,掌握電路設計和調試方法,結合具體電路波形可分析實際電路參數與理論參數輸出結果的差異性,從而將理論知識轉化為工程實踐能力。
2.3 創新平臺優點及可靠性
2.3.1 創新平臺優點
本平臺可滿足教學和科研需要,設備具有如下優點。
2010~2015年鄉鎮衛生院人員配置趨勢,從性別分析,女性占比呈現上升趨勢;從年齡分析,34歲以下的衛生技術人員逐漸減少,35~44歲以及60歲以上的逐漸增加,截止2015年底,25~44歲占比最大,為70.57%,60歲以上占4.18%;從學歷分析,大專及以上的人員構成逐漸增加,截止2015底,主要以大專、中專及中技為主,占比分別為41.33%和42.62%。本科及以上學員占12.00%,大專及以上學歷占53.33%;從職稱分析,職稱構成變化趨勢不明顯,截止2015年,以師級/助理為主,占39.18%,中級占22.40%,正高級和副高級職稱占比相對較少,分別為0.09%、1.18%。
(1) 經濟性。目前國內電力電子實驗平臺定價偏高,其功能不一定滿足教學和科研需要,而自行研制的創新平臺功能齊全,價格經濟。
(2) 為學生和教師提供了相當大的自由度,可以根據設計的需要進行硬件設計和軟件開發,直至最后的軟硬件測試。用于教學能夠有效地提高學生的動手能力,開拓學生的創新性思維。
(3) 創新平臺功率裕量大,配置齊全;裝置經過組合設計,其參數特性能模擬實際應用需要。
(4) 創新平臺電路模塊布局明確、清晰、直觀;實驗連接線采用強、弱電分開,插頭不能互插,避免強電接入弱電設備,造成該設備損壞。
2.3.2 創新平臺的可靠性措施
平臺主要面向學生進行綜合性及設計性實踐教學,學生對裝置熟練程度不同,因此必須保證較高的可靠性,設計中通過以下環節來進行有效保障。
(1) 供電采用三相變壓器隔離,平臺設有電壓漏電保護裝置和電流漏電保護裝置,切實有效保護操作者的人身安全,為開放性實驗室創造了前提條件。
(2) 實驗連接線采用強、弱電插頭分開,兩者不能互插,避免強電接入弱電設備,造成該設備損壞。
(3) 電壓電流軟件保護。每個模塊設置了軟件電壓電流保護,一旦發現過壓過流,系統自動封鎖驅動信號,有效地防止了器件損壞。
(4) 可靠的硬件短路保護。系統大部分電源由單端反激輔助電源提供,根據反激式電源特性,輸出端短路時,通過控制調節自動封鎖脈沖,自動阻斷能量輸出,從而防止短路引起器件損壞。
3.1 系統結構及接口
創新平臺外部設計了方便快捷的人機界面,采用17.8 cm(7寸)觸摸屏,開關機、電路功能選擇、控制參數設定、輸入輸出參數等均可通過觸摸屏設置。平臺內部由直流變換器板、三相不控整流板、三相PWM驅動板、檢測驅動保護板、直流變換器板、DSP控制板、控制輔助電源板、4路24 V輔助電源板等模塊組成。設計的電路有三相不控整流電路、繼電器整流電路、相控整流主電路、逆變主電路等。內部結構如圖3所示。
圖3 電力電子技術實踐創新平臺內部結構圖
3.1.1 系統電源接口
系統輸入為三相四線ABCN供電,通過調壓器給相控整流主電路和逆變主電路供電。其他部分電源由輔助電源提供,系統含兩塊輔助電源,其中一塊為控制電路提供+5 V和+/-12 V供電;另一塊給驅動提供4路+/-24 V供電,提供1路給相控驅動板,另1路給直流變換器板提供輸入直流電源。電源接口示意圖如圖4所示。
圖4 系統電源接口示意圖
3.1.2 系統信號接口
(1) 驅動信號接口。系統信號接口如圖5所示。實驗平臺采用DSP控制,DSP控制板根據電路功能不同可選發出驅動信號,最多可同時發出12路驅動信號(PWM123/AB, PWM456/AB),PWM123/AB通過三相PWM驅動板;轉換為隔離PWM驅動信號T1AB、T2AB、T3AB, PWM456/AB通過三相相控驅動轉換為電流型觸發信號VT1-VT6。直流變換器部分,Boost、Buck、正激電路只需單管驅動,驅動信號為T1A,半橋電路為上下對稱雙管驅動,驅動信號為T1AB、全橋電路為2個橋臂驅動,驅動信號為T1AB、T2AB。全橋逆變電路部分,單相電路為T1AB、T2AB,三相電路為T1AB、T2AB、T3AB。相控整流電路部分,單相半波整流驅動為VT1,單相全橋相控電路上管驅動為VT1/3,下管驅動為VT4/6,三相全橋相控整流電路上管驅動為VT1/3/5,下管驅動為VT4/6/2。
圖5 系統信號接口圖
(2) 信號檢測接口。為完成電路閉環控制,各部分電路均包含輸入電壓檢測、輸出電壓和電流檢測,檢測信號通過差分檢測電路或霍爾傳感器進入檢測驅動保護板,然后通過板上調理電路到DSP控制板,通過數字控制器完成系統的閉環控制和過壓、過流保護功能。
3.2 主要實驗項目
設計的電力電子實踐創新平臺主要可分3個功能模塊:直流斬波電路模塊、相控整流電路模塊、正弦脈寬調制逆變電路模塊,可完成40余個電力電子及電力傳動方面的實驗。系統設計功率裕量較大,可在此基礎上根據科研需求進行變換裝置的二次開發。
