电力电子实验

电力电子实验（共12篇）

电力电子实验 篇1

一、引言

《电力电子技术》是一门应用性很强的专业基础课程,它不仅用于一般工业,也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统、军用领域等,在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用,这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。但是,目前在部分普通高校的学生仍然不知道学的是什么,有什么用,该怎么用,学生的迷茫正是教育工作的失败之处,尤其是实验教学工作的失败。笔者针对这一问题,进行了多年的实验教学探索和改革,对《电力电子技术》课程实验教学方法和内容进行了专门的研究和尝试,现将其总结如下,供同行参考。

二、《电力电子技术》传统实验教学中存在的问题

1、对实验教学不够重视

受传统观念的影响,实验教学不被重视,认为实验只是起到对教材中的理论进行验证的作用,是理论教学的可有可无的附属物,正是因为存在这样的认识,从课时安排到授课要求,实验教学都低于理论教学,从教师到学生都忽视了实验这一重要的教学环节,学生也就放弃了这一实践的大好时机,以应付的心态去完成实验,甚至部分学生以抄袭的方式完成实验报告,自然实验的效果不够理想。

2、实验内容陈旧

电力电子技术的发展日新月异,但实验内容没有更新,以不变应万变。例如:目前,电力电子器件已经由半控型器件发展为全控型器件,而且全控型器件的应用日益广泛,但实验内容仍以半控型器件为主,甚至没有全控型器件的实验,这使得教学工作比工程实际滞后得多,对于学生能力的培养和将来的就业是很不利的。

3、以验证性实验为主

《电力电子技术》的实验类型有验证性、综合性、设计性三种,传统实验教学侧重于验证性实验,或全部是验证性实验,在实验内容上仅局限于对教材中部分理论的验证,不能很好地与实际应用相联系,在实验方法上基本是简单的模仿,学生始终处于被动地位,没有积极的思维和创新,也没有探索的目标和方向,学生的主观能动性没能很好地发挥出来,这不符合当今社会对应用型、创新型人才的要求。

基于上述分析,在实验过程中学生动脑筋思考较少,发现问题、提出问题较少,出现问题便手足无措,学生应掌握的知识和应具备的能力没能落到实处,不能充分实现应用型人才的培养目标,因此实验教学改革势在必行。

三、以验证性实验为基础,增加综合性、设计性实验

1、协调验证性实验与综合性实验的关系

验证性实验是为了使学生巩固理论知识而开设的基础实验,实验内容单一,注重实验的结果而不是实验的过程,通过该类实验可以使教材上的基本理论得到充分的验证,加深学生对理论教学中各个知识点的理解,使学生对实验仪器的使用及注意事项有比较清楚的了解,同时也可以培养学生的基本操作、数据处理和计算技能。在此基础上开设综合性实验,每个综合性实验是由几个有一定内在联系的基础实验或知识点组成,选取有利于实践技能和创新精神培养的实验内容,在全部或部分验证性实验完成之后,适时安排综合性实验内容,以培养学生综合应用能力和创新能力。

综合性、设计性实验是指在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上运用某一课程或多门课程的综合知识,对学生的综合实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。其目的在于锻炼学生对知识综合应用的能力,培养学生分析和解决复杂问题的能力,培养学生数据处理以及查阅中、外文资料的能力。因该类实验涉及的知识面广,操作复杂,一般需要的时间较长,而目前的实验学时数较为紧张,要解决这一问题,方法之一是在保证学生基本技能的基础上,精简基本验证性实验,变验证性为综合性、设计性实验,同时开放实验室,部分复杂的设计性实验,可以在课外时间完成。这样既能保证良好的教学效果,又能提高实验室的利用率。

2、多学科结合,增加综合性、设计性实验内容

电力电子技术的核心内容是电力变换,电力变换通常分为四大类,即交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流,任何一种电力变换方式都是根据负载的要求进行的,简单变流电路常用的负载有交流电动机或直流电动机,因此可以将《电力电子技术》与《电机拖动基础》相结合,开设综合性实验项目。例如:“直流电动机可逆调速系统设计”,该综合性实验项目专业实践性很强且与生产紧密联系,培养学生把专业理论知识综合运用于工程实践的能力,提高学生的综合素质水平。实践证明,学生对此有浓厚的兴趣,提出了多种设计方案,有桥式整流(逆变)电路,有直流斩波电路,还有二者的结合,在教师的指导下,学生广泛查阅资料,进行多种方案的理论分析和比较,最终确定一个设计方案,并通过了相关计算和实验调试。

