陳文明 秦海鴻 卜飛飛

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 211106)

南京航空航天大學(xué)“電力電子”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)由接插式面包板裝置,到集成式實(shí)驗(yàn)掛箱的發(fā)展過程。最初的接插式面包板裝置需要學(xué)生將零散的獨(dú)立器件按照實(shí)驗(yàn)原理圖完成接插和導(dǎo)線連接,完成相應(yīng)的課程任務(wù)。這種方式會使學(xué)生花費(fèi)大量時(shí)間在器件接插上,并且不穩(wěn)定的接插裝置使得實(shí)驗(yàn)過程問題頻出,因而教學(xué)效率極低。使用這種裝置教學(xué)時(shí),非常多的學(xué)生不能在限定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中完成最基本的觀測任務(wù),更遑論騰出時(shí)間進(jìn)行獨(dú)立思考和創(chuàng)新。針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)低效的問題,學(xué)院將實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)為封閉式、只在面板上引出觀測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)掛箱。這種裝置解決了由器件接插引發(fā)的各種問題,提升了教學(xué)效率[1-3]。大部分學(xué)生能夠按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成波形觀測、原理驗(yàn)證等基本任務(wù),很好地應(yīng)對了擴(kuò)招導(dǎo)致的學(xué)生數(shù)量激增帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力。但這種實(shí)驗(yàn)裝置存在可操作內(nèi)容有限的問題,僅能對固定參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行理論性的驗(yàn)證,不利于學(xué)生工程設(shè)計(jì)等能力的進(jìn)一步提高。面對新時(shí)代提出的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目標(biāo)和要求[4-11],本文提出一種新型的電力電子實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)方法設(shè)計(jì),以提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、培養(yǎng)學(xué)生工程思維為導(dǎo)向推動(dòng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的全面開展,進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 設(shè)計(jì)思路

面對新的教學(xué)培養(yǎng)需要,新型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該具有更強(qiáng)的層次性和拓展性。在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上既要能讓設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有更寬廣的拓展設(shè)計(jì),也要能保證裝置的規(guī)?；瘧?yīng)用。通過適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì),學(xué)生能夠獨(dú)立思考完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù),通過自己的努力達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),增加學(xué)生的自我效能感和實(shí)驗(yàn)興趣。

用“搭積木”的方式構(gòu)建系統(tǒng)是常用的工程思維,如果實(shí)驗(yàn)裝置不能自由組合,學(xué)生就不能深切體會系統(tǒng)的構(gòu)成,也不能實(shí)際體驗(yàn)從局部最優(yōu)到系統(tǒng)最優(yōu)的選擇過程,并且沒有選擇就不會有各種方案的比較?！胺e木塊”的設(shè)計(jì)必須綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和所需學(xué)時(shí)的要求。沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)可以占用學(xué)生的無限學(xué)時(shí),因此必須統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃。通過反思以前的面包板實(shí)驗(yàn)裝置和封閉式面板實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn),“積木塊”的設(shè)計(jì)要從底層開始,以便提升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體的可拓展性。新型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路是主電路模塊下沉到器件級,控制電路模塊下沉到功能級。這樣既能使學(xué)生對系統(tǒng)的構(gòu)成有清晰的認(rèn)識,又能掌握基本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和參數(shù)整定方法。裝置靈活的組合拓展性還能夠幫助學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)一步研究系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),通過模塊化裝置學(xué)習(xí)局部最優(yōu)到系統(tǒng)最優(yōu)的設(shè)計(jì)過程。這種靈活的裝置設(shè)計(jì)思路能夠滿足對學(xué)生工程思維和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)需要,滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求;同時(shí)還能夠輔助學(xué)院開展學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng),幫助學(xué)生深入了解電力電子技術(shù)的學(xué)科發(fā)展方向和技術(shù)研究難題。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)本科電力電子技術(shù)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,電力電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)具有如下設(shè)計(jì)目標(biāo):

(1)以開展高頻變換器實(shí)驗(yàn)為目的,能搭建出幾乎所有現(xiàn)行教科書中涉及的電路拓?fù)洹?/p>

(2)能夠開展電力電子系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)條件下的完整電路實(shí)驗(yàn)。

(3)所有部件模塊化,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有靈活充足的模塊以供選擇。

(4)系統(tǒng)是開放性的,可以隨著新的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求的變化,隨時(shí)開發(fā)設(shè)計(jì)出新的模塊以適應(yīng)教學(xué)目標(biāo)的變化。

