岑方衛(wèi) 謝庭柱

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣系，廣西 柳州 545006）

1 引言

《電力電子變流技術(shù)》課程是電力類專業(yè)和自動控制類專業(yè)的一門專業(yè)課程，是一門專業(yè)基礎(chǔ)性質(zhì)較強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的課程。由于《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐性很強(qiáng)，而高等職業(yè)技術(shù)教育以培養(yǎng)高級技能型人才為辦學(xué)方向，因此配備合適的實(shí)踐教學(xué)裝置在該課程的教學(xué)中顯得特別重要。

目前，大多數(shù)教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的傳統(tǒng)型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置主要針對驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)，而且電路中的大部分元器件固定在面積小而封閉的面板背面，學(xué)生只能通過面板上的電氣符號進(jìn)行連線實(shí)驗(yàn)和測試，不能方便地觀察元器件的外型及結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對元器件的識別。由于傳統(tǒng)型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置在結(jié)構(gòu)上存在以上缺點(diǎn)，很難讓學(xué)生進(jìn)行拆裝訓(xùn)練、故障檢測與排除、綜合調(diào)試等實(shí)踐教學(xué)活動，無法滿足高等職業(yè)技術(shù)教育的實(shí)踐教學(xué)要求。為了克服傳統(tǒng)型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置結(jié)構(gòu)上局限性，我們研制了新型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置，目的是把該課程的實(shí)驗(yàn)和技能訓(xùn)練有機(jī)地結(jié)合起來，它采用仿真實(shí)生產(chǎn)設(shè)備的柜體形式，采用可以靈活拆裝的以電路功能模塊為單元的積木式系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)有多重保護(hù)電路和故障檢測報(bào)警電路，師生可以在接近真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中方便、安全地開展各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)活動，使學(xué)生的動手操作能力、分析和處理實(shí)際問題的能力以及創(chuàng)新能力得到充分的鍛煉。

2 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置是尺寸為1830×1000×600mm柜式結(jié)構(gòu)，柜體正面設(shè)有三扇門（上方門安裝電壓表、電流表和操作按鈕，下方為雙開門），柜體背面設(shè)有雙開門，所有電路模塊、主電源的空氣開關(guān)和接觸器、控制回路的漏電保護(hù)開關(guān)、雙蹤示波器均裸露安裝在柜內(nèi)一塊絕緣板上，主回路整流變壓器安裝在柜內(nèi)底部，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)與真實(shí)生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)接近，如圖1所示。師生可以直觀地看到電路的整體布局、元器件的外形結(jié)構(gòu)及安裝形式、電路模塊間的聯(lián)接關(guān)系，能方便地動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、拆裝訓(xùn)練、故障檢測與排除、調(diào)試等實(shí)踐教學(xué)活動。

圖1 裝置正面照片

3 系統(tǒng)電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)思路是提供一個(gè)能靈活拆裝組合的基本硬件平臺，除了能完成基本實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課題外，還可以作為調(diào)試和故障排除等技能訓(xùn)練設(shè)備。同時(shí)，也可以作為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件平臺，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)制作專門單元電路，利用本實(shí)踐教學(xué)裝置的硬件平臺，完成電路的組裝、調(diào)試。本實(shí)踐教學(xué)裝置除了電壓表、電流表、操作按鈕、整流變壓器外，全部電路安裝在柜內(nèi)的一塊約90×90㎝的絕緣板上，稱之為系統(tǒng)電路板。系統(tǒng)電路板采用可以靈活拆裝的以電路功能模塊為單元的積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將既相對獨(dú)立又能方便組合的單元電路劃分為一個(gè)功能模塊，再由多個(gè)功能模塊組成系統(tǒng)基本硬件平臺?；居布脚_設(shè)有繼電控制模塊、易拆裝主電路模塊、同步變壓器模塊、保護(hù)模塊、脈沖檢測與報(bào)警模塊、脈沖變壓器模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊、勵磁電源模塊等八個(gè)功能模塊，供學(xué)生進(jìn)行各功能模塊的拆裝訓(xùn)練、課程實(shí)驗(yàn)與調(diào)試。系統(tǒng)電路板上設(shè)有一個(gè)觸發(fā)電路板安裝區(qū)，可以根據(jù)課題需要裝上專門的觸發(fā)電路板。本實(shí)踐教學(xué)裝置設(shè)計(jì)有五塊專門的觸發(fā)電路板，分別為單結(jié)管觸發(fā)電路板、三路分立元件正弦波同步觸發(fā)電路板、六路分立元件鋸齒波同步觸發(fā)電路板、KC04集成電路六路雙脈沖觸發(fā)電路板、TC787集成電路六路雙脈沖列觸發(fā)電路板。每塊觸發(fā)電路板上都安裝有接線端子，觸發(fā)電路板上的電源、同步信號、脈沖輸出信號及其他控制信號均通過觸發(fā)電路板接線端子與其它功能模塊連接，可以訓(xùn)練學(xué)生對信號連接關(guān)系的正確判斷能力。所有的觸發(fā)電路板都設(shè)置有監(jiān)測點(diǎn)，一些功能模塊還設(shè)有故障設(shè)置點(diǎn)，教師可以方便的設(shè)置故障，供學(xué)生進(jìn)行故障分析和故障排除的實(shí)踐訓(xùn)練。系統(tǒng)電路板上設(shè)有輸入/輸出接線端子、觸發(fā)及控制電路接線端子，它們是系統(tǒng)基本硬件平臺與外部電源、負(fù)載以及觸發(fā)電路板的接口，可以供學(xué)生進(jìn)行各功能模塊間的連線訓(xùn)練。各部分的連接關(guān)系及信號流向如圖2所示。

