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基于“模块标准化、设计自动...型电力电子教学实验平台设计_陈宇.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-07-24 基金项目:教育部第二批新工科研究与实践项目(E-NYDQHGC20202219);2021 年湖北高校省级教学研究项目(2021069);2021 年教育部电工电子基础课程教学指导分委会教学改革研究项目(E2139)作者简介:陈宇(1983),男,湖北武汉,博士,教授,主要研究方向为电力电子集成化、模块化和智能化,。通信作者:张蓉(1968),女,江西九江,博士
2、,副教授,主要研究方向为电力电子系统建模与控制技术,rrr_。引文格式:陈宇,郑启瑞,邓啸宇,等.基于“模块标准化、设计自动化”理念的新型电力电子教学实验平台设计J.实验技术与管理,2023,40(11):175-182.Cite this article:CHEN Y,ZHENG Q R,DENG X Y,et al.Design of a new power electronics teaching and experimental platform based on concept of module standardization and design automationJ.Expe
3、rimental Technology and Management,2023,40(11):175-182.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.026 实验教学研究与改革 基于“模块标准化、设计自动化”理念的 新型电力电子教学实验平台设计 陈 宇,郑启瑞,邓啸宇,王梓桐,商 毅,张 蓉(华中科技大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074)摘 要:“电力电子技术”是一门应用性和实践性极强的学科,通常配置了相关的电力电子实验教学环节。但传统定制化的规范型、基础性实验平台教学效果不佳、实验案例
4、更迭困难。为解决上述问题,该文提出一种基于模块标准化和设计自动化理念的新型电力电子实验教学平台,其优势在于:既可快速组装,又能给予学生足够的测试自由和创新空间;布局紧凑美观,性能优异,教学示范效果好;配套自动辅助设计软件,极大缩短了课程开发周期。这些优势与“新工科”实践性、创新性及工程认知等理念完全契合,可显著提升实验教学质量。关键词:新工科;电力电子技术;实验教学平台;模块标准化;设计自动化 中图分类号:TH183.3;G642.0 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)11-0175-08 Design of a new power electronics teachin
5、g and experimental platform based on concept of module standardization and design automation CHEN Yu,ZHENG Qirui,DENG Xiaoyu,WANG Zitong,SHANG Yi,ZHANG Rong(School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:“Power Electronics Te
6、chnology”is a highly applied and practical discipline,usually equipped with relevant power electronics experimental teaching segments.However,the traditional customized,standardized and basic experimental platform has poor teaching effectiveness,and it is difficult to replace experimental cases.To a
7、ddress the above issues,this article proposes a new power electronics experimental teaching platform based on the concept of module standardization and design automation.Its advantages include:It can be quickly assembled while giving students enough testing freedom and innovation space;Compact and e
8、legant layout,excellent performance,and good teaching demonstration effect;Equipped with automatic aided design software,which greatly shortens the course development cycle.These advantages fully align with the concepts of practicality,innovation,and engineering cognition of“New Engineering”,and can