(5)實(shí)驗(yàn)平臺不僅能滿足電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,而且能為電氣專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)和基礎(chǔ)科研活動(dòng)提供一個(gè)研究平臺[12]。

(6)為保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)的人身安全,實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)在低壓供電下運(yùn)行。不追求性能的最優(yōu)良,但能保證功能實(shí)現(xiàn)且造價(jià)低廉,有利于設(shè)備批量化生產(chǎn),且易于維護(hù)。

(7)通用性設(shè)計(jì)。要完成可拓展性,必須針對模塊有一個(gè)通用化的平臺,每個(gè)模塊尺寸標(biāo)準(zhǔn),與總平臺的機(jī)械尺寸結(jié)構(gòu)統(tǒng)一,使模塊可以在平臺上隨意增減。平臺板上設(shè)置有電源接口和電壓表電流表,方便對電路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

2 模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

按照第1節(jié)中提出的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路與目標(biāo),本文針對電力電子系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置,包括表1中32個(gè)基本模塊。

圖1 模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

表1 模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置模塊列表

實(shí)驗(yàn)裝置的模塊可以按圖2和圖3選配各式不同的參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)以方便系統(tǒng)參數(shù)的靈活設(shè)計(jì)。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),也可以根據(jù)不同層次學(xué)生進(jìn)行開放程度等級不同的設(shè)計(jì)。

圖2 電解電容模塊

圖3 高頻電容模塊

在實(shí)驗(yàn)裝置整體設(shè)計(jì)中,要滿足電力電子學(xué)科的實(shí)驗(yàn)裝置通用性,首先要確定系統(tǒng)的工作頻率范圍。因?yàn)閷τ谕暾碾娏﹄娮酉到y(tǒng),在模塊化實(shí)現(xiàn)過程中由于模塊之間的導(dǎo)線連接會為系統(tǒng)帶來大量的電路寄生參數(shù),而工作頻率設(shè)置過高會使得電路寄生參數(shù)帶來不良影響,例如寄生電感在頻率過高時(shí)產(chǎn)生過高的尖峰電壓,寄生電阻帶來額外的功率損耗,頻率過高時(shí)寄生參數(shù)對閉環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞等,這些會影響到實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)效果[13]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),實(shí)際采用的工作頻率在20 kHz至50 kHz之間是適合的,各模塊如需要調(diào)節(jié)工作頻率,其頻率可調(diào)范圍均設(shè)置在此區(qū)間內(nèi)。

此外,考慮到主功率器件都會受到寄生電路參數(shù)的影響,功率MOSFET模塊和快恢復(fù)二極管模塊均自帶吸收電路,吸收電路參數(shù)學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)修改。

對實(shí)驗(yàn)裝置通用性設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵器件是磁性元件,這是電力電子高頻變換技術(shù)中的重要器件。新型實(shí)驗(yàn)裝置中的高頻變壓器如圖4所示采用四繞組設(shè)計(jì),每個(gè)繞組匝數(shù)相等,只要對其工作條件作適當(dāng)限制就能應(yīng)用于各種變換器拓?fù)渲?。電感器采用四繞組設(shè)計(jì),對繞組串、并聯(lián)得到多種電感量,增強(qiáng)電感參數(shù)設(shè)計(jì)的靈活度。

圖4 高頻變壓器模塊

為了增強(qiáng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置的擴(kuò)展性,本文設(shè)計(jì)了兩種擴(kuò)展方式。第一種是通用擴(kuò)展,提供一種通用的空白模塊,可以將需要擴(kuò)展的器件簡單焊接于空白模塊之上,形成新的模塊,接入系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種方式適用于特殊參數(shù)的簡單器件擴(kuò)展,比如特殊參數(shù)的電阻、電容、電感等。第二種是功能擴(kuò)展,在系統(tǒng)中沒有某種功能模塊的情況下,在標(biāo)準(zhǔn)模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種全新的功能模塊,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的功能外擴(kuò)。

3 模塊化電力電子裝置教學(xué)方法設(shè)計(jì)

根據(jù)電力電子技術(shù)學(xué)科的不同教學(xué)要求,新型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)施三種模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué):

(1)指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。由教師指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)K,學(xué)生根據(jù)模塊原理圖表達(dá)的功能性質(zhì)自行擬定實(shí)驗(yàn)線路、實(shí)驗(yàn)步驟,組成系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)。

(2)指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)。教師只指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?不對實(shí)驗(yàn)?zāi)K做要求,學(xué)生需要查閱所有功能模塊的資料,自行選用所需模塊,擬定實(shí)驗(yàn)方案;教師負(fù)責(zé)審定實(shí)驗(yàn)方案的可行性,其余完全由學(xué)生自主完成。

