段 鑫，燕 延，陳保平，李 騰

(1.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；2.太原鐵路局 房建段，山西 太原 030000)

電力機車變流技術(shù)綜合實驗平臺的設計與開發(fā)

段 鑫1，燕 延1，陳保平1，李 騰2

(1.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；2.太原鐵路局 房建段，山西 太原 030000)

為解決現(xiàn)有電力電子技術(shù)實驗設備不能滿足教學需要的問題，設計并制作綜合性實驗平臺。平臺包括傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，并與先進電力機車變流技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對電力機車變流系統(tǒng)的模擬。滿足本科生實驗操作以及研究生科研創(chuàng)新的要求，成效顯著。

電力電子技術(shù)；綜合實驗平臺；變流技術(shù)

電力電子技術(shù)作為一門多門學科的交叉學科，其應用領(lǐng)域正從傳統(tǒng)的角色向更多朝陽產(chǎn)業(yè)進行拓展，特別在機車牽引與軌道交通領(lǐng)域得到成功應用。因此，一些復雜的控制算法被應用到電力電子控制領(lǐng)域，如非線性控制、模糊邏輯控制、自適應控制等。這些復雜控制算法的使用，使得電力電子技術(shù)的工作性能得以改變，適用于更多的發(fā)展領(lǐng)域[1]。因此，對于電力電子技術(shù)基礎知識的教學更加不能忽略，然而目前電力電子技術(shù)課程實驗教學還只是停留在教師做學生看、單一知識點驗證的階段，嚴重地忽視了對學生動手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。應對其進行必要的實驗改革，以適應時代發(fā)展的需求。

1 傳統(tǒng)實驗存在的問題

實驗的實施，需要實驗設備和實驗平臺兩方面的支持，對于實驗平臺的設計與開發(fā)需要做到兩個結(jié)合，一是實驗與理論知識相結(jié)合；二是實驗與實踐工程相結(jié)合[2]。只有這樣才能真正地發(fā)揮實驗的效果。然而，目前電力電子技術(shù)實驗存在與先進理論知識脫節(jié)、與生產(chǎn)實踐結(jié)合不緊密以及綜合性較差等問題：

1)傳統(tǒng)的電力電子實驗與實驗平臺相結(jié)合的問題。傳統(tǒng)的電力電子元器件、整流逆變電路，不僅在書本上具有圖像的展示而且其本身具有具體形象，易于記憶，容易被學生認知、接受，但是在實際應用過程中已基本實現(xiàn)模塊化封裝[3]。因此實驗平臺的設計，既要兼顧傳統(tǒng)元器件的形態(tài)，又要突出相關(guān)模塊的應用與實踐。

2)如何開展電力電子技術(shù)實驗，讓學生從硬、軟件上掌握電力電子技術(shù)的知識。從硬件平臺上看，當前的實驗只是向?qū)W生介紹電路工作過程，而沒能夠讓學生真正的參與到電路器件性能分析、主電路分析和動態(tài)工作過程分析，在仿真與模擬實驗方面更是空白。按照研究的理念，學生應該選擇自己感興趣的問題進行深度分析，從而形成自己獨特的研究方法，這需要有良好的實驗平臺作為支撐。

3)如何將新技術(shù)融入實驗中。電力電子技術(shù)的應用領(lǐng)域在不斷擴展，在智能電網(wǎng)、電磁兼容、節(jié)能等方面得到快速發(fā)展；同時，隨著電力器件的發(fā)展，電力電子技術(shù)對電力機車的發(fā)展起到了促進作用[4]。針對這一現(xiàn)狀，實驗平臺的設計應與當今流行的實踐項目相結(jié)合同時留有升級和進一步擴展的接口。

2 實驗平臺設計

針對目前電力電子實驗平臺的不足之處，在深入研究電力電子技術(shù)實驗原理和發(fā)展趨勢的基礎上，考慮到實驗教學的實際需求，并與當今發(fā)展迅速的電力機車變流技術(shù)相結(jié)合，設計了具有綜合性、創(chuàng)新性的電力機車變流技術(shù)實驗平臺。電力機車變流技術(shù)綜合實驗平臺的設計與開發(fā)主要包括交直交傳動系統(tǒng)電路設計、操作平臺設計以及遠程監(jiān)控平臺設計三部分。實驗平臺示意圖如圖1所示。