电力电子技术还可以看成是弱电控制强电的技术,即电力变换电路的正常工作需要由信息电子电路来控制,因此该课程可以与《模拟电子》、《数字电子》等课程相结合,也可以与《单片机》或《可编程控制器》等课程相结合,增加综合性实验内容。例如:“基于单片机的三相全控桥整流电路设计”,就是利用单片机硬件和软件资源,设计一种触发脉冲产生的方法,满足三相全控桥整流电路的工作要求,实验教师提出实验要求,学生自己设计并进行实验调试。该实验内容将《单片机》和《电力电子技术》相结合,使学生能充分理解二者之间的关系以及单片机的应用。

另外,《电力电子技术》还可以与《工厂供电》相结合,开设“高压直流输电系统设计”的实验。通过这样多学科结合,增加综合性、设计性的实验项目,学生能充分理解《电力电子技术》、《单片机》、《电机拖动》、《工厂供电》等主干课程的应用,以及所学专业在社会生产中的作用,能将所学过的知识综合分析并有效利用,形成自己独到的设计方案,使学生认识到开发常用项目的一般过程,掌握强电电路设计的一般方法、过程及注意事项,培养学生解决实际问题的工作能力,提高其综合素质,为今后的设计或工作积累经验。

四、引入仿真技术,开设研究性实验

随着电子计算机技术的发展,计算机辅助设计方法已经开始逐渐进驻电子设计的领域,借助计算机仿真技术,可以弥补实验器材缺乏的不足,减少实验耗材,完成现有实验设备难以实现的复杂实验,缩短实验时间,更加完整地分析实验对象的系统性能指标,优化电路设计,具有高效、快速、直观、完整的优势。

根据当地工业生产对电力电子技术的应用现状,提出与实际生产相关的实用性科研课题,充分利用现有实验室条件,发挥计算机仿真技术的优势,教师与学生合作完成相关课题。在2005年上半年,笔者接到一个项目——“逆变弧焊电源的优化设计”,因为实验条件所限,无法进行实际调试,笔者和部分学生便借助PSpice仿真技术,通过反复实验、改进,最终顺利完成了该课题。在这个过程中,学生表现出极大的兴趣和高度的热情,主动进行各项工作,不但对学过的知识能融会贯通,还积极查阅资料,进行大量的参数计算、反复的实验或仿真验证,这既提高了现有实验设备的利用率,又实现了产学研的联合,还提高了学生对新型软件的应用能力和科研创新能力。

五、结束语

实验课是课堂教学的深化和延伸,是训练学生研究问题、解决问题的重要手段。通过对《电力电子技术》实验教学的改革,以培养学生的主动性、探索性学习精神为目标,精简基础性实验,增加综合性、设计性实验;以实验和科研为切入点,引入计算机仿真技术,构建理论教学与实验教学整合的完善的课程体系,使实验课程真正担负起培养学生动手和操作能力、综合组织知识能力、论证表述及交流能力、科技创新能力的任务,使学生的实践、创新等综合素质得以提高,以适应当今社会对应用型高级技术人才的要求。

参考文献

[1]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社．2003．2．

[2]李永平，董欣．PSpice电路优化程序设计[M]．北京：国防工业出版社．2004．6．

[3]陈忻华．综合性、设计性实验的开设[J]．科学教育论坛．2005年第10期．

电力电子实验 篇2

徐浩泽

我们组做的综合实验相对较为简单，总体来看，就是把第一个基本实验的电路中加入了一个电机组，反馈信号由buck电路的输出改为了三相同步发电机的输出。但是实际操作过程中，还是比基本实验要复杂很多的。

首先，由于过了一个学期，没有之前做实验的时对电路那么熟悉了，需要重新翻课本、指导书。

其次，反馈信号不如以前直观了。我们的方法是将三相同步发电机的输出经过整流滤波，变成直流信号，经过等比例变换再接到芯片的电压反馈输入端。

但是这样的方法还是存在一些问题的。最基本的就是反馈的直流信号与电机实际转速的比例不是很好确定，而且电机的极对数也无法直接看出来。

我们想的办法是先在固定负载的情况下看发电机输出电压的幅值和频率的关系，并得到所设定的转速对应的电压幅值。因为电压频率和转速是完全对应的。

数发电机极对数我们采用了最简单的办法，用手拨动电机转圈，然后数输出电压的峰值个数。为了更精确，我们一次让电机转了5圈，然后数出电压峰值由30个，由此得到极对数为6。

另一方面问题是这种反馈方式反馈给芯片的直流电压会带有一定的纹波，即在电机转速稳定的时候，纹波经过差分放大，也会使PWM波形的占空比有较大变化，这就有可能引起系统的震荡。

中报开始 “电子+电力”最确定 篇3

沪指周一在2253.79-2253.51点之间留下0.28个点的小缺口，此前沪指曾经三度跳空。按照缺口理论，5月15日是普通缺口，6月4日是向下突破缺口，6月21日是持续的加速缺口，6月25日应是一个竭尽的缺口，这个缺口暗示调整已接近尾声，未来必定会回补。但由于该缺口本周未能及时回补，已演变成为周线缺口，预示未来2-3周行情均不乐观。受大市影响，市场人气也再度陷入低迷，量能持续维持在地量的水平之中，投资者的投资心态几乎已经彻底绝望，恐慌弥漫，但投资机会往往在绝望中产生。

