《电力电子技术》实验教学设备改革与探索

张思艳张胤禄魏玉鹏赵桢刘正宇

（哈尔滨理工大学荣成学院山东荣成264300）

摘要：实验实践教学是大学教学过程中的重要环节，是巩固理论知识、培养大学生创新精神的主要途径，对提高应用型大学本科生的综合素质具有重要意义。《电力电子技术》是电气工程类专业教育的一门重要的基础课程，实践性很强，目前存在着教学设备陈旧、过度集成、电路构建灵活性较差等诸多问题，可插接变换的《电力电子技术》实验教学设备平台改革解决了以上问题，对于提高课程的教学质量、培养社会发展需要的应用型人才具有积极而深远的现实意义。

关键词：电力电子技术；实验设备改革；实践能力培养

当今社会，高等院校都高度重视大学生良好的实验实践能力培养，而实验教学便是执行过程中的重要环节，因此对电气工程专业课《电力电子技术》实验教学设备的改革与探索具有重要意义。

1《电力电子技术》实验教学设备现状

《电力电子技术》课程是电气工程及其自动化类专业中重要的基础课程，实践应用性很强，良好的实验环境更能加强培养学生实验操作技能和分析、解决问题能力[1]。目前，《电力电子技术》课程配套的实验设备仍然大多存在着以下几点问题：

（1）实验设备灵活性较差，固化的模型只能进行比较单一的实验内容，缺乏学生自主创新和设计过程。

（2）实验平台集成度较高，致使开设的实验学生只能机械性的搭接连线，完成教学内容的验证，而缺乏了实验调试过程[2]；

（3）实验中开关管的触发信号大都由平台内部模块之间生成，缺少学生自主编程调节过程。

图1实验电源板

图2实验主板

2《电力电子技术》实验教学设备改革方案

《电力电子技术》的前修课程为《电路》、《数字电子技术》、《单片机原理及应用》与《模拟电子技术》等，所以学生具备了一定的编程知识和电子电路分析知识，因此将编程+电路设计+调试几方面的知识融合入实验教学设备中，将更能锻炼学生的实验实践能力。

2.1实验教学设备改革思路

基于以上分析，创建可插接变换的《电力电子技术》实验教学设备平台，改变以往实验设备集成度较高的固有模式，旨在通过学生自主设计、编程和搭建《电力电子技术》课程中的经典变换电路，实现学生从部分到整体、从细节到宏观等全方面对实验内容的掌握，锻炼独立思考处理问题的能力。且开发板设计中各种电路元件可更改接线、替换元件，大大提高了实验板的灵活性[3]。

可插接变换的《电力电子技术》实验教学设备平台电源板和主板如图1、2所示，集成了单片机最小系统版和必备的实验芯片（包括降压变压器、驱动芯片、主电路电力电子开关器件及外围电路必须的电子元件），通过杜邦线可搭建多种变换电路，因此实验各项器材均可重复利用，学生自主创新空间大大增强，实验全程覆盖从“编程”到“电路设计”到“调试”三个重要环节，学生实验实践能力必然大幅加强。

2.2实验教学设备覆盖内容设计

《电力电子技术》课程内容以交流电AC和直流电DC为核心，主要涉及四种电力变换电路：AC-DC整流电路、DC-AC逆变电路、DC-DC直流斩波电路和AC-AC交交变流电路。因此，所用到的电力电子开关主要为晶闸管、电力晶体管、电力MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT，可拓展为十余个实验内容，满足20余实验学时的配置。