2.1 交直交傳動系統(tǒng)主電路設計

交直交傳動系統(tǒng)主電路主要包括四象限整流器、中間環(huán)節(jié)、四象限逆變器、異步電機以及信號采集電路五個模塊。主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1)四象限整流器、四象限逆變器硬件設計。采用智能功率模塊SPM45系列，為提高實驗平臺的應用性，因此采用模塊化設計方式，將四象限整理器和四象限逆變器單獨制作成為兩個獨立的多層板，并設有連接接口方便與其他部分連接，拓展實驗。設計并制作出的電路板如圖3所示。

2)采集電路以及調(diào)理電路設計。為保證系統(tǒng)能夠工作在牽引、制動兩種工作狀態(tài)，需要對四象限整流器、中間環(huán)節(jié)以及四象限逆變器中的電壓和電流進行采集。因此信息采集電路的設計尤為重要。本系統(tǒng)設計過程中，分別采用電壓型霍爾傳感器模塊以及電流型霍爾傳感器模塊進行檢測。其電路原理圖如圖4、圖5所示。

圖5為電流采集電路原理圖，采用基于霍爾效應的線性電流傳感器ACS712對電流測量。ACS712既可以測量交流也可測量直流，輸出電壓與所測量的交流或直流成比例，同時與芯片的供電電源電壓成比例，便于進行軟件計算。從霍爾傳感器模塊出來的信號比較復雜，需要經(jīng)過調(diào)理電路才能輸出給A/D轉(zhuǎn)換芯片，其電壓、電流調(diào)理電路如圖6、圖7所示。

3)電源模塊硬件設計。電源模塊是為實驗平臺各個模塊供電，實驗平臺所需要的直流電壓有3.3 V、5 V和15 V。其中直流5 V電壓為智能功率芯片、電流傳感器和運放放大器提供電壓，該電壓由外接開關(guān)電源模塊提供。3.3 V電源為主控芯片供電，該電壓在本設計中由低壓差線性調(diào)壓器LM1117-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?.3 V。15 V電源為智能功率芯片提供電壓，該電壓由PTN78000W將5 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?5 V。電源模塊設計如圖8所示。

4)電容電感設計。在整個電路設計的過程中，交流側(cè)電感的選擇以及直流側(cè)電容的選擇是至關(guān)重要的。對于交流側(cè)電感而言，其大小將會對整個系統(tǒng)的功率因數(shù)、系統(tǒng)輸出功率、直流側(cè)電壓等方面產(chǎn)生影響。電感大小的計算公式如下：

(1)

式中，em為電網(wǎng)電壓峰值；Ts為整流器的控制開關(guān)周期；im為網(wǎng)側(cè)相電流的基波峰值；Δimax為諧波電流的最大允許值。

通過大量的實驗，結(jié)合理論公式計算，本實驗平臺選擇2 mh。

對于直流側(cè)電容而言，其型號的選擇直接影響到直流側(cè)電壓對給定電壓的追隨性以及輸出電壓的穩(wěn)定性。電容大小的計算公式如下：

(2)

通過大量的實驗，結(jié)合理論公式計算，實驗平臺選擇2 800 μF。

2.2 交直交傳動系統(tǒng)控制電路設計

傳動控制單元采用目前先進的STM32F4作為核心控制芯片，采用了IFCO間接磁場定向控制方式及SVPWM調(diào)制方式，輸出PWM波，完成對交直交傳動主電路的控制。并且采用CAN總線完成數(shù)據(jù)傳輸?？刂齐娐返挠布到y(tǒng)框圖如圖9所示。 考慮到實驗系統(tǒng)的層次性以及可二次開發(fā)的特點，采用模塊化方式設計主電路模塊，便于對系統(tǒng)主電路不同部分進行控制。

2.3 遠程控制臺設計

為了實現(xiàn)對交直交系統(tǒng)的控制，需要對運作過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行實時的監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)故障，故障指示燈及時地亮起，便于及時發(fā)現(xiàn)故障、處理故障。同時，監(jiān)測系統(tǒng)具有保存數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)的功能，將實驗過程中的數(shù)據(jù)，導出到excel表格中，便于進行下一步的研究。本部分的設計主要采用NI公司開發(fā)的LabVIEW進行上位機界面的編寫[5]。檢測界面如圖10所示。

