電力電子應用設計課程的項目化教學研究

何少佳 陳俊東 王 紅 羅 奕

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

電力電子技術是由電力技術、電子技術、控制技術交叉融合形成，應用范圍十分廣泛，是電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業基礎課程，其實踐性很強。

在當前教學改革的大趨勢下，一些專業課程學時數被壓縮了很多，實驗課時數也相應減少了。為降低課時數的不足對學生工程實踐能力的影響，也為了提高電氣工程及其自動化專業學生工程綜合應用能力，在總課時減少的情況下，調整各門課程教學課時，桂林電子科技大學增開了電力電子應用設計這門課程，并以項目化案例的內容和方式進行教學。

電力電子應用設計教學案例是以人造金剛石液壓機加熱系統應用項目為參考對象，這是一個實際工程應用項目。項目內容較為復雜，性能指標要求較高，設計和生產難度較大。按照工程教育專業認證的要求，根據課程教學大綱的教學目標和學時數，以及學生的學習現狀，對項目內容做了適當的調整和優化。案例內容涉及電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術、傳感器原理與應用、自動控制原理、電力電子技術等課程知識，目的是使學生能夠結合企業實際生產情況，綜合運用所學的理論知識，提高工程應用設計能力和動手能力，為今后從事電力電子技術應用領域工作打下堅實基礎。

人工合成金剛石的機理是使石墨在高溫、高壓下，借助金屬觸媒，轉變為金剛石。人造金剛石液壓機是生產金剛石單晶和其他復合材料的主要設備，其生產過程主要包括溫度控制和壓力控制。這兩項參數的控制，既相互聯系又相對獨立。由于課時數有限，本課程教學內容主要涉及加熱控制部分。

1 加熱控制系統主電路

金剛石合成過程中，加熱電源通過相關頂錘直接加到合成塊兩端，電流流經合成塊使其內部發熱，獲得合成金剛石所需溫度。合成塊兩端電阻很小，只有毫歐姆級，故加在其兩端的電壓（負載電壓）也很小，通常只有幾伏，可低至3V左右，所以，必須經過降壓環節。

加熱方式主要有直接加熱和間接加熱兩種，兩種加熱方式各有特點，主要區別在于合成塊內部結構和材料的不同。采用直接加熱方式電流更大，最高可達6500A以上。以當前功率器件發展水平和大電流工作狀態下，在低壓側調壓功率管產生的功率損耗大大高于在高壓側調壓產生的功率損耗。因此，金剛石合成加熱一般采用高壓側調壓方式，經變壓器降壓，給合成塊供電加熱。

可供選擇的功率器件有很多，綜合考慮硬件成本、技術難度和教學時間等因素，本案例采用了單向晶閘管。其加熱主電路工作原理如圖1所示。

圖1 加熱主電路

在生產應用中，為使電源三相平衡，大多數采用交流380V供電，少數采用交流220V供電。教學過程中，為保證試驗的安全性，也為了方便學生做試驗，采用了經過隔離的交流220V電源輸入。

2 加熱調功閉環控制系統工作原理

金剛石加熱控制實際是控制合成塊的內部溫度，因此，溫度反饋控制是最有效的控制方式，但金剛石合成溫度的測量較為復雜，成本較高，不利于學生做試驗。間接的溫度控制可以采用功率反饋控制、電流反饋控制、電壓反饋控制等方式。相比之下，采用電壓反饋控制的方式更便于學生做試驗，故本試驗系統采用電壓反饋控制方式。同時，負載也用一般小功率電器替代。其系統工作原理如圖2所示。

圖2中，被控量為負載兩端電壓，執行機構和受控對象即是晶閘管移相控制的電壓部分。

圖2 人造金剛石加熱調功控制系統原理

2.1 控制器

控制器種類很多，從經濟性、實用性以及本課程所面向的學生知識面和水平考慮，本項目采用比例-積分（PI）調節器。

PI調節器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。積分環節的作用，理論上可使系統靜態誤差為零。

