《電力電子變流技術》新課程實踐及教學裝置的研制

岑方衛 謝庭柱

（柳州職業技術學院 電子電氣系，廣西 柳州 545006）

1 引言

《電力電子變流技術》課程是電力類專業和自動控制類專業的一門專業課程，是一門專業基礎性質較強且與生產緊密聯系的課程。由于《電力電子變流技術》課程實踐性很強，而高等職業技術教育以培養高級技能型人才為辦學方向，因此配備合適的實踐教學裝置在該課程的教學中顯得特別重要。

目前，大多數教學設備生產廠家生產的傳統型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置主要針對驗證性的實驗而設計，而且電路中的大部分元器件固定在面積小而封閉的面板背面，學生只能通過面板上的電氣符號進行連線實驗和測試，不能方便地觀察元器件的外型及結構，不利于學生對元器件的識別。由于傳統型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置在結構上存在以上缺點，很難讓學生進行拆裝訓練、故障檢測與排除、綜合調試等實踐教學活動，無法滿足高等職業技術教育的實踐教學要求。為了克服傳統型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置結構上局限性，我們研制了新型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置，目的是把該課程的實驗和技能訓練有機地結合起來，它采用仿真實生產設備的柜體形式，采用可以靈活拆裝的以電路功能模塊為單元的積木式系統電路結構設計，設有多重保護電路和故障檢測報警電路，師生可以在接近真實的生產環境中方便、安全地開展各個項目的實踐教學活動，使學生的動手操作能力、分析和處理實際問題的能力以及創新能力得到充分的鍛煉。

2 柜體結構設計

新型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置是尺寸為1830×1000×600mm柜式結構，柜體正面設有三扇門（上方門安裝電壓表、電流表和操作按鈕，下方為雙開門），柜體背面設有雙開門，所有電路模塊、主電源的空氣開關和接觸器、控制回路的漏電保護開關、雙蹤示波器均裸露安裝在柜內一塊絕緣板上，主回路整流變壓器安裝在柜內底部，整個裝置結構與真實生產設備結構接近，如圖1所示。師生可以直觀地看到電路的整體布局、元器件的外形結構及安裝形式、電路模塊間的聯接關系，能方便地動手進行實驗、拆裝訓練、故障檢測與排除、調試等實踐教學活動。

圖1 裝置正面照片

3 系統電路板結構設計

新型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置的設計思路是提供一個能靈活拆裝組合的基本硬件平臺，除了能完成基本實驗實訓課題外，還可以作為調試和故障排除等技能訓練設備。同時，也可以作為課程設計和畢業設計的硬件平臺，學生在老師的指導下設計制作專門單元電路，利用本實踐教學裝置的硬件平臺，完成電路的組裝、調試。本實踐教學裝置除了電壓表、電流表、操作按鈕、整流變壓器外，全部電路安裝在柜內的一塊約90×90㎝的絕緣板上，稱之為系統電路板。系統電路板采用可以靈活拆裝的以電路功能模塊為單元的積木式結構設計，將既相對獨立又能方便組合的單元電路劃分為一個功能模塊，再由多個功能模塊組成系統基本硬件平臺。基本硬件平臺設有繼電控制模塊、易拆裝主電路模塊、同步變壓器模塊、保護模塊、脈沖檢測與報警模塊、脈沖變壓器模塊、直流穩壓電源模塊、勵磁電源模塊等八個功能模塊，供學生進行各功能模塊的拆裝訓練、課程實驗與調試。系統電路板上設有一個觸發電路板安裝區，可以根據課題需要裝上專門的觸發電路板。本實踐教學裝置設計有五塊專門的觸發電路板，分別為單結管觸發電路板、三路分立元件正弦波同步觸發電路板、六路分立元件鋸齒波同步觸發電路板、KC04集成電路六路雙脈沖觸發電路板、TC787集成電路六路雙脈沖列觸發電路板。每塊觸發電路板上都安裝有接線端子，觸發電路板上的電源、同步信號、脈沖輸出信號及其他控制信號均通過觸發電路板接線端子與其它功能模塊連接，可以訓練學生對信號連接關系的正確判斷能力。所有的觸發電路板都設置有監測點，一些功能模塊還設有故障設置點，教師可以方便的設置故障，供學生進行故障分析和故障排除的實踐訓練。系統電路板上設有輸入/輸出接線端子、觸發及控制電路接線端子，它們是系統基本硬件平臺與外部電源、負載以及觸發電路板的接口，可以供學生進行各功能模塊間的連線訓練。各部分的連接關系及信號流向如圖2所示。

