本文作者：胡曉倩 李山 張蓮 單位：電子信息及自動(dòng)化學(xué)院

綜合性開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法

結(jié)合電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，基于現(xiàn)代電力電子器件的電能變換與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一方面與現(xiàn)有電力電子技術(shù)及電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的升級(jí)和改進(jìn)，挖掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源潛力；另一方面作為獨(dú)立的電能變換與控制系統(tǒng)，將現(xiàn)代電力電子器件應(yīng)用于電力電子新技術(shù)中，從廣度和深度兩方面擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如從全控型器件的應(yīng)用擴(kuò)展到復(fù)合型器件、智能型器件的應(yīng)用，從器件特性和工作原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電阻網(wǎng)絡(luò)控制以及電能回饋設(shè)計(jì)等探究性實(shí)驗(yàn)?；诂F(xiàn)代電力電子器件的電能變換與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)如圖1所示。其設(shè)計(jì)思想遵循三個(gè)方面的原則：一是綜合性，可以融合自動(dòng)控制原理、可編程控制器以及電機(jī)學(xué)等課程教學(xué)資源。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中不僅要體現(xiàn)單一學(xué)科的實(shí)踐和應(yīng)用，而是要樹立學(xué)生系統(tǒng)的觀念，將多門學(xué)科的專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用；二是開放式，留有兼容與升級(jí)的接口。如其中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中電能變換模塊的控制器單元，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮平臺(tái)的擴(kuò)容與升級(jí)，為今后功能擴(kuò)展以及更換預(yù)留接口；三是模塊化，分級(jí)模塊化，不僅能夠在器件的驅(qū)動(dòng)使用上更加方便，而且有利于維修。

項(xiàng)目采用模塊化設(shè)計(jì)方法，選用多種現(xiàn)代電力電子器件開發(fā)一種電能變換與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電力電子器件、驅(qū)動(dòng)模塊、保護(hù)模塊、脈沖寬度調(diào)制模塊以及電能輸入和輸出接口模塊等組成，通過對(duì)輸出電能參數(shù)的控制，可以改變電動(dòng)機(jī)等運(yùn)動(dòng)負(fù)荷或電阻網(wǎng)絡(luò)等靜止負(fù)荷的工作特性，如圖1所示。電能變換與控制平臺(tái)在電力電子應(yīng)用系統(tǒng)（如圖1）中，起著銜接原始的供電電源與最終負(fù)載之間的橋梁作用，把電源提供的粗電（coarsepower）轉(zhuǎn)換成符合負(fù)載要求的精電（refinedpower）。其中，精電的電能質(zhì)量指標(biāo)主要取決于電能變換與控制平臺(tái)的特性。研究成果的具體指標(biāo)為：選用現(xiàn)代電力電子器件的覆蓋范圍，包括全控型、復(fù)合型與智能型電力電子器件的典型代表，如MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等。電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的功能。由于電力電子器件是以弱電信號(hào)控制強(qiáng)電能量的形式，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路是不可或缺的組成部分。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需對(duì)每一電力電子器件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。能夠?qū)崿F(xiàn)電能的變換與控制。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要應(yīng)用領(lǐng)域是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制。作為基本功能實(shí)現(xiàn)與否的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是檢測(cè)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可否實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制。電力電子器件的控制方法是通過PWM脈沖序列控制。作為普遍適用的一種重要控制方法，PWM脈沖序列發(fā)生電路為各器件提供控制信號(hào)。與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的兼容性。擬開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備與有源負(fù)荷及無源負(fù)荷的接口，能夠驅(qū)動(dòng)無源負(fù)荷及有源負(fù)荷，體現(xiàn)出在負(fù)荷匹配方面的靈活性與開放性。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)，不僅可以適應(yīng)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的升級(jí)改進(jìn)，而且有利于在今后的進(jìn)一步技術(shù)升級(jí)。主要研究內(nèi)容包括：針對(duì)所選用的多種現(xiàn)代電力電子器件，包括電力MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等，分別設(shè)計(jì)每種器件相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。由脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）控制芯片SG3525為核心設(shè)計(jì)PWM波形發(fā)生單元，為各驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)波形。設(shè)計(jì)電能的輸入、測(cè)試與輸出接口電路。不僅實(shí)現(xiàn)與外部電源和負(fù)載接口的匹配，而且可以對(duì)變換及控制過程中電能的形式進(jìn)行檢測(cè)。電能輸出接口的兼容性設(shè)計(jì)。經(jīng)過變換與控制的電能，所連接負(fù)荷包括有源負(fù)載，如電網(wǎng)，及無源負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)設(shè)備或阻抗元件等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電磁兼容設(shè)計(jì)和安全保護(hù)設(shè)計(jì)。一方面滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電磁兼容的需要，另一方面保證在操作過程中的人身、設(shè)備安全保護(hù)。