进入7月，中报将陆续公告，结构性行情有望展开。目前投资者对于业绩驱动行情的关注度已远超投机品种。展望后市，中报重点依然是关注业绩已经稳定增长或者未来会取得较好增长的行业或公司。两个板块可值得重点关注：电子行业业绩分化严重，但触摸屏和安防两子行业不但上半年业绩骄人，下半年更被看好；电力行业也如此。

本周欧菲光公布中期业绩向上修正预告，由于订单饱满、幕投项目全面投产上半年业绩增长将超500%以上。据悉，为抢占商机，iPhone5或将提前至8月下旬问世，全力抢攻美国返校商机。其他智能手机制造商也均加大今年生产目标，加上2012年平板电脑出货量将大增6成，突破1亿大关，这些都对触摸屏产业相关的公司产生利好。因此，行业大爆发将使触摸屏相关公司中报业绩表现不俗。除了欧菲光相关公司还可以关注超声电子、莱宝高科、长信科技。安防行业需求景气确定，“国产化替代”（尤其摄像机替代海外厂商）＋“集中化”（替代小厂商份额）趋势明显，行业增长确定性高，除政府及交通等相关中大项目市场向好之外，预计民用安防市场将于今年启动，可关注海康威视、大华股份。

前两周本栏目点评的电力股依旧维持强势，电力企业的业绩在第一季度已经显现，粤电力、穗恒运、皖能电力第一季度业绩分别增长362％、361％和132％。电力股强势的原因首推煤价下跌，近期1至4月煤炭产量增加6.5％，电煤库存加大，同时，国际煤炭价格大幅下跌，进口煤炭数量增加近一倍，导致国内煤炭价格大幅下跌，火力发电企业成本降低，毛利率得到有效提升，发电企业业绩明显好转。其次，降息对资产负债率较高的电力行业构成实质性利好，如果今年再降息1-2次，电力企业的利息支出会大大减少。最后，去年第四季度，机构对部分电力股大幅加仓。如华电国际去年第三季度机构持股只有7614万股，到年报时机构持股高达32250万股；又如华能国际去年第三季度机构持股3313万股，到年报时机构持股24043万股。中报序幕即将拉开，估计电力股的中报业绩会普遍增长，可关注华电国际、华能国际、皖能电力、粤电力A、深圳能源、申能股份。

电力电子技术实验教学的改革 篇4

《电力电子技术》课程是理论性和工程实践性均较强的专业基础课程,在航天、农业、交通、电气、机械制造等工程学科中都有非常广泛、重要的应用。该课程的主要任务是通过对电力电子技术理论知识的学习,培养学生对电力电子系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。

《电力电子技术》课程是自动化、电气工程及其自动化等专业的专业基础课程 ,是能源动力类、电气信息类等许多专业的基础课程 , 也是许多工科专业非常重要的课程。因此 , 该系列课程涉及的专业面十分广。教学过程的设计、内容的组织、授课的方法等等直接影响着学生学习的效果 ,影响着学生后续课程的学习 , 影响着学生对整个专业知识的掌握。为了适应电力电子技术理论发展形势的需要和新时期对人才培养提出的新要求 ,《电力电子技术》课程教学方法与手段的改革应受到重视 ,在教学中 , 注重使用先进的教学方法 , 合理运用多媒体等现代信息技术手段 , 并改革实验教学的形式和内容 , 提高教学效率 , 建立一个优良的教学团队 , 使《电力电子技术》课程的教学质量上一个新的台阶。

2 教学内容建设

(1)在教材选择和教学内容的选择上要与本校本专业的特色有机结合起来,为现有专业特色和将要发展的专业特色服务。

(2)在教学大纲制定中,能够通盘考虑,在考虑本课程教学内容完成的基础上,增加能够增强课程群联系的相关知识点间的讲解学时。

(3)教学方法上重视多媒体教学方式的应用,增加教学内容的信息量和灵活性,对重点知识要保持传统板书教学模式的应用,根据学生的情况把握教学的进度,在实践教学过程中,要求理论授课老师切实参与实验教学环节,根据理论教学内容选择具体实验项目,避免出现重视理论教学,轻视实验教学的情况。这样做的好处是教师可以根据自己的授课内容和实验内容掌握教学进度,并能及时了解学生对所学内容的掌握情况,能更好的融知识传授、能力培养、素质教育于一体。

3 教师队伍建设

《电力电子技术》课程的教师既有从教多年的老教师,也有毕业于重点大学的硕士、博士学位的教师,以及比较年轻的教师。为了使得教师队伍的建设和发展与课程的建设有机结合起来,需要进行以下两个方面的工作 :