3 實驗平臺優(yōu)勢

3.1 應用層次廣泛性

本實驗平臺，不僅適用于學習電力電子技術(shù)課程的主要專業(yè)，如電氣工程專業(yè)，自動化專業(yè)等電氣專業(yè)，同時還適用于其他非主要專業(yè)，如電子信息工程專業(yè)；同時，既可以滿足優(yōu)秀本科生進行實驗的拓展，又可以滿足碩士研究生進行科研創(chuàng)新。

3.2 擴展性

本實驗平臺在設計、制作的過程中，考慮到不同層次的實驗者，在設計過程中，將交直交傳動系統(tǒng)的主電路部分進行了模塊化設計，將其分為四象限整流器部分、逆變器部分以及電機控制部分，并且每一部分都有自己的核心控制模塊，這樣既可以單獨進行實驗，又可以將各個模塊連接起來進行綜合性的實驗。同時，采用可編程器件進行設計，學生可以根據(jù)實驗目的和要求，對程序進行編寫，可供優(yōu)秀本科生和碩士研究生進行科研創(chuàng)新。

3.3 創(chuàng)新性

創(chuàng)新性的填補了目前實驗項目與電力機車變流技術(shù)相結(jié)合的空白。本實驗平臺，參照機車、動車牽引變流典型電路，制作出電力機車變流電路模型。將電力電子技術(shù)課程知識與實際電力機車變流技術(shù)相結(jié)合，有效地彌補現(xiàn)場實踐教學環(huán)節(jié)的不足，在實驗過程中充分調(diào)動學生學習的積極性，動手去做，想法得到驗證。通過思考、創(chuàng)新、動手驗證實驗、分析結(jié)果這四個過程，使得教學質(zhì)量大大提高。

4 結(jié)束語

電力電子技術(shù)作為一門多門學科的交叉學科，同時又是當今多種新型項目的知識基礎，因此對于電力電子技術(shù)知識的教學質(zhì)量必須有所提高，緊跟時代的前沿。只有這樣才能提高學生的動手能力，解決學生所學知識與實際項目工程相脫離的問題。對于電力機車綜合實驗平臺的設計，可以大大地提高教學質(zhì)量，有效地將當今主流的電力機車變流技術(shù)與電力電子技術(shù)知識相結(jié)合。使電氣類專業(yè)的學生對于電力電子技術(shù)知識有更加直觀的理解，更加深刻的認識以及更加實際的應用。

[1] 楊穎.以學生為本創(chuàng)新電子技術(shù)實驗課教學[J].實驗室研究與探索，2010，29(6)：80-83.

[2] 王智東，梁灼勇，王鋼.電氣工程專業(yè)微機及網(wǎng)絡通信實驗支撐平臺[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2010，22(4)：151-155.

[3] 梁梅.電力電子技術(shù)綜合實驗平臺的研究與建設[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，15(13)：16-17.

[4] 周江濤.交直交—交直綜合傳動實驗臺的研制[D].成都：西南交通大學，2011.

[5] 董如金.基于LabVIEW的電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)試驗研究[D].上海：華東理工大學，2011.

DesignandDevelopmentofElectricLocomotiveConverterTechnologyIntegratedExperimentPlatform

DUAN Xin1， YAN Yan1， CHEN Bao-ping1， LI Teng2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China;2.Housing Section, Taiyuan Railway, Taiyuan030000, Shanxi, China)

Devices for power electronic technology experiment are generally backward and fail to satisfy the need of teaching and technology development nowadays. The design and manufacture of comprehensive experimental platform combined with traditional experiment and advanced electric locomotive converter technology. This platform realized the operation of converter system of electric locomotive. The platform is used for experimental operation of undergraduate and research and innovation of graduate.

power electronics technology; comprehensive experimental platform; converter technology

2017-04-28

段鑫(1991-)，女，河北邢臺人，碩士，主要從事電力電子與電力傳動研究，E-mail：524762983@qq.com。

U264-46

A

1008-9446(2017)06-0047-05