比較+比例-積分調節器如圖3所示。本控制系統中，反饋信號為移相輸出電壓U。

圖3 比較+比例-積分控制器

2.2 執行機構

本控制系統執行機構包括觸發脈沖發生電路、脈沖隔離與驅動電路等環節。

2.2.1 觸發脈沖發生電路

觸發脈沖發生電路選擇KJ004。KJ004是國內常用的一種國產晶閘管移相觸發電路，適用于單相、三相橋式全控供電裝置中，作為晶閘管雙路脈沖移相觸發，具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低、有脈沖列調制輸出端、調試方便等功能與特點。其內部電路在很多文獻中皆有介紹，這里不再贅述。

一般的電路仿真軟件元件庫中都沒有KJ004，因此，教學過程中進行仿真實驗時，可在圖形界面中畫出KJ004內部電路圖。構成典型應用電路后，通過仿真，獲得各引腳波形圖，可進行分析、調試。如若采用Saber仿真軟件，可將其封裝為一個元件，在進行系統電路仿真時，直接調用即可。為便于學生理解，也可進一步將KJ004及其基本外圍電路封裝為一體，命名為“KJ004#”，則其應用電路可按圖4所示進行連接。

圖4中，Vp1、Vp15分別為KJ004第1和第15引腳脈沖輸出，調整好偏置電壓后，就可由控制信號調節輸出脈沖Vp1、Vp15的移相角了。相比于KJ004常規應用電路，圖4輸入輸出信號關系清晰明了，對于部分基礎薄弱、理解能力較差的學生也能比較容易理解、掌握KJ004應用方法。

圖4 KJ004觸發電路應用關系圖

2.2.2 脈沖隔離與驅動電路

由于晶閘管主電路連接高壓電源，觸發脈沖發生電路為低壓電路，兩者之間需進行電隔離。常用的電隔離方式有光電隔離和電磁隔離，本系統采用光電隔離方式。

實驗中選用的晶閘管型號為BT152，其門極觸發電流不超過20mA、電壓小于1.5V，故其驅動電源功率很小。

可選的光電耦合器有多種規格型號，對于本系統，4N29、4N33等都屬可選之列。采用光電耦合器的脈沖信號隔離驅動電路如圖5所示，晶閘管觸發信號由G1-K1兩端輸出，兩路信號驅動電路結構和參數完全一樣。由于光電耦合器為無源器件，故電路中增加了驅動電源。

圖5 光電隔離與驅動電路

2.3 檢測變送環節

系統采用電壓閉環反饋控制方式，被控量為移相控制輸出電壓。電壓信號檢測方法有很多，為便于學生實驗，采用了一種較為簡便的方法，即用普通小功率變壓器，原邊接到系統電壓輸出端，副邊輸出到整流濾波電路，再接到系統反饋輸入端。濾波采用常規的阻容濾波方式。

3 加熱調功閉環控制系統電路仿真仿真與硬件實驗

為便于學生深刻理解電路工作原理和設計過程，首先對電路進行仿真分析，并優化設計；仿真分析達到較好效果后，再進行PCB排版布線，制作硬件調試。

調功控制系統電路仿真波形如圖6所示。

圖6中，兩路觸發脈沖波形相位角相差180°，閉環控制系統輸出電壓波形正、負半波均衡，效果良好。

圖6 調功控制系統電路仿真結果

圖7為根據上述設計結果制作的硬件電路輸出電壓實驗結果，效果較為理想，達到了設計要求。

圖7 調功控制系統硬件電路輸出電壓測試結果

4 結語

電力電子應用設計課程項目化教學內容和方法普遍受到學生的歡迎，學習積極性很高，按時完成教師布置的各部分電路仿真和硬件實驗，部分學生還自由發揮，對電路個別環節進行了修改，也獲得了較為滿意的效果。例如，有些同學在電壓反饋環節中，棄用會造成一定誤差的二極管整流方式，改用無誤差的整流電路取得更為滿意的實驗效果。