(3)學(xué)生完全自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教師不提任何要求,由理論課授課教師或畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師提出項(xiàng)目內(nèi)容;學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有模塊條件擬定設(shè)計(jì)方案,對現(xiàn)有模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì);沒有現(xiàn)成模塊的,需要獨(dú)立自主開發(fā)出新模塊與已有模塊配合完成項(xiàng)目內(nèi)容。

現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)第二種模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例說明教學(xué)實(shí)施流程。

第二種模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)面對的基本教學(xué)對象是剛進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)的大三學(xué)生,其理論課程基礎(chǔ)是電路原理、模擬電子技術(shù),數(shù)字電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理等,專業(yè)實(shí)踐基礎(chǔ)仍然比較薄弱。這類學(xué)生需要合理設(shè)計(jì)教學(xué)流程以協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,幫助學(xué)生逐漸形成以學(xué)科理論為基礎(chǔ)的工程思維。

第二種模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖5所示。該模式首先是利用網(wǎng)絡(luò)平臺播放整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的講解視頻,發(fā)布各個(gè)模塊的實(shí)物照片及各個(gè)模塊的原理圖、參數(shù)和接口定義,在感官上給學(xué)生一個(gè)實(shí)際器件的初步認(rèn)識。然后由指導(dǎo)教師指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦L制基本的實(shí)驗(yàn)原理圖,再根據(jù)新裝置中各功能模塊的原理圖自行選用所需模塊,并且對各模塊的參數(shù)進(jìn)行核算和功能驗(yàn)證,以此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。之后由指導(dǎo)教師審閱、點(diǎn)評和網(wǎng)絡(luò)答疑,提出指導(dǎo)性意見,學(xué)生再根據(jù)指導(dǎo)意見修改實(shí)驗(yàn)方案,直到實(shí)驗(yàn)方案切實(shí)可行才正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這個(gè)過程中,在教與學(xué)之間多次互動(dòng)、充分交流是這種模式的重要特征,學(xué)生在理解模塊功能的同時(shí),能夠?qū)⑺鶎W(xué)的“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”和“自動(dòng)控制原理”等課程知識融會貫通,整個(gè)教學(xué)過程環(huán)環(huán)相扣,逐步達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。最后,學(xué)生做出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,指導(dǎo)教師依據(jù)整個(gè)過程中的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況給予實(shí)驗(yàn)成績評定。

圖5 指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式流程

在教學(xué)過程中,還可以設(shè)計(jì)難度不同的實(shí)驗(yàn)選題,明確實(shí)驗(yàn)選題的難度等級;由學(xué)生自行選擇并完成,分層教學(xué)、因材施教。教師針對不同難度選題,視完成情況給予適當(dāng)?shù)脑u價(jià),進(jìn)而避免同質(zhì)化現(xiàn)象。自主選題下的評價(jià)方法如表2所示。

表2 自主選題下的評價(jià)方法

4 模塊化電力電子裝置教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以單端正激變換器實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)方法,并以第二種指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

4.1 單端正激變換器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)

指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì):教師指定模塊,學(xué)生自行連線,可以觀察的內(nèi)容包括開關(guān)管驅(qū)動(dòng)特性,米勒效應(yīng);驅(qū)動(dòng)電阻作用;緩沖電路工作原理;電感大小對工作的影響;濾波電容大小影響;磁復(fù)位時(shí)間與匝比關(guān)系;輸出電壓與占空比關(guān)系。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢葬槍Υ笠恍律难杏懻n或者非電專業(yè)的本科學(xué)生開展,由教師搭建好實(shí)驗(yàn)電路,請學(xué)生加電觀看測試波形和數(shù)據(jù),由教師進(jìn)行講解。

指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì):學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路及選擇模塊,可以改變部分指定參數(shù),分析參數(shù)變化帶來的影響。該模式可以針對正在進(jìn)行電力“電子技術(shù)理論”課程學(xué)習(xí)的大二或大三學(xué)生開展。

學(xué)生完全自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì):學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路及選擇模塊,可以改變所有可改變的參數(shù),也可以設(shè)計(jì)新的模塊(如新的控制方法)組成自己獨(dú)有的電路系統(tǒng)。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢葬槍ν瓿伞半娏﹄娮蛹夹g(shù)”理論課程學(xué)習(xí)、進(jìn)行課余專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)開展或本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的大三、大四學(xué)生或進(jìn)行“功率電子學(xué)”理論課程學(xué)習(xí)的低年級研究生。

