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本文作者：胡曉倩 李山 張蓮 單位：電子信息及自動化學院
綜合性開放式實驗平臺的結構與設計方法
結合電力電子技術的發展趨勢，基于現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺一方面與現有電力電子技術及電機實驗裝置進行對接，實現對現有實驗裝置的升級和改進，挖掘現有實驗平臺的資源潛力；另一方面作為獨立的電能變換與控制系統，將現代電力電子器件應用于電力電子新技術中，從廣度和深度兩方面擴充實驗內容，比如從全控型器件的應用擴展到復合型器件、智能型器件的應用，從器件特性和工作原理的驗證性實驗擴展到電動機驅動、電阻網絡控制以及電能回饋設計等探究性實驗。基于現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺的設計如圖1所示。其設計思想遵循三個方面的原則：一是綜合性，可以融合自動控制原理、可編程控制器以及電機學等課程教學資源。在實驗平臺中不僅要體現單一學科的實踐和應用，而是要樹立學生系統的觀念，將多門學科的專業知識綜合應用；二是開放式，留有兼容與升級的接口。如其中的實驗平臺中電能變換模塊的控制器單元，在設計時考慮平臺的擴容與升級，為今后功能擴展以及更換預留接口；三是模塊化，分級模塊化，不僅能夠在器件的驅動使用上更加方便，而且有利于維修。
項目采用模塊化設計方法，選用多種現代電力電子器件開發一種電能變換與控制實驗平臺。該實驗平臺由電力電子器件、驅動模塊、保護模塊、脈沖寬度調制模塊以及電能輸入和輸出接口模塊等組成，通過對輸出電能參數的控制，可以改變電動機等運動負荷或電阻網絡等靜止負荷的工作特性，如圖1所示。電能變換與控制平臺在電力電子應用系統（如圖1）中，起著銜接原始的供電電源與最終負載之間的橋梁作用，把電源提供的粗電（coarsepower）轉換成符合負載要求的精電（refinedpower）。其中，精電的電能質量指標主要取決于電能變換與控制平臺的特性。研究成果的具體指標為：選用現代電力電子器件的覆蓋范圍，包括全控型、復合型與智能型電力電子器件的典型代表，如MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等。電力電子器件的驅動電路和保護電路的功能。由于電力電子器件是以弱電信號控制強電能量的形式，驅動電路和保護電路是不可或缺的組成部分。實驗平臺需對每一電力電子器件設計驅動電路和保護電路。能夠實現電能的變換與控制。本實驗平臺的重要應用領域是對電能進行變換和控制。作為基本功能實現與否的評價標準，是檢測該實驗平臺可否實現電能的變換與控制。電力電子器件的控制方法是通過PWM脈沖序列控制。作為普遍適用的一種重要控制方法，PWM脈沖序列發生電路為各器件提供控制信號。與現有實驗平臺的兼容性。擬開發的實驗平臺具備與有源負荷及無源負荷的接口，能夠驅動無源負荷及有源負荷，體現出在負荷匹配方面的靈活性與開放性。
實驗平臺采用模塊化的設計，不僅可以適應現有的實驗裝置，實現對現有實驗裝置的升級改進，而且有利于在今后的進一步技術升級。主要研究內容包括：針對所選用的多種現代電力電子器件，包括電力MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IEGT等，分別設計每種器件相應的驅動電路和保護電路。由脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）控制芯片SG3525為核心設計PWM波形發生單元，為各驅動電路提供驅動波形。設計電能的輸入、測試與輸出接口電路。不僅實現與外部電源和負載接口的匹配，而且可以對變換及控制過程中電能的形式進行檢測。電能輸出接口的兼容性設計。經過變換與控制的電能，所連接負荷包括有源負載，如電網，及無源負載，如電動機等電動設備或阻抗元件等。實驗平臺的電磁兼容設計和安全保護設計。一方面滿足實驗室環境下電磁兼容的需要，另一方面保證在操作過程中的人身、設備安全保護。
以實驗平臺為基礎的教學改革
以現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺為基礎所進行的實驗教學體系改革主要從教學內容、教學方法和考核方法等三個方面進行。目前，國內普遍采用的商業開發實驗教學平臺可實現的教學內容包括單結晶體管觸發電路及單相半波可控整流電路實驗、鋸齒波同步移相觸發電路及單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗、三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗、三相交流調壓電路實驗、直流斬波電路原理實驗、GTO和GTR驅動與保護電路實驗等，這些實驗內容多屬驗證性實驗。而現代電力電子器件的電能變換與控制實驗平臺不僅能夠對電力電子技術課程的現代電力電子器件特性、主要電路拓撲結構的工作過程以及新型控制技術的原理性驗證，還能夠實現從器件、到結構直至整個系統的整合，給學生提供一個從下到上，包含各個層次的電力電子系統。此外，該實驗平臺還可以綜合自動控制原理、計算機網絡和可編程控制器等課程內容，實現以電力電子技術為主的綜合性探究實驗，體現學科交叉及課程體系間的聯系。
