摘 要：為滿足電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的單設(shè)課的教學(xué)要求，我校進(jìn)行了電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的自主研發(fā)，吸取市售產(chǎn)品設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，參考了本校最新科研成果，開發(fā)了新一代電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置總體思路是，采用掛箱式結(jié)構(gòu)，盡可能兼容生產(chǎn)廠家的主控屏供電設(shè)備，做到不改動(dòng)或者最少改動(dòng)廠家的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即可直接使用，并且使自制裝置兼顧實(shí)用性、基礎(chǔ)性、先進(jìn)性、易維護(hù)性和可拓展性，尋求多種創(chuàng)新性解決方案，并具備從內(nèi)到外的整套技術(shù)圖紙及器件購買渠道，具有可生產(chǎn)性。

　　“電力電子技術(shù)”是電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，為了突出實(shí)踐能力的培養(yǎng)和建立面向行業(yè)的工程能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念[1-3] ，體現(xiàn)“注重素質(zhì)，注重綜合，注重創(chuàng)新”[4]，我校將電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課，單獨(dú)考核。

　　我們發(fā)現(xiàn)市售產(chǎn)品不能滿足單獨(dú)設(shè)課的教學(xué)要求，決定立足自身，從實(shí)驗(yàn)設(shè)備入手進(jìn)行改革，其主要原因是缺少控制電路和主電路的支路電流相關(guān)測(cè)試點(diǎn)，僅能完成開環(huán)控制，而且沒有基本的電力電子變換器實(shí)驗(yàn)掛箱。

　　課堂教學(xué)中的單端正激和單端反激電路是最基本的隔離型電力電子變換器拓?fù)涫侵攸c(diǎn)內(nèi)容之一，而著名的生產(chǎn)電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的廠家，卻沒有該類型的實(shí)驗(yàn)掛箱。

　　因此，我們認(rèn)為有必要自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置，吸取廠家設(shè)備優(yōu)點(diǎn)和本單位最新科研成果，開發(fā)新一代電力電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備，最終研制出7種實(shí)驗(yàn)掛箱。

　　1 自制設(shè)備的設(shè)計(jì)思想

　　我校設(shè)備自制的總體思路是，使自制裝置兼顧實(shí)用性、基礎(chǔ)性、先進(jìn)性、易維護(hù)性和可拓展性，尋求多種創(chuàng)新性解決方案，并具備從內(nèi)到外的整套技術(shù)圖紙，具有可生產(chǎn)性。

　　在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上要注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性，而且要合理設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，充分兼顧主電路與控制電路的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。使實(shí)驗(yàn)設(shè)備可同時(shí)觀測(cè)研究主電路內(nèi)容、控制電路內(nèi)容及閉環(huán)反饋內(nèi)容[5] 。

　　2 具體實(shí)施方案

　　(1)確定研制實(shí)驗(yàn)掛箱的重點(diǎn)

　　“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容主要分為兩大部分：以晶閘管為代表的傳統(tǒng)電力電子部分和以全控器件為代表的現(xiàn)代電力電子部分。現(xiàn)在，以高頻變換為主要特征的現(xiàn)代電力電子技術(shù)逐漸成為技術(shù)核心，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法成為電氣工程中研究最為活躍的方向。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，高頻功率電子學(xué)已作為我校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。

　　因此，我校自制的實(shí)驗(yàn)掛箱，除了基礎(chǔ)性的相控整流部分外，其余自制掛箱都是各種高頻變換DC-DC變換器。

　　(2)兼容性安全性實(shí)施方案

　　為了兼容生產(chǎn)廠家的主控屏供電設(shè)備，我們開發(fā)的電源掛箱作為第二級(jí)供電設(shè)備。這樣能使掛箱里不再使用二次電源，還避免了掛箱內(nèi)高壓電的轉(zhuǎn)換，輸人的電壓也都是低壓電，徹底解決了安全性問題。這也就解決了強(qiáng)制性安全認(rèn)證只存在于電源掛箱一種設(shè)備中的問題。

　　為了進(jìn)一步解決安全問題，在開發(fā)電源掛箱時(shí)，我們采用了經(jīng)過安全認(rèn)證的開關(guān)電源做為供電源。但由于開關(guān)電源的噪聲電壓幅度太高，會(huì)淹沒正常采樣信號(hào)，我們采用了磁環(huán)構(gòu)成的共模噪聲抑制電路和R-C低通濾波器組合抑制高頻噪聲，此項(xiàng)技術(shù)已獲授權(quán)的實(shí)用新型專*[6] 。

