電力電子技術綜合實驗平臺的研究與建設

梁 梅 胡少強 王智東

華南理工大學電力學院 廣東廣州 510641

電力電子技術在全世界范圍都是一個比較新興的學科，是新能源并網和電能質量研究的關鍵技術，是發配電系統的核心，也是電氣類專業學生必須掌握的內容和技能。電力電子技術課程教學內容多、信息量大，既涉及電力工程知識、又涉及電子和計算機知識，是理論性和實踐性非常強的專業課程。目前，在智能電網、節能、電磁兼容等方面大量應用，要求學生能根據千變萬化的需求和實踐設計解決方案，熟練掌握其非線性的特征及應用。

目前電力電子技術課程實驗教學大都依托實驗平臺進行，基本上只設置演示性或驗證性實驗，真正動手設計、搭建、調試電路的機會并不多，限制了學生動手能力和創新能力的培養[1]。

1 傳統實驗存在的問題

開展實驗，需有相應的實驗設備和實驗平臺支持，實驗的開設和設備的選擇要做到“兩個結合”[2]。一方面，實驗要結合理論知識；另一方面，實驗要結合工程實踐，避免和工程實踐脫節[3]。但目前高校開設的電力電子實驗普遍存在著實驗與理論結合不緊密、實驗與生產實踐脫節的問題，主要體現在：

(1)傳統的電力電子實驗與實驗平臺相結合的問題。傳統的電力電子元器件、整流逆變電路等有具體形象[4]、易于被學生接受，但在實際應用過程中已基本實現模塊化封裝。因此實驗平臺的設計，既要兼顧傳統元器件的形態，又要突出相關模塊的應用與實踐。

(2)如何開展電力電子技術實驗，讓學生從硬、軟件上掌握電力電子技術的知識。從硬件平臺上看，當前的實驗只是“靜態”地向學生介紹電路工作過程，而沒有讓學生參與到電路原件分析、電路拓撲分析和動態工作過程分析，在仿真與模擬實驗方面更是空白。按照研究的理念，學生應該選擇自己感興趣的問題進行深度分析，從而形成自己獨特的研究方法，這需要有良好的實驗平臺作為支撐。

(3)如何將新技術融入實驗中。電力電子技術向著高度的模塊化、集成化以及應用多元化的方向發展。智能電網、節能、電磁兼容等技術推動著電力電子技術飛速發展。因此，實驗平臺的設計應比較先進而且留有升級和進一步擴展的接口。

2 可視靈活的綜合實驗平臺

在電力電子技術綜合實驗平臺建設之前，我院電力電子實驗室的設備比較陳舊。針對該情況，在深入研究電力電子技術實現原理和發展趨勢的基礎上，考慮到實驗教學的實際需要，構建了電力電子技術綜合實驗平臺。

綜合實驗平臺主要由PC機、MCL系列電力電子試驗臺、拓展板、測量設備等組成(如圖1所示)。整個綜合平臺采用標準化的模塊結構，PC機可通過數據線與實驗臺相連，PC機運行電力電子技術實驗管理軟件和EWB仿真軟件。實驗過程中，學生可以根據需要進行模塊的自由組合、拓展板設計來完成實驗電路的搭建和調試。綜合平臺具有良好的可擴展性，可以根據實驗室建設規模靈活地配置實驗臺的數目，主要包括：

圖1 電力電子綜合實驗平臺結構圖

(1)信號電源。經過過流、過壓、漏電等保護電路，再分別通過調壓、變壓、穩壓電路得到的交流可調電源、多路直流穩壓電源及斬波信號源、逆變信號源、同步信號源等，為不同的實驗電路提供不同的電源信號。

(2)實驗電路部分根據不同的電力電子器件及不同的電力變換電路。分別設計了不同的相對獨立的實驗單元掛箱。各實驗單元電路原理清晰、可操作性強、效果直觀。

(3)類型齊全的電力電子元器件，可以進行GTR，MOSFET，IGBT，GTO的開關特性及其驅動電路、緩沖和保護電路相關實驗。

(4)直流電動機、發電機模塊。在進行直流調速系統實驗時，除可用常規的由運算放大器構成的PID調節器進行控制外，還可和計算機相連，由上位機進行數字控制，并采集轉速曲線和電流反饋信號，通過計算機對調速系統的參數進行調節，對轉速等動態波形進行分析。

(5)實驗臺對PC以及其他拓展板的各種標準化接口。

(6)數字儀表、開關和按鈕等輔助設備。

綜合實驗平臺有以下主要特點：

(1)設備齊全，包括常規的電力電子元器件，配備了電機、變壓器和電路拓撲等模型，還可以在PC機上自行仿真電路并將虛擬模塊信號傳送到實驗臺。學生可以自行設計電路模塊，并使相關模塊與平臺相連，提高動手能力。

(2)PC機上可利用EWB等軟件設計電力電子技術課程中的許多電力電子電路仿真實驗，如單相/三相晶閘管相控整流電路、電容濾波不可控整流電路、DC-DC升/降壓電路等。

(3)實現實驗臺與PC機、拓展板的標準化數據通訊，方便教學實驗，避免以往實驗存在電力電子元器件、電路拓撲不易修改的問題。

(4)配有各種信號燈及音響，提醒實驗的學生注意當前的實驗運行情況，保證接錯線時不會損壞平臺，解決了實驗設備容易損壞而不敢讓學生動手實驗的問題。

3 實驗管理

如何進行電力電子實驗是難點和重點，當前的電力電子實驗把重點放在講解理想元器件在理想信號下的標準工作過程，僅簡單地重現了理論課的內容，既鍛煉不了學生的實驗能力，也無法提高學生的學習積極性。針對這種問題，應用實驗管理軟件，存放著學生自己設計的實驗過程，可讓學生自己動手參與實驗的設計。