在傳統的電力電子技術實驗教學過程中是以教師講授為中心，力圖對實驗平臺上的每一個元件或者按鈕都講得很細，力求在實驗課上的有限時間內解決所有問題，實際上學生總是處于被動接受的地位，極大地妨礙了其主動性和積極性的發揮，不利于學生素質和能力的培養。與此同時，實驗課時壓縮客觀上迫使實驗教學方法進行必要改革。因此，在教學中教師應當在保持實驗教學內容的系統性和完整性的同時，力求突出實驗內容的重點和難點；革新實驗室管理方法，保持實驗平臺的開放與正常運行，使得學生可以在更大的時間范圍內自由選擇進行實驗操作的可能性。此外，大膽引入學生自學方法，即精心選擇一部分內容讓學生課外去自學。例如，在講解電能質量控制裝置時，課堂上可以重點介紹并聯型電力有源濾波器這一典型裝置的工作原理、控制方法和應用設計，而將其他類型的有源濾波器（包括串聯型和混合型）等裝置技術留給學生去自學[5]。為了督促學生重視實驗，除了在實驗時教師嚴格管理、多方教育外，我們在期末考試的試題中引入與實驗相關的內容，平時對每位學生的每個實驗進行評分，并將實驗成績按一定比例記入課程總成績。電子實習和課程設計均為獨立考核、計算學分，并計入總學分。為使成績評定公平合理，把學生實習和設計時的表現、成果、測試按照一定比例算得成績。經實踐證明，這些手段和方法確實對教學起到了積極的促進作用。
以實驗平臺為基礎的教學改革的意義
#p#分頁標題#e# 把握電力電子器件發展的方向，并適時將電力電子器件及其相應的應用技術引入實踐教學環節，一方面能夠培養學生始終站在科學發展前沿的自覺精神，有利于提高學生在專業成長歷程中的適應能力；另一方面可以更新教師的知識結構，強化教師在知識吸納與傳授過程中的前瞻意識，提高實踐教學環節的教學質量。現代電力電子器件，由于出現時間較短，尚存在許多從原理、特性到應用、創新的空間。因此，可以提高探究性實驗作為現有實驗體系的有機組成部分在實驗內容中所占的比例。不僅可以提高學生的創新意識，培養學生動手動腦的能力，而且有助于改進現有實驗教學方式和考核方法，促進實驗教學的整體改革。通過本實驗平臺的研究開發，可以實現對現有實驗裝置中電能變換與控制平臺的升級，保留現有實驗裝置中的電源輸出接口以及有源負載和無源負載的輸入接口。只需在實驗平臺中分別對輸出接口和輸入接口進行兼容性設計，即可替換現有實驗裝置中的電能變換與控制平臺。通過對現有實驗裝置的改進與升級，可以在原有實驗內容的基礎上，從深度和廣度兩方面擴充實驗內容，充分發掘現有裝置在實驗教學中的潛力。
自制實驗平臺與商業實驗平臺相比具有先進性，可以更好融合最新的電能變換與控制技術，避免商業開發過程中復雜環節導致的技術相對滯后問題，體現實驗平臺的先進性，并能更及時跟蹤技術發展的趨勢。與商業實驗平臺相比，自行研制的實驗平臺不僅能夠顯著降低開發成本，而且由于采用模塊化的設計方法，把現代電力電子器件對應的保護電路和驅動電路，與接口電路、變換電路分別作為獨立的模塊進行設計和制作，還有利于降低應用過程中的維修成本，并可以避免在今后由于大規模更換帶來的升級成本。進行實驗平臺開發的成員長期從事電力電子技術領域的研究與教學工作，對于電力電子技術實驗平臺和應用項目的開發具有豐富的實踐經驗。部分教師長期擔任電力電子技術的實驗指導教師，在實驗教學第一線總結了許多學生實驗的教學規律。通過實驗平臺研制與開發，不僅能夠將教師的教學思想和教學經驗融入實驗平臺的開發過程中，進一步提高實驗教學的質量與效果，而且能夠給這一支實驗教學隊伍提供又一次重要的演練與合作的機會，為今后在更高層次上的可持續性發展奠定堅實的基礎。此外，電力電子技術是電氣工程學科中的一個最為活躍的分支[6]，在保持現有實驗設備穩定的基礎上，進行適度的技術更新和改造以跟上學科演進的步伐，對于促進新、老專業的建設與發展具有重要的推動作用。
結論
針對電力電子技術課程中實驗教學內容滯后的問題，分析了實驗教學體系改革的主要制約因素，結合電力電子技術尤其是電力電子器件的發展趨勢，提出了以實驗平臺創新為基礎的電力電子技術實驗教學體系改革的思路。新型的電力電子技術實驗教學平臺強調對全控型現代電力電子器件的掌握與應用，遵循分級模塊化的設計思想，提出整合計算機網絡、可編程控制器和自動控制原理等多門課程的實驗教學資源，架構綜合性開放式實驗平臺，實現教學內容多個層次和多方面的融合，以及教學內容、教學方法、考核方法到教學效果等教學體系的改革。進行以實驗教學平臺創新為基礎的實驗教學體系改革，將加大電力電子技術課程實驗內容的覆蓋面。實驗內容不再局限于幾種半控型器件和全控型器件的應用，而是包含了復合型與智能型器件在內的全系列電力電子器件的實驗內容；將推動電力電子技術課程實驗體系的縱深發展。實驗體系從原來的驗證性實驗為主到探究性實驗為主。此外，擬開發實驗平臺具有接口靈活，使用方便的特點，可以廣泛應用于課程設計、畢業設計、以及科研立項、電子設計和挑戰杯等學生科研活動中。