　　(3)相控整流實(shí)施方案 

　　在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，變換不同接線可改變不同相控整流主電路拓?fù)洌�使一個(gè)掛箱能系統(tǒng)性完成兩個(gè)不同主電路性能研究。觸發(fā)角度在移相范圍內(nèi)全程連續(xù)變化，可細(xì)致觀測(cè)和控制相關(guān)所有特性。

　　掛箱可完成的實(shí)驗(yàn)類別有，三相半波可控整流電路及其觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)研究和三相橋式全控整流電路及其觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)研究。 

　　各實(shí)驗(yàn)類別可完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：①全面精確細(xì)致研究主電路和觸發(fā)電路工作情況;②比較不同負(fù)載性質(zhì)工作情況;③研究外特性;④比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作的異同。

　　(4)直-直變換器總體實(shí)施方案

　　直-直變換器內(nèi)容實(shí)施方案為面板引線設(shè)計(jì)中確保能反映主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的內(nèi)容，在確保進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，拓展到綜合性提高研究和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究。可完成實(shí)驗(yàn)類別有：①BUCK變換器主電路及控制電路實(shí)驗(yàn)研究;②BOOST變換器主電路及控制電路實(shí)驗(yàn)研究;③單端正激變換器主電路及控制電路實(shí)驗(yàn)研究;④單端反激變換器主電路及控制電路實(shí)驗(yàn)研究。

　　其實(shí)驗(yàn)研究包括如下層次。 

　　①基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究，包括能細(xì)致觀測(cè)研究主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的內(nèi)容，并進(jìn)行全面分析。

　　②提高性實(shí)驗(yàn)研究，包括改變控制頻率觀察電流連續(xù)點(diǎn)和斷續(xù)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化及電路性能實(shí)驗(yàn)(已獲授專*授權(quán)[7])、研究吸收電路和緩沖電路作用的實(shí)驗(yàn)以及通過改變關(guān)鍵部件變壓器變比參數(shù)研究主電路性能變化的實(shí)驗(yàn)。

　　③設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究為可自主改變關(guān)鍵部件電感參數(shù)變壓器參數(shù)進(jìn)行性能變化研究。如圖1所示，從廠家購買的主控屏供電系統(tǒng)對(duì)自制的直流電源掛箱進(jìn)行供電，再由該掛箱對(duì)自制的BUCK變換器實(shí)驗(yàn)掛箱供電。BUCK變換器實(shí)驗(yàn)掛箱面板上包含主電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、控制電路驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和閉環(huán)反饋的內(nèi)容。其所帶負(fù)載為自制的掛箱負(fù)載。

　　3 自制實(shí)驗(yàn)掛箱的特色

　　(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊不僅可以進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而且可以進(jìn)行一定的研究性實(shí)驗(yàn)。例如實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊可以通過改變控制電路的振蕩頻率使PWM波信號(hào)實(shí)現(xiàn)變頻，使電流臨界連續(xù)點(diǎn)發(fā)生改變，從而在不改變硬件電路(主電路)的情況下，觀測(cè)到電流連續(xù)(CCM)和電流斷續(xù)(DCM)工作情況的轉(zhuǎn)化，有利于全面分析電路性能，深入理解電路工作原理。

　　(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊不僅可以進(jìn)行變換器的開環(huán)實(shí)驗(yàn)，而且可以進(jìn)行閉環(huán)實(shí)驗(yàn)研究。該模塊除了市售電力電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主電路實(shí)驗(yàn)功能外，還具備了其不能完成的控制電路實(shí)驗(yàn)。

　　(3)增加了控制電路中關(guān)鍵點(diǎn)電壓波形的檢測(cè)點(diǎn)及主電路中主要支路電流波形的檢測(cè)點(diǎn)，以同時(shí)觀測(cè)研究主電路、控制電路及閉環(huán)反饋的狀態(tài)。

　　(4)在信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)上采用了內(nèi)藏阻抗技術(shù)，即不影響對(duì)信號(hào)的觀測(cè)，又可以防止學(xué)生誤接線、誤操作導(dǎo)致設(shè)備的損壞，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可靠性。

　　(5)合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)掛箱接線布局，大大提高了其擴(kuò)展性能。

　　(6)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用經(jīng)過安全認(rèn)證的開關(guān)電源，可以保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全性。

　　4 結(jié)語

　　我校電力