《电力电子变流技术》新课程实践及教学装置的研制

岑方卫 谢庭柱

（柳州职业技术学院 电子电气系，广西 柳州 545006）

1 引言

《电力电子变流技术》课程是电力类专业和自动控制类专业的一门专业课程，是一门专业基础性质较强且与生产紧密联系的课程。由于《电力电子变流技术》课程实践性很强，而高等职业技术教育以培养高级技能型人才为办学方向，因此配备合适的实践教学装置在该课程的教学中显得特别重要。

目前，大多数教学设备生产厂家生产的传统型《电力电子变流技术》课程实践教学装置主要针对验证性的实验而设计，而且电路中的大部分元器件固定在面积小而封闭的面板背面，学生只能通过面板上的电气符号进行连线实验和测试，不能方便地观察元器件的外型及结构，不利于学生对元器件的识别。由于传统型《电力电子变流技术》课程实践教学装置在结构上存在以上缺点，很难让学生进行拆装训练、故障检测与排除、综合调试等实践教学活动，无法满足高等职业技术教育的实践教学要求。为了克服传统型《电力电子变流技术》课程实践教学装置结构上局限性，我们研制了新型《电力电子变流技术》课程实践教学装置，目的是把该课程的实验和技能训练有机地结合起来，它采用仿真实生产设备的柜体形式，采用可以灵活拆装的以电路功能模块为单元的积木式系统电路结构设计，设有多重保护电路和故障检测报警电路，师生可以在接近真实的生产环境中方便、安全地开展各个项目的实践教学活动，使学生的动手操作能力、分析和处理实际问题的能力以及创新能力得到充分的锻炼。

2 柜体结构设计

新型《电力电子变流技术》课程实践教学装置是尺寸为1830×1000×600mm柜式结构，柜体正面设有三扇门（上方门安装电压表、电流表和操作按钮，下方为双开门），柜体背面设有双开门，所有电路模块、主电源的空气开关和接触器、控制回路的漏电保护开关、双踪示波器均裸露安装在柜内一块绝缘板上，主回路整流变压器安装在柜内底部，整个装置结构与真实生产设备结构接近，如图1所示。师生可以直观地看到电路的整体布局、元器件的外形结构及安装形式、电路模块间的联接关系，能方便地动手进行实验、拆装训练、故障检测与排除、调试等实践教学活动。

图1 装置正面照片

3 系统电路板结构设计

新型《电力电子变流技术》课程实践教学装置的设计思路是提供一个能灵活拆装组合的基本硬件平台，除了能完成基本实验实训课题外，还可以作为调试和故障排除等技能训练设备。同时，也可以作为课程设计和毕业设计的硬件平台，学生在老师的指导下设计制作专门单元电路，利用本实践教学装置的硬件平台，完成电路的组装、调试。本实践教学装置除了电压表、电流表、操作按钮、整流变压器外，全部电路安装在柜内的一块约90×90㎝的绝缘板上，称之为系统电路板。系统电路板采用可以灵活拆装的以电路功能模块为单元的积木式结构设计，将既相对独立又能方便组合的单元电路划分为一个功能模块，再由多个功能模块组成系统基本硬件平台。基本硬件平台设有继电控制模块、易拆装主电路模块、同步变压器模块、保护模块、脉冲检测与报警模块、脉冲变压器模块、直流稳压电源模块、励磁电源模块等八个功能模块，供学生进行各功能模块的拆装训练、课程实验与调试。系统电路板上设有一个触发电路板安装区，可以根据课题需要装上专门的触发电路板。本实践教学装置设计有五块专门的触发电路板，分别为单结管触发电路板、三路分立元件正弦波同步触发电路板、六路分立元件锯齿波同步触发电路板、KC04集成电路六路双脉冲触发电路板、TC787集成电路六路双脉冲列触发电路板。每块触发电路板上都安装有接线端子，触发电路板上的电源、同步信号、脉冲输出信号及其他控制信号均通过触发电路板接线端子与其它功能模块连接，可以训练学生对信号连接关系的正确判断能力。所有的触发电路板都设置有监测点，一些功能模块还设有故障设置点，教师可以方便的设置故障，供学生进行故障分析和故障排除的实践训练。系统电路板上设有输入/输出接线端子、触发及控制电路接线端子，它们是系统基本硬件平台与外部电源、负载以及触发电路板的接口，可以供学生进行各功能模块间的连线训练。各部分的连接关系及信号流向如图2所示。