(1)老教师和硕士、博士学位教师要将年轻教师纳入自己的科研团队,使得年轻教师有机会参加电力电子与电气传动学科的相关科研活动,了解该学科的最新前沿动态,有助于年轻教师对教材相关内容的理解,并应用于教学过程中,从而增强课本知识与实践的结合。

(2)加强相关课程教师间的交流,包括同一课程及前后衔接紧密的课程内容教学方式的交流探讨,使得每一个教师对系列课程群有透彻的了解。

4 实践环节建设

实践环节是将整个系列课程知识点有机连接起来的强力纽带,也是将理论知识点与实践应用有机结合起来的桥梁,对于学生系统的、全面的掌握电力电子与电力传动学科的知识,并具备实践应用的能力具有重要的意义。

(1)实验教学与实验室开放

根据电气专业培养目标及教学计划,电力电子技术课程实验教学内容紧密联系理论教学内容,制定了实验教学大纲,自行编写了实验指导书,安排了十二个实验项目,并根据专业培养计划的要求,及时调整相关内容。实验中注意培养学生的动手能力和独立解决问题能力。实验后对发现的问题和实验的结果进行讨论,做到理论联系实际。

对实验成绩的评定,一般分成三个部分 :一是预习部分,占20%,通过检查预习报告来确定 ;二是实验操作部分,占50%,考核学生的动手能力,独立完成试验任务和解决实验过程中遇到的问题的能力,注意发现和培养学生在实验过程中的新的方法、新思路 ;第三就是实验总结部分,占30%,检查实验总结报告完整性、系统性,实验数据分析处理以及回答问题的正确性。

本着开发学生智力、培养动手能力和创新精神的原则以及一切为学生服务的宗旨,实验室全天开放,欢迎学生做基础理论和相关技术的研究、探讨工作,并提供所需实验器材和技术上的帮助。

(2)实践教学及其条件

为了改善实验教学条件,进一步提高实验教学质量。学院和系部加大了对实验中心的投资力度,实验室面积近100平方米。目前电力电子实验室已经配备了20套实验装置,具备一个班型的实验条件,已满足两个学生一个台套设备的要求。

(3)引入MATLAB仿真技术

通过研究教材及实践环节,整合实践内容 , 补充新技术,设计和开发基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速技术课程中紧密结合课程知识点的仿真程序和题目,主要包括电力电子基本电路的仿真、交、直流调速系统的仿真等,通过学生上机编程和波形演示,加深学生对相关知识点和实际应用课题的印象。

(4)增加设计性和开放性实验

课题组教师可带领学生利用我校电气传动实验室提供的常用电子元器件耗材 , 电烙铁等实验工具 , 示波器、万用表等检测设备 , 小功率异步电机等电力电子装置的控制对象 ,MATLAB7.0计算机仿真软件等丰富的实验资源 , 进行大胆思维 ,充分发挥学生的创新能力,自行设计实验,并进行实验调试。通过仿真和开放性实验两个实践环节,一方面使学生形象化、立体化理解电力电子学科的主要知识点及课程间的关系,另一方面使学生具备一定的设计和研究能力。

5 总结

本项目的研究对于完善电气工程及其自动化专业的教学模式具有重要的意义。同时也为整个电气工程及其自动化专业的课程体系建设和改革打下良好的基础。

摘要：《电力电子技术》课程是电气工程及其自动化专业重要的专业基础课,课程中现有的实验内容均为验证性实验,制约了学生实践能力的培养。本课程教学内容基于电力电子电路的基础上,紧密结合电气工程的发展,引入MATLAB系统仿真软件,构建电力电子技术仿真实验,为帮助学生深化理解诸多工程问题提供了有效的手段,对夯实学生的基础理论、提高其理论应用能力具有重要作用,取得了良好的育人效果。