以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)的教學(xué)改革

以現(xiàn)代電力電子器件的電能變換與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法等三個(gè)方面進(jìn)行。目前，國內(nèi)普遍采用的商業(yè)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容包括單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)、鋸齒波同步移相觸發(fā)電路及單相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)、直流斬波電路原理實(shí)驗(yàn)、GTO和GTR驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。而現(xiàn)代電力電子器件的電能變換與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能夠?qū)﹄娏﹄娮蛹夹g(shù)課程的現(xiàn)代電力電子器件特性、主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作過程以及新型控制技術(shù)的原理性驗(yàn)證，還能夠?qū)崿F(xiàn)從器件、到結(jié)構(gòu)直至整個(gè)系統(tǒng)的整合，給學(xué)生提供一個(gè)從下到上，包含各個(gè)層次的電力電子系統(tǒng)。此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以綜合自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和可編程控制器等課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)以電力電子技術(shù)為主的綜合性探究實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)學(xué)科交叉及課程體系間的聯(lián)系。

在傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中是以教師講授為中心，力圖對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的每一個(gè)元件或者按鈕都講得很細(xì)，力求在實(shí)驗(yàn)課上的有限時(shí)間內(nèi)解決所有問題，實(shí)際上學(xué)生總是處于被動(dòng)接受的地位，極大地妨礙了其主動(dòng)性和積極性的發(fā)揮，不利于學(xué)生素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)壓縮客觀上迫使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行必要改革。因此，在教學(xué)中教師應(yīng)當(dāng)在保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性的同時(shí)，力求突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)；革新實(shí)驗(yàn)室管理方法，保持實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開放與正常運(yùn)行，使得學(xué)生可以在更大的時(shí)間范圍內(nèi)自由選擇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的可能性。此外，大膽引入學(xué)生自學(xué)方法，即精心選擇一部分內(nèi)容讓學(xué)生課外去自學(xué)。例如，在講解電能質(zhì)量控制裝置時(shí)，課堂上可以重點(diǎn)介紹并聯(lián)型電力有源濾波器這一典型裝置的工作原理、控制方法和應(yīng)用設(shè)計(jì)，而將其他類型的有源濾波器（包括串聯(lián)型和混合型）等裝置技術(shù)留給學(xué)生去自學(xué)[5]。為了督促學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)，除了在實(shí)驗(yàn)時(shí)教師嚴(yán)格管理、多方教育外，我們?cè)谄谀┛荚嚨脑囶}中引入與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容，平時(shí)對(duì)每位學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分，并將實(shí)驗(yàn)成績按一定比例記入課程總成績。電子實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)均為獨(dú)立考核、計(jì)算學(xué)分，并計(jì)入總學(xué)分。為使成績?cè)u(píng)定公平合理，把學(xué)生實(shí)習(xí)和設(shè)計(jì)時(shí)的表現(xiàn)、成果、測(cè)試按照一定比例算得成績。經(jīng)實(shí)踐證明，這些手段和方法確實(shí)對(duì)教學(xué)起到了積極的促進(jìn)作用。

以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)的教學(xué)改革的意義