4.2 指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪Ｊ较聦?shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樵O(shè)計(jì)一個(gè)正激變換器,額定直流輸入電壓為28 V,輸入電壓變化范圍為20 V至30 V,輸出為+15 V直流,最大輸出電流是1 A,工作頻率設(shè)置為25 kHz。

學(xué)生首先根據(jù)設(shè)計(jì)需求繪制如圖6所示的原理圖。

圖6 單端正激變換器原理圖

在模塊列表清單中選擇對應(yīng)電路模塊。對應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖中主電路部分,輸入電容、輸出電容C1、C2選取“電解電容模塊”各一個(gè),D1、D2、D3選取“快恢復(fù)二極管模塊”各一個(gè),T1選取“功率MOSFET單管模塊”,N1、N2、N3選取“高頻變壓器模塊”,選取“電感模塊”,選取“電阻負(fù)載模塊”。輸入電源選用0至30 V可調(diào)的通用穩(wěn)壓電源。

對應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖中控制電路部分,根據(jù)每一部分電路功能,選擇對應(yīng)的功能模塊。驅(qū)動(dòng)電路選用“光隔離驅(qū)動(dòng)模塊”,電壓型PWM電路選用“電壓型PWM模塊”,控制電源選用“內(nèi)部電源模塊”,電壓PI調(diào)節(jié)器選用“PI調(diào)節(jié)器A模塊”,電壓反饋選用“電阻分壓傳感器模塊”,電壓給定選用“電壓給定限幅調(diào)節(jié)模塊”。

設(shè)計(jì)電路參數(shù)。出于通用性設(shè)計(jì)原則,“高頻變壓器模塊”和“電感模塊”等磁性元件均采用四繞組設(shè)計(jì),在做具體實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生需要根據(jù)基本電路要求選擇變壓器或電感的參數(shù),因此需要對相應(yīng)磁性元件進(jìn)行核算和選擇。

“高頻變壓器模塊”和“電感模塊”內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似,均繞有四個(gè)匝數(shù)相同的隔離繞組。“高頻變壓器模塊”每個(gè)繞組施加的電壓伏秒積小于1500 V·μs下均能正常工作。學(xué)生需要校核所設(shè)計(jì)的變壓器實(shí)際伏秒積不能超過該值?！半姼心K”每個(gè)繞組匝數(shù)也相同,且每單個(gè)繞組的電感量為63 μH,可以通過繞組串聯(lián)的方式組合出252 μH、567 μH、1 mH等多個(gè)電感值,且滿足在最大電感量1 mH時(shí)直流偏置電流10 A下不飽和,以滿足不同實(shí)驗(yàn)的需求。

正激變換器輸出電壓表達(dá)式為式(1)[14-15]:

(1)

在最低輸入20 V的情況下,變壓器的變比N2/N1按照式(2)求取

(2)

最大占空比Dmax與磁恢復(fù)繞組N3和原邊繞組N1有關(guān)?？紤]到晶體管承受耐壓,一般取N3=N1。根據(jù)式(2),忽略開關(guān)器件導(dǎo)通壓降,變壓器的變比N2/N1必須滿足大于1.5才能在輸入20 V條件下得到15 V的輸出電壓。因此,選擇變壓器時(shí),可以在實(shí)際接線中將變壓器模塊中副邊用兩個(gè)繞組串聯(lián),一個(gè)繞組作為原邊繞組N1,另外一個(gè)繞組作為磁恢復(fù)繞組N3,此時(shí)變比N2/N1為1∶2,磁恢復(fù)繞組和主繞組匝比N3/N1為1∶1,變換器允許最大占空比Dmax為0.5。

以此類推,可以在實(shí)驗(yàn)要求中提出對電感電流脈動(dòng)量的要求,要求學(xué)生核算電感電流脈動(dòng),并選擇如何連接濾波電感才能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

通過參數(shù)計(jì)算,學(xué)生能真切體會到工程設(shè)計(jì)是受到各種實(shí)際情況制約的,需要在性能指標(biāo)和其他諸多具體因素的權(quán)衡中做出選擇,達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的平衡;同時(shí)還可以使學(xué)生理解系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)的權(quán)衡取舍的原因:由于功能模塊自身的特點(diǎn),不可能很多指標(biāo)同時(shí)達(dá)到理想的最優(yōu)狀態(tài),而且對于學(xué)科研究追尋的目標(biāo)方向、存在的技術(shù)難題與技術(shù)瓶頸也有個(gè)初步的認(rèn)識。