电力电子实验 篇5

1、单相桥式全控整流及有源逆变电路实验

目的：

（1）加深理解单相桥式全控整流电路及有源逆变电路的工作原理。

（2）研究单相桥式全控整流的全过程。

（3）研究单相桥式变流电路逆变的全过程。掌握实现有源逆变条件。

（4）掌握产生逆变颠覆的原因及预防方法。

内容：

（1）单相桥式全控整流带电阻负载。

（2）单相桥式有源逆变电路带电阻电感负载。

（3）有源逆变颠覆现象观察。

2、三相桥式全控整流电路实验

目的：

（1）加深理解三相桥式全控整流电路的工作原理

（2）理解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形

内容：

（1）三相桥式全控整流电路带电阻负载

（2）三相桥式全控整流电路带阻感负载

（3）当触发电路出现故障（人为模拟）时，观测主电路的各电压波形。

3、直流斩波电路实验

目的：

（1）加深理解直流斩波电路的工作原理

（2）掌握斩波器主电路、触发电路的调试步骤和方法

（3）熟悉直流斩波电路各点的电压波形。

内容：

（1）直流斩波器触发电路调试

（2）直流斩波器电路接电阻负载

（3）直流斩波器电路接电感性负载

4、单相交流调压电路实验

目的：

（1）加深理解单相交流调压电路的工作原理

（2）加深理解单相交流调压电路带电感性负载对脉冲及移相范围的要求。内容：

（1）KC05集成移相触发电路的调试

（2）单相交流调压电路带电阻负载。

电力电子课程教学改革探讨 篇6

引言

职业院校的专业建设要体现职业特色，关键在于课程是否体现职业特色，课程内容有没有职业特色，课程教学模式有没有职业特色。高职院校课程改革是推动高职院校深化改革，进行以质量为主的内涵建设的主要内容，课程始终是职业教育和教学改革的核心。对于工科类相关课程，采用工作过程为主线的理实一体化教学是目前课程改革的主流思路，本课程就是按照这种思路，结合企业班组管理进行电力电子课程教学内容和教学模式改革，进而进行课堂教学改革和实施模式的研究和实践，获得的了一点经验，现总结为以下几个方面。

一、课程内容改革

课程教学采用任务驱动教学方法，课程教学采用案例和项目驱动，在案例和项目设计上循序渐进，本课程相对而言比较难，传统教学模式沿用本科教学模式，从电力电子器件到整流、有源逆变，再到交流变换、直流斩波、无源逆变等等，学生学习兴趣基本没有，学习效果很差，通过近几年课程教学质量的分析，学生对本课程的掌握是比较差的，因此我们必须要反思课程教学，思考课程内容。

根据就业岗位分析，高职学生就业服务岗位为一线技术工人，对电力电子技术只需要知道常用的电力电子器件的作用，典型的电力电子线路应用和分析。电力电子技术内容以电力电子开关器件的应用为核心，以基本变换器及控制方法为基础。为此我们对课程内容进行了大胆改革，内容不再按学科来组织，而是按案例和项目来组织，在案例和项目中穿插必要的知识点。课程项目如下：

任务1：常用电力电子元器件的认识和测试（案例驱动）

内容：电力二极管、晶闸管、IGBT管、单结晶体管、集成触发器、IGBT驱动模块、散热器、电阻电容器等的功能作用认知和元件测试。

任务2：单相晶闸管调压调光电路的分析和安装调试（项目驱动）

内容：单相全控整流桥分析、单结晶体管触发电路分析、触发角移相控制过程分析、焊接技能、调试技能、万用表、示波器等使用技能等。

任务3：双向晶闸管台灯调光电路的分析和安装调试（项目驱动）

内容：双向可控硅及触发过程分析，焊接技能、调试技能、万用表、示波器等使用技能等。

任务4：单相全控整流电路分析和线路连接调试（案例驱动）

内容：单相全控整流电路结构和原理分析、电路波形图分析、负载分析，实验线路连接和调试等。

任务5：单相半控桥整流电路分析和线路连接调试（案例驱动）

内容：单相半控电路结构和原理分析、电路波形图分析、负载分析、失控分析、续流二极管作用分析等，实验线路连接和调试等。

任务6：三相半控和全控整流电路的分析和线路连接调试（案例驱动）

内容：三相半控和全控整流电路结构和原理分析、电路波形图分析、负载分析，实验线路连接和调试等。

任务7：实用电风扇调速电路的设计和制作（项目驱动）

内容：单相电机的驱动设计和制作，交流调压电路设计和制作、触发电路的设计和制作等。

二、理实一体化课程教学组织

为保证课程内容改革落到实处，课程教学组织方式必须改革，传统理论教学肯定是不能适用的。我们开展理实一体化教学模式，仿照企业车间班组组织管理模式，体现工学结合，但在教学实践操作中，难度相当大。

1、小组长的选拔

采取“自荐+推荐+指定”相结合的方式，我们希望学生自荐，但是在教学中我们发现中国的学生表现欲不强，毛遂自荐的学生并不多，因此采用推荐也是一种不错的方式，在前两种无法实现的情况下，可以通过调查由教师指定也可以

2、项目小组的管理

教师只考核小组，被考核人为小组长，小组长考核小组成员，这种方式仿照企业班组管理的做法，有利于培养学生的管理能力、协作能力等关键能力，对学生的发展很有帮助。小组内部进行自我组织和管理，明确小组长的权责，小组长要承担的职责不仅是技术工作，还有团队组织和项目管理工作，其工作的成效之间决定小组学习效果，在课程教学中举足轻重，为保证小组长能够行使项目组织管理的职权，就有必要赋予其对其小组成员课程考核的權力，考核结果直接决定课程成绩。