9、 significantly improve the quality of experimental teaching.Key words:new engineering;power electronics technology;experimental teaching platforms;module standardization;design automation 176 实 验 技 术 与 管 理 1 背景“电力电子技术”是电气工程专业、自动化专业必修的专业基础课程,是后续的电力电子装置与系统设计、开关电源设计、电气传动控制等专业课程的理论基础。电力电子技术的实验教学环节具有很强的应
10、用性和综合性。随着新能源产业的快速发展,新能源在能源结构中的占比逐渐提升,大量电力电子装备、电动汽车及储能等多元负荷、分布式微电网等不断接入电网,新型开关器件、新拓扑结构和新控制策略不断涌现,电力电子技术迎来新的发展阶段,电力电子实验设备和平台建设也面临新的机遇和挑战。传统电力电子实验设备和平台受到传统教学理念、研发成本、开发难度、教学时长等多种因素限制,大多为定制化的规范型、基础性实验平台,主要用于训练学生基本的电路分析、设计和动手实践能力,难以展现复杂工程应用场景下的新型电路的创造过程,不利于培养学生从“电路创新”到“思维创新”的转变。为适应时代发展和技术变化的需要,各高校对电力电子教学实
11、验平台建设进行了探索,文献13运用 MATLAB/Simulink 自动代码生成技术、硬件在环技术及硬件电路模块化设计,实现了算法快速设计验证,解决了实验平台开发周期长及网络远程共享等问题;文献4采用模块化设计和简易编程接口建设了变速恒频双馈风力发电实验系统,解决了实验装置算法设计开放问题;文献5采用基于半实物仿真技术、集成开发环境和功率变换模块研发了电力电子变压器EPT 实验教学平台;文献6着眼于培养学生的创新意识,以 Boost 升压电路的拓扑再生重组,搭建了仿真实验教学平台,丰富了教学内容。以上这些实验教学平台建设有效促进了实验教学内容和教学手段的不断创新。新时代工程教育需要更多与时俱进
12、的实验教学平台,需要教师不断设计出贴合实际工程应用的复杂工程案例,有效传达“电力电子技术可以更紧凑、更高效地实现电能变换”的核心理念,需要激发学生面对未知问题的自主开拓探索能力,挖掘学生的创新潜能。但相关技术的飞速发展所带来的频繁的实验内容更新,要求实验研发人员必须不断地进行提前设计、精心布局、反复试制,大大增加了研发成本和工作负担。为了克服实验平台更新换代所带来的困扰,本文提出基于“模块标准化、设计自动化”理念的新型电力电子教学实验平台。其优势在于:充分考虑电力电子电路特性,对其典型功能单元进行标准化、模块化设计,既可快速组装,又能给学生提供足够的测试自由和创新空间;所组装的电力电子系统布局
13、紧凑美观,性能更接近于实际电力电子电路,示范效果更优;由于配套了自动化辅助设计软件,实验教师仅需定义好模块接线图,辅助设计软件即可自动输出布局布线参考图,实现了教学实验案例设计效率的大幅提升。2 新型电力电子教学实验平台的创新设计 2.1 电力电子教学实验特点 电力电子电路以功率半导体器件为核心,利用模拟电路或数字控制器对器件的通断进行实时控制。学生在实验过程中可以学习功率半导体器件以开关状态运行、脉冲宽度调制(PWM)、斩波和滤波、系统闭环控制等相关知识,并掌握从关键节点电压、电流分析电路状态及针对波形进行参数优化等工程实践技能。电力电子教学实验平台的设计应适配上述特点7-8。2.2 典型电
14、力电子实验电路的共性特点分析 图 1 给出了四类与当前应用热点紧密相关的典型电力电子实验系统。图 1 典型电力电子实验系统 其中,图 1(a)为一种电动汽车快充电路,220 V交流电压作为输入,经不控整流桥(D1D4)后,再经 Boost 型功率因数校正器实现电流 iL和交流电压 vac的同相控制(即实现单位输入功率因数),同时将电压升压为 Vb,后级采用隔离型全桥变换器实现对电池 陈 宇,等:基于“模块标准化、设计自动化”理念的新型电力电子教学实验平台设计 177 的恒压或恒流充电。图 1(b)为单相光伏并网系统,光伏电池 Vpv通过 Boost 电路进行升压,同时 Boost 变换器还可实
15、现对光伏电池的最大功率点跟踪。后级为非隔离型全桥逆变电路,在向交流电网 vac注入电流的同时维持中间直流母线电压 Vb的稳定9。图 1(c)为由Buck 电路构成的直流电机驱动器,它以电池作为输入源,Buck 电路对其进行斩波降压,从而控制直流电机M 的转矩和转速。图 1(d)为经典的背靠背三相变换器,其前级经过一组三相桥式电路进行整流,从交流电源va、vb、vc中吸收有功功率并形成直流电压,再经另一组三相桥式电路进行逆变,将直流电压变成另一种幅值和频率的交流电。该系统在交流电机驱动、风力发电、不间断电源中有广泛应用。从上述电力电子系统可以发现如下共性特点。(1)红色框和蓝色框内为半导体器件构
16、成的斩波组件。例如,图 1(a)、(b)中 Boost 电路和图 1(c)中红色框内的斩波组件均为二极管和 MOS 管;图 1(a)、(b)、(d)中的蓝色框内桥式电路中斩波组件则为两个 MOS管。因此,可以设计一个由两个 MOS 管串联构成的标准“斩波模块”,这两个 MOS 管既可同时工作,也可令其中一个 MOS 管的驱动信号始终关断,仅使用该 MOS 管的寄生反并联二极管。(2)灰色框为二极管构成的不控整流电路。图 1(a)中输入侧的不控整流桥由四个二极管构成,输出侧的整流桥由两个二极管构成,是电力电子电路中最常见的两种不控整流结构。因此,可以设计一个标准的“整流模块”,通过内部跳线和外部
