電力電子應(yīng)用設(shè)計課程的項目化教學研究

何少佳 陳俊東 王 紅 羅 奕

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

電力電子技術(shù)是由電力技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)交叉融合形成，應(yīng)用范圍十分廣泛，是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實踐性很強。

在當前教學改革的大趨勢下，一些專業(yè)課程學時數(shù)被壓縮了很多，實驗課時數(shù)也相應(yīng)減少了。為降低課時數(shù)的不足對學生工程實踐能力的影響，也為了提高電氣工程及其自動化專業(yè)學生工程綜合應(yīng)用能力，在總課時減少的情況下，調(diào)整各門課程教學課時，桂林電子科技大學增開了電力電子應(yīng)用設(shè)計這門課程，并以項目化案例的內(nèi)容和方式進行教學。

電力電子應(yīng)用設(shè)計教學案例是以人造金剛石液壓機加熱系統(tǒng)應(yīng)用項目為參考對象，這是一個實際工程應(yīng)用項目。項目內(nèi)容較為復雜，性能指標要求較高，設(shè)計和生產(chǎn)難度較大。按照工程教育專業(yè)認證的要求，根據(jù)課程教學大綱的教學目標和學時數(shù)，以及學生的學習現(xiàn)狀，對項目內(nèi)容做了適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。案例內(nèi)容涉及電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器原理與應(yīng)用、自動控制原理、電力電子技術(shù)等課程知識，目的是使學生能夠結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)情況，綜合運用所學的理論知識，提高工程應(yīng)用設(shè)計能力和動手能力，為今后從事電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域工作打下堅實基礎(chǔ)。

人工合成金剛石的機理是使石墨在高溫、高壓下，借助金屬觸媒，轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。人造金剛石液壓機是生產(chǎn)金剛石單晶和其他復合材料的主要設(shè)備，其生產(chǎn)過程主要包括溫度控制和壓力控制。這兩項參數(shù)的控制，既相互聯(lián)系又相對獨立。由于課時數(shù)有限，本課程教學內(nèi)容主要涉及加熱控制部分。

1 加熱控制系統(tǒng)主電路

金剛石合成過程中，加熱電源通過相關(guān)頂錘直接加到合成塊兩端，電流流經(jīng)合成塊使其內(nèi)部發(fā)熱，獲得合成金剛石所需溫度。合成塊兩端電阻很小，只有毫歐姆級，故加在其兩端的電壓（負載電壓）也很小，通常只有幾伏，可低至3V左右，所以，必須經(jīng)過降壓環(huán)節(jié)。

加熱方式主要有直接加熱和間接加熱兩種，兩種加熱方式各有特點，主要區(qū)別在于合成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的不同。采用直接加熱方式電流更大，最高可達6500A以上。以當前功率器件發(fā)展水平和大電流工作狀態(tài)下，在低壓側(cè)調(diào)壓功率管產(chǎn)生的功率損耗大大高于在高壓側(cè)調(diào)壓產(chǎn)生的功率損耗。因此，金剛石合成加熱一般采用高壓側(cè)調(diào)壓方式，經(jīng)變壓器降壓，給合成塊供電加熱。

可供選擇的功率器件有很多，綜合考慮硬件成本、技術(shù)難度和教學時間等因素，本案例采用了單向晶閘管。其加熱主電路工作原理如圖1所示。

圖1 加熱主電路

在生產(chǎn)應(yīng)用中，為使電源三相平衡，大多數(shù)采用交流380V供電，少數(shù)采用交流220V供電。教學過程中，為保證試驗的安全性，也為了方便學生做試驗，采用了經(jīng)過隔離的交流220V電源輸入。

2 加熱調(diào)功閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

金剛石加熱控制實際是控制合成塊的內(nèi)部溫度，因此，溫度反饋控制是最有效的控制方式，但金剛石合成溫度的測量較為復雜，成本較高，不利于學生做試驗。間接的溫度控制可以采用功率反饋控制、電流反饋控制、電壓反饋控制等方式。相比之下，采用電壓反饋控制的方式更便于學生做試驗，故本試驗系統(tǒng)采用電壓反饋控制方式。同時，負載也用一般小功率電器替代。其系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2中，被控量為負載兩端電壓，執(zhí)行機構(gòu)和受控對象即是晶閘管移相控制的電壓部分。

圖2 人造金剛石加熱調(diào)功控制系統(tǒng)原理

2.1 控制器

控制器種類很多，從經(jīng)濟性、實用性以及本課程所面向的學生知識面和水平考慮，本項目采用比例-積分（PI）調(diào)節(jié)器。

PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。積分環(huán)節(jié)的作用，理論上可使系統(tǒng)靜態(tài)誤差為零。