4 保護(hù)電路和故障檢測報(bào)警電路設(shè)計(jì)

高等職業(yè)技術(shù)院校配備課程實(shí)踐教學(xué)裝置的主要目的是讓學(xué)生動手操作，學(xué)生在動手操作過程中難免誤操作，誤操作會使實(shí)踐教學(xué)裝置發(fā)生故障甚至損壞，嚴(yán)重影響了正常的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)程。因此，實(shí)踐教學(xué)裝置的安全可靠性能尤為重要。為了最大限度地減少學(xué)生在動手操作工程中因誤操作損壞實(shí)踐教學(xué)裝置的可能性，本實(shí)踐教學(xué)裝置除保留了短路保護(hù)、過電壓保護(hù)等常規(guī)保護(hù)電路外，還設(shè)計(jì)了過電流檢測電路、脈沖光耦隔離電路、脈沖檢測及報(bào)警電路。

圖2 系統(tǒng)電氣控制流程圖

4.1 過流檢測電路設(shè)計(jì)

過流檢測電路通過電流互感器檢測主回路的電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號，為過流保護(hù)和自動控制提供所需信號。保護(hù)形式為推逆變方式，對于感性負(fù)載，可把能量回饋電網(wǎng)。過流檢測電路原理圖如圖3所示。

晶閘管門極觸發(fā)脈沖丟失直接影響到主回路的正常工作，因此，本裝置設(shè)置了脈沖檢測電路為故障排除提供方便。由于主回路與控制回路不能直接相連，各晶閘管的陰極也不能連在一起，否則會造成主回路短路。所以必須采用光耦隔離電路將各晶閘管門極的觸發(fā)脈沖通過光耦器件進(jìn)行光電隔離后，作為脈沖檢測信號送給脈沖檢測及報(bào)警電路進(jìn)行檢測和報(bào)警處理。脈沖光耦隔離電路原理圖如圖4所示。

4.2 脈沖檢測及報(bào)警電路設(shè)計(jì)

圖4 脈沖光耦隔離電路原理圖

脈沖檢測及報(bào)警電路對脈沖光耦隔離電路板輸出的六路脈沖信號進(jìn)行監(jiān)測和判斷，若有脈沖丟失，則通過LED發(fā)光二極管指示脈沖丟失的對應(yīng)晶閘管，同時(shí)聲光報(bào)警電路報(bào)警。也可以把報(bào)警信號接至觸發(fā)及控制電路接線端子，以便進(jìn)行相關(guān)控制。脈沖檢測及報(bào)警電路原理圖如圖5所示。此電路簡單實(shí)用，且能自動指示被檢測的脈沖是否丟失，若脈沖正常LED2(綠色)燈亮；若脈沖丟失LED1(紅色)亮，同時(shí)由Q7、Q8組成的聲光報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警。本設(shè)計(jì)用六片NE555集成電路組成六路相同的脈沖檢測電路，任一路脈沖丟失，由Q7、Q8組成的聲光報(bào)警電路都發(fā)出聲光報(bào)警。電路工作原理簡述如下：六路脈沖信號從J1～J6端輸入，當(dāng)晶閘管觸發(fā)脈沖正常時(shí)，Q1在脈沖為高電平期間導(dǎo)通，C上的充電電壓定時(shí)放電，使NE555的2腳總處于低電平(< VDD)，555置位使3腳輸出高電平，LED2(綠色)燈亮；當(dāng)晶閘管觸發(fā)脈沖消失或漏掉較多時(shí)，Q1截止或?qū)ù螖?shù)比原來少，C上的充電電壓高于 VDD，時(shí)，NE555復(fù)位，其3腳呈低電平，LED2滅LED1(紅色)亮，表明有故障，同時(shí)由Q7、Q8組成的聲光報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警。

圖5 脈沖檢測及報(bào)警電路原理圖

5 結(jié)束語

新型《電力電子變流技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)裝置已用于我院的實(shí)踐教學(xué)課堂中，師生利用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、安裝調(diào)試訓(xùn)練、故障檢測與排除訓(xùn)練、設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)踐等教學(xué)活動。該裝置采用仿真實(shí)生產(chǎn)設(shè)備的柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給學(xué)生提供了接近生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)訓(xùn)環(huán)境；采用靈活拆裝的功能模塊積木式的系統(tǒng)電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便學(xué)生自行組合安裝來完成不同的實(shí)驗(yàn)和技能訓(xùn)練；采用多重保護(hù)電路設(shè)計(jì)和故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)，裝置安全可靠，教師放心，學(xué)生大膽動手實(shí)踐。

本文介紹了柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一個(gè)科研課題——《變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書和裝置的研究》的研究成果（該課題于2005年12月完成并通過了學(xué)院的結(jié)題驗(yàn)收），拋磚引玉，希望看到教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)廠家和兄弟高職院校開發(fā)、研制更多符合高等職業(yè)技術(shù)院校人才培養(yǎng)要求的實(shí)踐教學(xué)裝置。