4 保護電路和故障檢測報警電路設計

高等職業技術院校配備課程實踐教學裝置的主要目的是讓學生動手操作，學生在動手操作過程中難免誤操作，誤操作會使實踐教學裝置發生故障甚至損壞，嚴重影響了正常的實踐教學進程。因此，實踐教學裝置的安全可靠性能尤為重要。為了最大限度地減少學生在動手操作工程中因誤操作損壞實踐教學裝置的可能性，本實踐教學裝置除保留了短路保護、過電壓保護等常規保護電路外，還設計了過電流檢測電路、脈沖光耦隔離電路、脈沖檢測及報警電路。

圖2 系統電氣控制流程圖

4.1 過流檢測電路設計

過流檢測電路通過電流互感器檢測主回路的電流并轉換成電壓信號，為過流保護和自動控制提供所需信號。保護形式為推逆變方式，對于感性負載，可把能量回饋電網。過流檢測電路原理圖如圖3所示。

晶閘管門極觸發脈沖丟失直接影響到主回路的正常工作，因此，本裝置設置了脈沖檢測電路為故障排除提供方便。由于主回路與控制回路不能直接相連，各晶閘管的陰極也不能連在一起，否則會造成主回路短路。所以必須采用光耦隔離電路將各晶閘管門極的觸發脈沖通過光耦器件進行光電隔離后，作為脈沖檢測信號送給脈沖檢測及報警電路進行檢測和報警處理。脈沖光耦隔離電路原理圖如圖4所示。

4.2 脈沖檢測及報警電路設計

圖4 脈沖光耦隔離電路原理圖

脈沖檢測及報警電路對脈沖光耦隔離電路板輸出的六路脈沖信號進行監測和判斷，若有脈沖丟失，則通過LED發光二極管指示脈沖丟失的對應晶閘管，同時聲光報警電路報警。也可以把報警信號接至觸發及控制電路接線端子，以便進行相關控制。脈沖檢測及報警電路原理圖如圖5所示。此電路簡單實用，且能自動指示被檢測的脈沖是否丟失，若脈沖正常LED2(綠色)燈亮；若脈沖丟失LED1(紅色)亮，同時由Q7、Q8組成的聲光報警電路發出聲光報警。本設計用六片NE555集成電路組成六路相同的脈沖檢測電路，任一路脈沖丟失，由Q7、Q8組成的聲光報警電路都發出聲光報警。電路工作原理簡述如下：六路脈沖信號從J1～J6端輸入，當晶閘管觸發脈沖正常時，Q1在脈沖為高電平期間導通，C上的充電電壓定時放電，使NE555的2腳總處于低電平(< VDD)，555置位使3腳輸出高電平，LED2(綠色)燈亮；當晶閘管觸發脈沖消失或漏掉較多時，Q1截止或導通次數比原來少，C上的充電電壓高于 VDD，時，NE555復位，其3腳呈低電平，LED2滅LED1(紅色)亮，表明有故障，同時由Q7、Q8組成的聲光報警電路發出聲光報警。

圖5 脈沖檢測及報警電路原理圖

5 結束語

新型《電力電子變流技術》課程實踐教學裝置已用于我院的實踐教學課堂中，師生利用該裝置進行實驗、安裝調試訓練、故障檢測與排除訓練、設計開發實踐等教學活動。該裝置采用仿真實生產設備的柜體結構設計，給學生提供了接近生產實際的實訓環境；采用靈活拆裝的功能模塊積木式的系統電路板結構設計，方便學生自行組合安裝來完成不同的實驗和技能訓練；采用多重保護電路設計和故障報警電路設計，裝置安全可靠，教師放心，學生大膽動手實踐。

本文介紹了柳州職業技術學院的一個科研課題——《變流技術實驗、實訓指導書和裝置的研究》的研究成果（該課題于2005年12月完成并通過了學院的結題驗收），拋磚引玉，希望看到教學設備生產廠家和兄弟高職院校開發、研制更多符合高等職業技術院校人才培養要求的實踐教學裝置。