3、教学组织引入竞争机制

在课堂教学过程中引入竞赛，如抢答赛、成果评比，设立优秀班组、流动红旗等小组激励竞争机制，并限定优秀指标，有竞争才有动力，青年学生好胜心才能转变为动力，因为是团队竞赛，合作也是获胜的重要因素，有利于培养学生团队协作能力。这些激励机制直接与项目（任务）考核成绩挂钩，激发学生兴趣，活跃课堂气氛，促进各小组的工作。同时还设计了淘汰机制，对于表现不好，不服从管理的成员，小组长可组织团队会议启动淘汰机制，开除出团队，若被开除出团队学生没有其他小组接纳他，那他直接面临课程不及格的后果。这个机制的运用有助于小组的管理工作，能够帮助小组长管理团队。

4、班组长例会机制

课程教学中每堂课开始或课间，教师组织班组长例会，考察班组出勤情况，了解他们任务进度，完成情况，讨论项目中的问题，帮助他们解决问题，同时便于教师适时掌控课程教学现状，并及时做出调整。

三、以行动为导向教学方法

课程内容案例化和项目化，必然要求教学过程中角色要转变，必须以学生为中心，因此必须采用行动导向的教学方法。以项目或者案例驱动教学法为主线，多媒体教学，网络教学，演示教学，参观教学等等多种教学方式方法相结合。

在原理的实训教学中，许多教师采用也采用项目教学，有的教师教学方法过于简单，上课开始布置任务，分析任务，之后让学生自己去做，学生有问题就解决，没问题就不管，采取完全放手的教学管理，这样对基础好、兴趣高的学生而言可能问题不大。但是现在高职学生基础普遍较低，主动性不够，认真态度欠缺，因此大部分学生可能什么也做不了，或者就是抄袭其他人的东西，教学效果大打折扣；还有的教师很尽责，布置项目任务后，一步一步讲解，手把手的帮助学生操作完成项目，课堂表面效果可能很好，教师也非常辛苦，但是实际效果可能不理想，学生仍然没有通过亲身体会收获到了知识和技能。我们通过实践，觉得要结合两者的优点，总结一个适合的教学模式，主要有以下内容。

教学步骤分三段，循序渐进。

第一阶段：简单的任务——教师演示操作——学生模仿操作——教师总结要点——学生了解知识；

第二阶段：提升的任务——学生独立完成——教师协作——学生小结——教师总结——学生形成经验；

第三阶段：综合的项目任务——教师发布项目——学生独立完成——学生总结——学生获取知识。

任务的选取和教师作用：

简单的任务：单项知识和技能与项目任务直接关联或是其中一部分——手把手演示和讲解；

提升的任务：在简单任务基础上添加功能、要求——提示性引导性演示——指导学生自主完成；

综合的项目任务：综合性项目与企业项目相近——独立完成——教师完全放手。

四、过程考核模式

为了保证全面考核学生的能力，必须采用过程考核和终结性考核相结合模式。考核模式要精细、公平和客观。同时要易于实施，尝试构建第三方评价体系。本课程考核分三个模块：

模块一：职业素养，教师通过每次课的班组例会考勤和学生为人处事等方面评价小组；

模块二：根据项目验收，由教师和学生代表共同评价，从功能完成情况、参数要求、工艺要求等方面客观评价；

模块三：课程总结汇报，由教师和学生代表从任务完成情况和项目创新点、表达能力、汇报思路和重点、课件制作等方面客观评价。

小组考核在最后一次课，现场给分，统分和公示。在小组评价等级的基础上，由小组长评价成员。

制定相应的考核标准，平时考勤、小组工作表现根据职业素养评分标准扣分；项目验收根据项目评分标准评价小组过程项目成绩；课程总结，根据课程汇报评分标准小组互评给分。

基金项目：湖南机电职业技术学院院级重点课题：工学结合的电力电子技术课程一体化精细化教学实施模式研究[项目编号：KY11A05]研究成果。

参考文献：

[1]陈杰金，霍览宇．电力电子课程理实一体化教学实施模式研究[J]．教师，2011，（10）．

[2]杨翠明．机电类高职院校办学特色研究[J]．教育与职业，2008，（21）．

[3]黄月明．高职院校专业特色的培育方式[J]．承德民族师专学报，2008，（28）．

[4]李秀娟，刘伟．电力电子技术课程改革思考[J]．电气电子教学学报，2009，（31）．□

电力电子实验 篇7

一、教学改革背景

目前我院在电力电子技术实验教学环节中仍在使用某公司的“TKDD一1型电力电子技术及电机控制实验装置”, 该实验装置经过多年使用, 器件老化, 存在如下问题:

1.故障率高, 烧坏设备的情况经常出现, 如直流斩波电路的MOSFET管子经常烧坏, 概率几乎达到100%, 做完一组下一组几乎没法做, 三相全控整流电路的晶闸管也有类似情况。