4 保护电路和故障检测报警电路设计

高等职业技术院校配备课程实践教学装置的主要目的是让学生动手操作，学生在动手操作过程中难免误操作，误操作会使实践教学装置发生故障甚至损坏，严重影响了正常的实践教学进程。因此，实践教学装置的安全可靠性能尤为重要。为了最大限度地减少学生在动手操作工程中因误操作损坏实践教学装置的可能性，本实践教学装置除保留了短路保护、过电压保护等常规保护电路外，还设计了过电流检测电路、脉冲光耦隔离电路、脉冲检测及报警电路。

图2 系统电气控制流程图

4.1 过流检测电路设计

过流检测电路通过电流互感器检测主回路的电流并转换成电压信号，为过流保护和自动控制提供所需信号。保护形式为推逆变方式，对于感性负载，可把能量回馈电网。过流检测电路原理图如图3所示。

晶闸管门极触发脉冲丢失直接影响到主回路的正常工作，因此，本装置设置了脉冲检测电路为故障排除提供方便。由于主回路与控制回路不能直接相连，各晶闸管的阴极也不能连在一起，否则会造成主回路短路。所以必须采用光耦隔离电路将各晶闸管门极的触发脉冲通过光耦器件进行光电隔离后，作为脉冲检测信号送给脉冲检测及报警电路进行检测和报警处理。脉冲光耦隔离电路原理图如图4所示。

4.2 脉冲检测及报警电路设计

图4 脉冲光耦隔离电路原理图

脉冲检测及报警电路对脉冲光耦隔离电路板输出的六路脉冲信号进行监测和判断，若有脉冲丢失，则通过LED发光二极管指示脉冲丢失的对应晶闸管，同时声光报警电路报警。也可以把报警信号接至触发及控制电路接线端子，以便进行相关控制。脉冲检测及报警电路原理图如图5所示。此电路简单实用，且能自动指示被检测的脉冲是否丢失，若脉冲正常LED2(绿色)灯亮；若脉冲丢失LED1(红色)亮，同时由Q7、Q8组成的声光报警电路发出声光报警。本设计用六片NE555集成电路组成六路相同的脉冲检测电路，任一路脉冲丢失，由Q7、Q8组成的声光报警电路都发出声光报警。电路工作原理简述如下：六路脉冲信号从J1～J6端输入，当晶闸管触发脉冲正常时，Q1在脉冲为高电平期间导通，C上的充电电压定时放电，使NE555的2脚总处于低电平(< VDD)，555置位使3脚输出高电平，LED2(绿色)灯亮；当晶闸管触发脉冲消失或漏掉较多时，Q1截止或导通次数比原来少，C上的充电电压高于 VDD，时，NE555复位，其3脚呈低电平，LED2灭LED1(红色)亮，表明有故障，同时由Q7、Q8组成的声光报警电路发出声光报警。

图5 脉冲检测及报警电路原理图

5 结束语

新型《电力电子变流技术》课程实践教学装置已用于我院的实践教学课堂中，师生利用该装置进行实验、安装调试训练、故障检测与排除训练、设计开发实践等教学活动。该装置采用仿真实生产设备的柜体结构设计，给学生提供了接近生产实际的实训环境；采用灵活拆装的功能模块积木式的系统电路板结构设计，方便学生自行组合安装来完成不同的实验和技能训练；采用多重保护电路设计和故障报警电路设计，装置安全可靠，教师放心，学生大胆动手实践。

本文介绍了柳州职业技术学院的一个科研课题——《变流技术实验、实训指导书和装置的研究》的研究成果（该课题于2005年12月完成并通过了学院的结题验收），抛砖引玉，希望看到教学设备生产厂家和兄弟高职院校开发、研制更多符合高等职业技术院校人才培养要求的实践教学装置。