比較+比例-積分調(diào)節(jié)器如圖3所示。本控制系統(tǒng)中，反饋信號為移相輸出電壓U。

圖3 比較+比例-積分控制器

2.2 執(zhí)行機構(gòu)

本控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)包括觸發(fā)脈沖發(fā)生電路、脈沖隔離與驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)。

2.2.1 觸發(fā)脈沖發(fā)生電路

觸發(fā)脈沖發(fā)生電路選擇KJ004。KJ004是國內(nèi)常用的一種國產(chǎn)晶閘管移相觸發(fā)電路，適用于單相、三相橋式全控供電裝置中，作為晶閘管雙路脈沖移相觸發(fā)，具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸出端、調(diào)試方便等功能與特點。其內(nèi)部電路在很多文獻中皆有介紹，這里不再贅述。

一般的電路仿真軟件元件庫中都沒有KJ004，因此，教學過程中進行仿真實驗時，可在圖形界面中畫出KJ004內(nèi)部電路圖。構(gòu)成典型應(yīng)用電路后，通過仿真，獲得各引腳波形圖，可進行分析、調(diào)試。如若采用Saber仿真軟件，可將其封裝為一個元件，在進行系統(tǒng)電路仿真時，直接調(diào)用即可。為便于學生理解，也可進一步將KJ004及其基本外圍電路封裝為一體，命名為“KJ004#”，則其應(yīng)用電路可按圖4所示進行連接。

圖4中，Vp1、Vp15分別為KJ004第1和第15引腳脈沖輸出，調(diào)整好偏置電壓后，就可由控制信號調(diào)節(jié)輸出脈沖Vp1、Vp15的移相角了。相比于KJ004常規(guī)應(yīng)用電路，圖4輸入輸出信號關(guān)系清晰明了，對于部分基礎(chǔ)薄弱、理解能力較差的學生也能比較容易理解、掌握KJ004應(yīng)用方法。

圖4 KJ004觸發(fā)電路應(yīng)用關(guān)系圖

2.2.2 脈沖隔離與驅(qū)動電路

由于晶閘管主電路連接高壓電源，觸發(fā)脈沖發(fā)生電路為低壓電路，兩者之間需進行電隔離。常用的電隔離方式有光電隔離和電磁隔離，本系統(tǒng)采用光電隔離方式。

實驗中選用的晶閘管型號為BT152，其門極觸發(fā)電流不超過20mA、電壓小于1.5V，故其驅(qū)動電源功率很小。

可選的光電耦合器有多種規(guī)格型號，對于本系統(tǒng)，4N29、4N33等都屬可選之列。采用光電耦合器的脈沖信號隔離驅(qū)動電路如圖5所示，晶閘管觸發(fā)信號由G1-K1兩端輸出，兩路信號驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一樣。由于光電耦合器為無源器件，故電路中增加了驅(qū)動電源。

圖5 光電隔離與驅(qū)動電路

2.3 檢測變送環(huán)節(jié)

系統(tǒng)采用電壓閉環(huán)反饋控制方式，被控量為移相控制輸出電壓。電壓信號檢測方法有很多，為便于學生實驗，采用了一種較為簡便的方法，即用普通小功率變壓器，原邊接到系統(tǒng)電壓輸出端，副邊輸出到整流濾波電路，再接到系統(tǒng)反饋輸入端。濾波采用常規(guī)的阻容濾波方式。

3 加熱調(diào)功閉環(huán)控制系統(tǒng)電路仿真仿真與硬件實驗

為便于學生深刻理解電路工作原理和設(shè)計過程，首先對電路進行仿真分析，并優(yōu)化設(shè)計；仿真分析達到較好效果后，再進行PCB排版布線，制作硬件調(diào)試。

調(diào)功控制系統(tǒng)電路仿真波形如圖6所示。

圖6中，兩路觸發(fā)脈沖波形相位角相差180°，閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出電壓波形正、負半波均衡，效果良好。

圖6 調(diào)功控制系統(tǒng)電路仿真結(jié)果

圖7為根據(jù)上述設(shè)計結(jié)果制作的硬件電路輸出電壓實驗結(jié)果，效果較為理想，達到了設(shè)計要求。

圖7 調(diào)功控制系統(tǒng)硬件電路輸出電壓測試結(jié)果

4 結(jié)語

電力電子應(yīng)用設(shè)計課程項目化教學內(nèi)容和方法普遍受到學生的歡迎，學習積極性很高，按時完成教師布置的各部分電路仿真和硬件實驗，部分學生還自由發(fā)揮，對電路個別環(huán)節(jié)進行了修改，也獲得了較為滿意的效果。例如，有些同學在電壓反饋環(huán)節(jié)中，棄用會造成一定誤差的二極管整流方式，改用無誤差的整流電路取得更為滿意的實驗效果。