2.实验数据与理论值之间的误差很大, 严重影响了实验效果, 如控制角α的调整范围很窄, 无法实现逆变, 这些实验参数厂家也无法完全修复。

3.能做的实验数量少, 而且多数为验证性实验, 学生只能被动地接受实验结果, 学习兴趣不大。

4.现有的实验设备是模块化、封闭的实验箱, 学生在上面进行接线、用示波器观察波形, 测试数据, 能够理解基本电力电子电路的原理和工作过程, 但是对电力电子实际元器件电路缺乏直观的认识, 也缺乏个人发挥空间。

5.目前学生的毕业设计面临硬件电路制作无从下手的局面, 所以必须进行前期积累, 掌握基本的硬件电路制作方法, 为以后毕业设计制作综合性电路打下基础。

二、教学改革的内容

1.保留必要的验证性实验。在实验初级阶段, 学生刚接触电力电子技术实验, 对实验设备和仪器还很陌生, 此时采用传统的“老师讲、学生听”的方式, 通过教师操作演示给学生看, 对学生掌握实验设备和仪器的正确使用方法、强电实验中安全用电的基本知识和注意事项以及进行规范操作很有好处。

需要根据现有设备的情况以及该实验课程特点, 确定3个验证性实验, 最好包括整流、斩波、调压、逆变四个基本电路拓扑。

2.开展综合创新性实验教学改革。该课程是一门实践性非常强的课程, 需要学生熟悉常用电力电子仿真软件的使用、常用的元器件及选型、掌握高频变压器的绕制、高频电感的制作、熟悉电路原理图绘制、熟悉电路板布线及制作、掌握常用的硬件电路调试方法, 最后完成电力电子电路制作的完整工艺流程。

根据学生的情况分为两个层次:

第一个层次:欠缺电路制作经验的学生选作教师提供的课题;

第二个层次:有基础的学生可以自主设计产品。设计过程中教师要给予一定的指导, 学生可自行查阅资料, 购买元器件, 设计、焊接和调试电路。学生在采购元器件的过程中了解了元件的参数和特性, 在调试过程中学会了使用示波器等设备, 培养了分析问题、解决问题的能力, 这样做不仅有利于因材施教, 为学生的自由发展创造良好条件, 而且可以提高实验室的利用率, 同时还开发了学生的潜力, 为学校组织广东省机电产品创新大赛、全国电子设计大赛、机器人比赛、三菱自动化杯等培养人才。

三、具体的实施方案与方法

该实验课总共16个学时, 其中一部分为基本的验证性实验, 另外的学时作为综合创新性实验, 学生分组进行电力电子实际电路的制作和调试, 每组 (2~3人) 上交一个电路作为考核依据, 并每人提交综合创新性实验报告一份。学生需要完成以下工作:原理电路仿真、电路拓扑确定、元器件参数计算及选型、元器件清单列表、高频变压器绕制或者电感绕制、原理图绘制、电路板布线、电路焊接、电路调试, 从而掌握电力电子电路制作的完整过程。

1.2013—2014年第1学期在11自动化A、B班做过初步尝试, 已经采用其中的8个学时做了综合创新性实验教学改革, 学生能够初步掌握高频变压器的绕制, 接近60%的同学能够焊接并调试出开关电源 (输入85~220V, 单输出或者双输出10~24V) 电路, 11自动化B接近80%, 初步达到目的, 但仍然存在如下关键问题:因为输入电压过高的原因, 出于安全性考虑, 所有的电路调试都是老师在场进行调试的, 学生没有掌握硬件电路调试的要点, 这是下一步必须改善的地方;

2.2014—2015年第1学期实施方案:在12自动化3个班进一步开展综合创新性实验教学改革, 合理确定题目, 降低输入电压要求, 实现36V以下安全电压输入, 目标是实现90%以上的学生能自主绕制高频变压器或者高频电感、焊接、调试电路, 并且形成积累, 为相关学科竞赛培养和物色人才。

3.2015—2016年第1学期实施方案:在13自动化1个班、电气工程及其自动化2个班进一步开展综合创新性实验教学改革, 在前两轮改革的基础上, 可以增加题目的数量, 优化题目的内涵, 目标是学生的作品可以参加学科竞赛。

四、实施案例

在全世界致力于发展低碳经济的大环境下, 高效节能的高频开关电源具有广阔的市场, 高频化、高效率、小型化和绿色化是高频开关电源的发展趋势。针对本校学生的特点和接受能力, 考虑安全性的前提下, 制作小功率辅助开关电源, 输入为36V直流电, 输出为5V直流电, 选用PI公司的DPA-Switch系列, 基于PI Expert v9.0进行电路设计。