(1) 逆變電路模塊。逆變系統電路示意圖如圖6所示。
圖6 逆變系統電路示意圖
在圖6中,正弦脈寬調制逆變電路模塊由三相四線ABCN輸入,經調壓器為三相不控整流橋提供直流電源,開關管T1—T6組成三相逆變電路,輸出采用三相LC濾波。為了防止上電時電流過大,對輸入直流電容過沖設計了上電啟動電路,上電時依次合上S1、S2、S3,上電結束后時間繼電器切斷R1、R2。此模塊可完成單相和三相正弦脈寬調制逆變電路的特性研究。
(2) 相控整流電路模塊。相控整流電路模塊采用三相四線輸入電源,晶閘管Q1—Q6組成三相相控整流電路,VT1—VT6為6路觸發脈沖。主電路和接口電路采用繼電器跳線控制選擇,能夠通過不同組合實現單相半波相控整流電路、單相全橋相控整流電路、三相全橋相控整流電路的功能;相控整流電路模塊采用的電路能夠拓撲、變形,有冗余度,能夠完成單相和三相相控整流電路的性能研究。相控整流電路示意圖如圖7所示。
圖7 相控整流電路示意圖
(3) 直流變換電模塊。直流變換電路模塊采用24 V直流電源輸入,T1A、T1B、T2A、T2B為四路直流驅動接口,MOSFET QA1—QA4組成全橋逆變電路,輸出采用高頻變壓器隔離,副邊由二極管DA1、DA2組成全波整流電路。直流變換電路模塊根據繼電器通斷不同接口,從而實現不同的直流變換電路的功能。 直流變換電路如圖8所示。
圖8 直流變換電路示意圖
電力電子創新平臺由任課教師和實驗技術人員共同設計制作,更能體現教學需求;平臺復雜程度低,元器件布局合理,連接方便,學習更直觀,具備教學和科研的雙重價值。該平臺可針對工科高校本科電氣信息類、控制類、自動化類的實驗教學及科研需求,適合于電力電子應用于數字控制的實驗和技術研究,可以讓學生或科研人員掌握基本實驗方法與電路調試技能,并在此基礎上充分運用實驗設備對各種電路進行深入研究。近年來,通過在該平臺上對學生進行實踐能力訓練,學生能較好地掌握電源的設計及調試,在校生多次在全國電子大賽中獲獎,畢業后很多學生進入電源行業就業,用人單位好評度較高。
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Development of power electronic practice innovation platform for practical talents training
Hu Guozhen, Ma Xuejun, Xu Lüfei
(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi 435003, China)
To cultivate the applied talent, a new type of power electronic practice innovation platform has been developed based on power electronic technology course framework. The platform was made by teachers and laboratory technicians, which can strengthen the practice teaching reform, closely combine the theory teaching with practical teaching and improve actual operation ability of students’ analysis, design and debugging power electronic circuits, fully arouse the students’ innovative ability. Practical innovation platform has been applied in the practical teaching of power electronics course, and the teaching effect is good.
power electronic circuit; course system; experimental platform; teaching reform
10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.008
2016-07-27
中國博士后科學基金第59批面上資助
胡國珍(1979—),男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向為電力電子能量變換技術.
E-mail:hgz_hs@163.com
G642.0
A
1002-4956(2017)1-0033-05