4.3 指定實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪Ｊ较聦?shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施實(shí)例

相較于在集成式實(shí)驗(yàn)掛箱上進(jìn)行簡單的波形測試,模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)施過程更為復(fù)雜。如果在選擇好模塊后立即對全部模塊進(jìn)行電氣連接,達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果具有很大難度。尤其是產(chǎn)生故障現(xiàn)象時(shí)這種方式對問題難以定位[16]。因此實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)該和科研中的調(diào)試過程類似,本著先部件、再開環(huán)、最后閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行。

在本實(shí)例中,選取了9個(gè)主功率電路模塊和6個(gè)控制電路模塊后,根據(jù)電路框圖即可得到每個(gè)模塊之間的連接關(guān)系,必要時(shí)可以繪制詳細(xì)的接線圖。

在具體接線之前,首先是各模塊功能測試。參照各模塊原理說明書對所選用的模塊進(jìn)行功能測試和參數(shù)調(diào)節(jié)。例如,對選用的“電壓型PWM模塊”單獨(dú)供電進(jìn)行測試和調(diào)節(jié),可先按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置其工作頻率于25 kHz,用外加誤差信號的方法實(shí)現(xiàn)PWM信號的調(diào)節(jié),并觀測改變誤差信號從而變化PWM波占空比的情況。

然后進(jìn)行初步的系統(tǒng)連接,把主電路和控制電路連接在一起,讓電路工作在開環(huán)模式,進(jìn)行開環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證主電路連接是否正確。

最后將電路連接成閉環(huán)工作模式,進(jìn)行完整的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中很多學(xué)生無法準(zhǔn)確判斷反饋極性,或者不能設(shè)置合適的電壓反饋和電壓給定參數(shù),需要教師進(jìn)行現(xiàn)場講解和干預(yù)。

如圖7所示,為正激變換器部分實(shí)驗(yàn)波形,其中上側(cè)波形為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形,下側(cè)為MOSFET開關(guān)管漏極-源極(D-S)電壓波形。

圖7 正激變換器部分實(shí)驗(yàn)波形

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后可以進(jìn)一步思考能否重新選擇模塊對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化:例如修改開關(guān)頻率,對輸出電壓質(zhì)量進(jìn)行限制,如何設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)能讓濾波器模塊的體積更小;在繼續(xù)考慮開關(guān)器件損耗后,如何設(shè)計(jì)開關(guān)頻率和濾波器模塊能夠權(quán)衡器件損耗、輸出波形質(zhì)量和濾波器模塊體積的指標(biāo)等。這樣不僅完成了設(shè)計(jì)任務(wù),而且做到從局部最優(yōu)到整體最優(yōu)的設(shè)計(jì)規(guī)劃。

5 結(jié)語

本文根據(jù)當(dāng)前電力電子技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程思維的培養(yǎng)需求,設(shè)計(jì)了模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置。這種裝置通過標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)兼顧了原有接插式面包板裝置的靈活組和的優(yōu)點(diǎn)和集成式實(shí)驗(yàn)掛箱易于穩(wěn)定地電氣連接的優(yōu)點(diǎn),能夠廣泛地照顧到不同類型學(xué)生的培養(yǎng)模式需要。模塊化電力電子實(shí)驗(yàn)裝置具有如下特點(diǎn):

(1)直觀的器件實(shí)物展現(xiàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,直接接觸了電力電子器件和電力電子裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在具體搭建電路的過程中能進(jìn)一步熟悉電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且對各種器件和局部功能有更為直觀的認(rèn)識,避免了封閉式實(shí)驗(yàn)裝置對電路認(rèn)識不足的缺點(diǎn)。

(2)適中的接線復(fù)雜度。避免了面包板式實(shí)驗(yàn)裝置的低效率。使學(xué)生能集中精力于主要原理性內(nèi)容,避開了大量器件與接線問題干擾。

(3)為開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供了基礎(chǔ)平臺。通過實(shí)驗(yàn)方案選題與設(shè)計(jì)以及自主搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)訓(xùn)練,有助于提高學(xué)生對整個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)知,能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識以及科研開發(fā)能力。

(4)可拓展性。由于模塊機(jī)械接口統(tǒng)一,實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都非常容易擴(kuò)展。當(dāng)需要開設(shè)新實(shí)驗(yàn)或者擴(kuò)展原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí),只要新增加一個(gè)或數(shù)個(gè)單元即可實(shí)現(xiàn)。單臺設(shè)備新增一個(gè)實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)際成本很低,給設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)創(chuàng)新提供了廣闊的空間。