（1）AC-DC整流电路

整流电路，以单相桥式整流电路为例，实验过程中使用的主要开关元件为半控型的晶闸管，属于电流驱动型，触发脉冲应加在门极和阴极之间，实验难点如下：

难点①：单片机管脚的电流驱动能力十分有限，应考虑将单片机的管脚信号变大以驱动晶闸管动作；

难点②：整流电路中触发脉冲的相位要与外部交流输入源有同步关系，应利用所学知识搭建简单的同步电路完成同步处理；

难点③：主电路和控制电路间一般需要隔离设计，防止干扰；

难点④：整流电路四个开关管的隔离驱动电源需要三套；

难点⑤：需要单片机编程完成工频信号对应的触发脉冲，并应能够调节相位角度。

注意：阻感负载实验时，电感量的大小决定了续流时间的长短。

（2）DC-AC逆变电路

逆变电路，以单相全桥逆变电路为例，实验过程中使用的主要开关元件为全控型的绝缘栅双极晶体管IGBT（或电力MOSFET），属于电压驱动型，触发脉冲应加在栅极和发射极之间（电力MOSFET为栅极和源极之间），实验难点如下：

难点○1：单片机管脚的电压高电平仅为5V电，应设计电路将其提升为15~20V以适合IGBT管（或电力MOSFET）的开关动作需求；

难点○2：主电路和控制电路间需要隔离设计，防止干扰；

难点○3：逆变电路四个开关管的隔离驱动电源需要三套；

难点○4：逆变电路中负载侧输出频率依靠开关动作决定，并应能够编程进行频率调节。

注意：阻感负载实验时，电流波形的测量可直接观测电阻上的波形。

（3）DC-DC直流斩波电路

直流斩波电路，以直流降压斩波电路为例，实验过程中使用的主要开关元件为全控型的绝缘栅双极晶体管IGBT（或电力MOSFET），开关管应用同DC-AC逆变电路中一致，实验难点如下：

难点○1~○2同DC-AC逆变电路一致；

难点○3：直流降压斩波电路仅需一套开关驱动电源；

难点○4：直流降压斩波电路，输出电压受控于占空比k，即开关导通时间ton和控制周期T之间的比率，所以需编程设置为PWM脉冲宽度调制、PFM脉冲频率调制或混合调制的一种控制策略，并可随时更改占空比以调整输出电压。

注意：直流降压斩波电路电感L要足够大，否则是断续工作模式。

（4）AC-AC交交变流电路

交交变流电路，以单相交流调压电路举例，实验过程中使用的主要开关元件为两个反并联的半控型晶闸管（或双向晶闸管），属于电流驱动型，实验难点如下：

难点○1~○3同AC-DC整流电路；

难点○4：单相交流调压电路需要2个隔离驱动电源（反并联晶闸管结构）；

难点○5：单相交流调压电路触发脉冲编程时需保证电角度间隔为半周期π，实现正负半周对称性，并可根据需求调节相位。

注意：单相交流调压电路阻感负载时，触发角α移相范围介于负载阻抗角φ~π之间。

3结论

可插接变换的《电力电子技术》实验教学设备平台目前在一个教学班的实验课程实践中得到了较好的实验收获反馈，其编程、电路设计和调试三个重要环节都加强了学生综合实验素质和团队合作能力，由于对实验能力的要求较高，基础薄弱的同学相对实验难度较大，后期会分层次区别实验梯度，且发现的不足之处将继续持续改进，扩大推广，更好的完善课程实验体系，并更大效率地培养学生的创新与实践能力，为新时代应用型大学本科教育培养过程添砖助力。

参考文献

[1]刘金华，吴佳楠，余翼．基于混合学习的电力电子技术实验教学改革研究[J]．教育教学论坛，2018（44）：117-118．

[2]张志娟，梁常梅，徐国芃．项目化混合式教学在电力电子技术课程中的运用[J]．中国电力教育，2019（1）：75-77．

[3]杨俊秀，姚青，赵文来等．结合电子设计竞赛的“电力电子技术”课程教学改革实践[J]．浙江理工大学学报(社会科学版)，2019（2）：2-4．

基金项目

哈尔滨理工大学教育教学研究项目（320180002）。

作者简介

张思艳（1985-），女，黑龙江牡丹江，讲师，博士，电力电子与电力传动专业。