17、接口的选择定义其具体结构。此外,将二极管更换成晶闸管,还可将该模块升级为相控整流电路。(3)绿色框标示出的部分均为电感电容构成的滤波电路。其中,图 1(b)中输入侧是单独的电感,直流母线侧电压则为单独电容,输出侧为 LCL 滤波器;图 1(c)中 Buck 输出滤波为经典的 LC 滤波器。综上,可以设计一个含两个电感和一个电容的标准“无源模块”,通过内部跳线和外部接线的配合构成 L、C、LC、LCL 等多类具体滤波电路。此外,图 1(a)所示的变压器 T 的本质是一个带耦合绕组的电感,同样由磁芯和绕组构成,因此可归入该模块中,通过内部跳线和外部接口的选择进行定义。(4)各类电力电子系统均需要测
18、量电压和电流。图 1(c)给出了一种测量电路的示意图,如黄色框所示。本设计将一个电压测量和一个电流测量封装为一个“通用测量模块”,可供各类电路使用。此外,出于低成本考虑,交流电压和电流还可采用互感器来测量,因此本设计还定义了一类“交流测量模块”以供选用。(5)所有电力电子电路均需要配置控制器以实现A/D 转换、闭环控制、PWM 生成等功能,故定义以单片机为基础的“控制模块”(图 1 中未予示出)。2.3 新型教学实验平台的创新思路 本教学实验平台的概念按功能划分如图 2 所示,其主要创新体现在以下方面。图 2 新型电力电子实验教学平台功能和构成 (1)基于电力电子变换功能的模块化划分。传统定制
19、化实验平台采用长导线连接单个分立器件(如功率开关、二极管、电感、电容等),无法直观反映电力电子电路中各类功能单元的作用。而本文所设计的斩波模块、整流模块、无源模块、测量模块和控制模块直接对电力电子电路进行功能划分,更切合电力电子技术的特点。(2)与标准化模块配适的通用预制基板。为了与上述模块适配,本文提出“通用预制基板”概念,基板上预留标准区域用于模块接入,满足快速组装要求;预留测试点方便测试;并在线印层上给出布线辅助定位点,以供快速布线参考。(3)自动布局布线辅助软件。实际电力电子电路要求紧凑布线以最小化线路寄生参数,以及强弱电分离以最小化噪声干扰。为此,本设计借鉴在其他领域获得成功应用的人
20、工智能技术,为“标准化模块”和“通用预制基板”定制了自动布局布线算法,快速实现了系统的最优布局布线,解决了教师侧开发实验时间长、设计一遍遍反复的教学设计瓶颈问题。上述三方面在实验设计和教学过程中互相支持:标准化模块为教学实验提供基础组件;通用预制基板为标准化模块提供固定和连接;布局布线辅助软件帮助教师快速对预制基板进行设计定型,从而实现了高效教学设计,提升了教学质量和教学效果。3 实验平台关键组件设计 3.1 标准化模块设计 3.1.1 模块内部电路设计 各标准化模块原理图和接口图如图 3、图 4 所示。斩波模块的电路示意图如图 3(a)所示。除了两个 MOS管外,该模块还包含了以 UCC21
21、520 芯片为核心的驱动电路以及配套缓冲电路。电路中 HV 为半桥正端连接点,SW 为半桥中点连接点,VSS 为负端连接点。PWM-A 和 PWM-B 为驱动电路的信号输入点,用于控 178 实 验 技 术 与 管 理 图 3 各标准化模块原理图 图 4 各标准化模块接口图 制两个 MOS 管的通断。此外,驱动电路需要 5 V 及15 V 电源供电,所以分别设计了 VCC 及 VDD 作为供电接口。不控整流模块的电路示意图如图 3(b)所示。其上留有内部跳线处,可根据实际需要进行连接,与外部接线配合定义其具体结构。电路中定义 AC1、AC2 为交流接口,DC+、DC为直流接口。无源模块的电路示
22、意图如图 3(c)所示。考虑到该模块具有多种结构变化,在其内部设计了多个跳线点,与外部接线配合可构成 C、L、LC 和 LCL 等各类滤波电路。电路中定义了电感端接口 LV1、LV2,以及电容端接口 CV1、CV2。此外,若电路有使用变压器的需求,模块也可安装变压器(此时电容、电感不焊,故空间仍然足够),通过 LV1、LV2 及变压器接口 TR1、TR2 与外部接线配合使用。通用测量模块的电路示意图如图 3(d)所示,其上使用 AMC1200 进行电压测量,使用 ACS712 进行电流测量。为保证测量的精准性,芯片使用了参考源校准。电压测量接口为 VIN+、VIN,电流测量接口为IP+、IP;
23、对应的测量分别从 Vout、Iout 输出。此外,该模块还引出了 5 V 供电接口 VCC 和信号地接口GND。互感器测量模块的电路示意图如图 3(e)所示,其电压互感器与电流互感器均使用 TVA-1421 电压电流通用互感器,其输出经过使用 OPA376 的运算电路滤波放大后产生测量信号。本模块的连接点和通用测量模块一致。控制模块的电路示意图如图 3(f)所示,其核心是使用 STM32F407ZGT6 芯片作为电路控制器。模块提供至多 15 路 ADC,可读取各个测量模块的输出信号 陈 宇,等:基于“模块标准化、设计自动化”理念的新型电力电子教学实验平台设计 179 并完成 A/D 转换,同
24、时可生成至多 12 路 PWM,实现对斩波模块的控制。模块上留有显示屏接口,可视要求接入 OLED 等显示设备,提升人机交互性能。由于引脚较多,控制模块不设计通用接口,而是采用特设的接口接入电路。3.1.2 模块接口设计 模块接口的标准化在本设计中至关重要,上述五种模块(除控制模块外)的接口可划分为两类:信号接口和功率接口。信号接口使用排针连接,功率接口具有较高电位且需通过较大电流,故采用铜柱连接。在模块具体排布与安装的过程中,考虑到布线要求,模块需旋转方向以获得布线最优解。为使模块在旋转后仍能与基板适配,本设计将所有模块均定义为同一规格的正方形,且四条边上的引脚类型和位置完全相同,不同模块选
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