應用型獨立學院電力電子技術課程設計的探討

徐祖平　郭偉

[摘要]電力電子技術是電力電子行業重要的專業基礎課程，首先分析了電力電子行業的現狀與企業對電力電子技術專業學生技能的需求，然后結合應用型獨立學院的培養方案，根據通達學院電力電子綜合實驗室的設備情況，介紹如何通過自制實驗平臺以及仿真軟件等措施，設計合理的實驗案例以及考核方式，使學生能夠熟練掌握電力電子技術的變換過程和控制方法，提高學生的動手能力，使學生能與企業接軌。

[關鍵詞] 電力電子技術;課程設計;實驗案例設計

[中圖分類號]? G642????? ?? ? [文獻標志碼]? A????????? [文章編號]? 2096-0603（2018）34-0106-02

電力電子技術是實現電能轉換的一種電子技術[1]，包括整流、逆變、直流斬波、交交變換四種基本電路。其從二十世紀開始快速發展，目前在電力系統、新能源、工業控制、軌道交通、航空航天等領域都有廣泛的應用，已經成為一種無處不在的技術，比如，在電力系統中可實現柔性輸配電、電網儲能、電能質量治理等功能;在電氣傳動行業可實現變頻調速、直流驅動等功能;在家用電器中基于電力電子技術的開關電源已經普遍使用。

因此，當前不管是傳統的電力企業或者新型的電力電子企業都需要大量的電力電子工程師，同時電力電子技術又是一門實驗和理論并重的技術。企業需要學生具有較深的理論基礎，同時要有很強的動手實踐能力，包括編程、測試、電路設計能相關能力。這就要求學校在培養學生的時候要理論與實踐雙管齊下。通過合理的案例設計讓學生能夠理論聯系實際，為學生與企業接軌做好橋梁作用。

課程設計作為工科實踐教學的重要環節，在電力電子技術的學習中更應該占據十分重要的位置，然而如何提高課程設計的質量是我們值得思考的問題，這其中如何選擇實驗平臺、如何設計實驗案例都是重點問題。本文介紹了一種自制的實驗平臺，通過此平臺設計了一套實驗案例，很大程度上提高了課程設計的質量，充分發揮了學生的自主動手能力。

一、傳統電力電子技術課程設計的狀況

以南郵通達學院為例，傳統的課程設計大多數均是基于“TKDD-1型電力電子技術及電機控制實驗裝置”實驗平臺開展的，屬于驗證型實驗，實驗設備都是臺式設備，主要元器件都封裝在模塊里，學生不能直觀觀察電路，同時大多數實驗只要按照指導書完成簡單的接線工作就能快速得到實驗結果，學生并不能深入了解電路的工作機制，同時固定的接線方式也限制了學生的自主創新能力，不能充分發揮學生的思維，很難達到實踐反哺理論的作用。

二、實驗平臺與實驗案例的設計

為了彌補傳統課程設計實驗平臺的缺陷，本文自制了一套電力電子課程設計平臺。考慮到實驗的安全性以及實際的可操作性，實驗平臺均是基于小功率負載設計。如圖1所示為實驗平臺的結構圖，主要包含主電路和控制電路兩部分。控制器使用單片機開發板，實驗室提供部分主電路。學生需要根據課程設計的具體要求自行設計電壓/電流采樣電路以及驅動電路。

為了讓學生充分了解電力電子技術電能變換的原理以及對應的控制方法，能過通過查閱器件和芯片的數據手冊，利用所學的模電、數電、電路、單片機等課程，獨立完成電力電子設備的軟硬件設計。因此本文設計了如圖2所示的實驗平臺主電路，此平臺基本包含電力電子基本技術點，同時了也緊跟當前的技術發展方向，做到理論聯系實際并貼近生活。本方案分為三個部分：（1）基礎實驗（雙向DC/DC）。a.光伏電池通過雙向DC/DC給蓄電池充電：b.蓄電池通過雙向DC/DC給直流母線供電。（2）提高實驗（單相逆變器），通過DC/AC變換器把直流電壓轉換成交流電壓。（3）后續實驗（并網雙向AC/DC）。具體要求：

1.基礎實驗：

充電部分：光伏電池（17V）到蓄電池（12V，12Ah）

（1）使用恒壓限流的充電方式，恒壓（14.8V），限流（0.24A），當電池慢慢上升到14.8V后變成恒壓充電，當電流下降到0.05A，則認為電池充電完成。

（2）使用數碼管實時顯示電壓和電流，同時顯示當前狀態（正在充電/充電完成）。

（3）設備具有過壓、過流、過溫保護，使用LED作為報警指示。

（4）電池充電可實現MPPT控制（加分項目）。

放電部分：（使用LED作為測試負載）

（1）輸出電壓24V穩壓控制，輸出最大電流0.5A。

（2）具有過壓、過流保護功能。

（3）使用數碼管實時顯示電壓和電流。

2.提高實驗：（使用水泥電阻作為測試負載）

（1）直流母線電壓24V。

（2）交流側輸出電壓12V（有效值），電壓精度±0.5，諧波含量小于3%。

（3）具有過壓、過流保護功能。

（4）使用數碼管實時顯示電壓和電流（有效值）。

三、仿真與實驗的結合

為了驗證學生方案設計的可行性，增強學生對每個控制環節的理解，仿真軟件的使用不可避免。本課程設計使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，通過搭建電路模型進行功能仿真，驗證電路，既可以降低實驗成本，又可以加強對電路的理解。以基礎實驗為例搭建如圖3所示的雙向DC/DC電路，通過仿真軟件可以很方便地改變占空比和每個器件的工作狀態，能夠實時觀察每個元器件的工作波形，可以很直觀地理解電路的工作機制。在此基礎上能夠幫助學生快速地設計控制電路，完成整個系統的設計。

四、結論

為了符合當前企業對電力電子技術人才的需求，強調了課程設計在《電力電子技術》教學過程中的重要性，同時為了彌補傳統課程設計在實驗平臺和案例設計上的缺陷，本文設計了一種簡易的實驗平臺，此實驗平臺幾乎涵蓋電力電子技術的所有基本工作原理，在此平臺上設計基礎實驗、提高實驗、后續實驗三個不同要求的實驗，能夠滿足各種不同需求的學生。既可以培養學生動手測試能力，儀表、儀器的使用能力，同時又可以培養學生的軟硬件設計能力，與應用型獨立學院的培養方案相契合，從而滿足社會需求。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版社，2015.

[2]田海濤，梁建賓.電力電子技術的應用及發展前景探究[J].電子測試，2013（14）：27-28.

[3]韋林，廖慧昕，易干洪.電力電子技術在電力系統中的應用研究[J].數字技術與應用，2012（10）：97-98.

[5]趙仁德，王艷松，張加勝，等.電力電子技術課程設計的內容與考核方法的探討[J].南京：電氣電子教學學報，2011，33（4）：59-60，65.

[6]楊浩東，王偉.電力電子教學中常用仿真軟件對比[J].中國電力教育，2012（3）：112-113.

◎編輯 張 慧