1.电路原理图和PCB图纸。设计的DC/DC 5V高频开关电源以DPA422为核心控制芯片, 将220 V高频MOSFET与全部控制和故障保护电路集成在一起的单片IC, 具有较宽的直流电压输入范围 (16 VDC至75VDC) , 开关频率可选300/400 k Hz。高频开关电源原理图如图1所示, PCB图纸如图2所示。

2.电路制作和调试。高频变压器的绕制是整个硬件电路制作的关键环节。图3是高频变压器绕制的电特性原理图。分为初级绕组、次级绕组和偏置绕组。图4是输出电压的测试结果。

五、结论

本教学改革以11级、12级、13级自动化、电气工程及其自动化专业的学生为教学改革的对象, 完成电力电子电路制作的完整工艺流程。为学校组织广东省机电产品创新大赛、全国电子设计大赛等各类型学科竞赛培养人才, 促进我院工科类教学质量的提高。同时也为学生的毕业设计打下良好的基础。根据这几年带毕业设计的经验, 很多学生到大四都无法独立进行硬件电路制作, 只是停留在简单的电装实习阶段, 所以一到毕业设计, 遇到综合性较强的硬件制作, 根本无法下手。通过此训练, 这种情况将会得到较大改善。

摘要：针对本校现有的电力电子实验装置不能满足学生实验要求现状, 提出了电力电子技术综合创新性实验教学改革。本文阐述了教学改革的内容、具体改革实施方案与方法。本教学改革的实施增强了学生独立进行硬件电路制作的能力, 为学科竞赛和毕业设计打下基础。

关键词：电力电子技术,综合创新性,实验

参考文献

[1]邢岩, 刘建宏, 龚春英, 等.科研推动电力电子技术课程实践性教学改革[J].电气电子教学学报, 2006, 28 (5) .

[2]程琼, 郑建勇, 廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].电气电子教学学报, 2009, 31 (2) .

电力电子实验 篇8

关键词：整流桥,仿真,实验电路,故障诊断

1 引言

电力电子装置已经和当今工业生产及日常生活密不可分, 电力电子整流、逆变、变频调速的质量直接关系着电力和电器产品的质量。因此, 对电力电子的电路拓扑、性能及故障状态进行研究, 具有重要的实际意义。

本文以电力电子中的大功率整流电路为研究背景, 选取相控整流中应用较广泛、结构较为复杂、性能良好的双桥串联12脉波电路为研究对象。通过对其进行理论分析、仿真分析来掌握电路的结构, 通过在DJDK-1型实验平台上的创新型设计来完成电路的实验, 并提取到相关的实验波形和数据。最后通过仿真和实验对其故障模式进行了概要分析, 提出了避免故障和诊断故障的方法。

2 电路分析

图1所为双桥串联12脉波电路图。该电路主要包括三相交流电源、整流变压器、两组串联的全控晶闸管整流桥及其脉冲触发装置、负载等。变压器一次侧接Y形绕组, 二次侧绕组a1、b1、c1和a2、b2、c2分别采用Y形和△形联结, 构成相位差30°的两组电压。整流电路负载两端输出的直流电压ud, 晶闸管在图1中按各自导通的顺序进行排列。在每个交流电源周期时间内脉动12次, 形成12脉波的整流电路。而变压器二次绕组△联结的绕组匝数为Y联结绕组绕组匝数的倍, 这就使得两组整流桥的输入端线电压相等[1]。

根据电路结构, 直流输出电压平均值为

其中α为控制晶闸管导通的触发脉冲移向角。输入电流谐波次数为12k±1, 其幅值与次数成反比降低[2]。输出电压谐波次数为12k, (k=0, 1, 2…) 。

3 电路仿真

在Matlab软件的Simulink仿真平台中对电路进行仿真, 仿真电路图如图2所示。

根据实验需要设置三相交流电压源参数:三相交流电压源的相电压幅值设为220V, 经过整流变压器降压之后供给整流桥58V的三相线电压。频率50Hz, 相位分别为0°、120°、240°;晶闸管参数使用默认值;RLC负载参数设置:R取200Ω, L取0H, C取inf;触发脉冲频率为50Hz, 脉冲的宽度取25 degrees, 本设计采用宽触发脉冲[3]。模型中Scope1、Scope2分别用于测量ud、id波形;Scope3、Scope4用于测量并比较晶闸管的波形。图3所示为当移向角分别取0°和30°时电路仿真的输出电压波形。

4 实验方案设计

DJDK-1实验平台是用于电力电子技术及电机控制方面的基础电路实验装置, 但它不具备专门用于双桥12脉波的电力电子设计挂件, 尤其是没有专用的整流变压器挂件, 因此需要利用实验平台具有的挂件进行电路的设计。具体思路是由两组不同变比的变压器分别结成Y形和△形的连接方式, 通过调整原边三相电源电压幅值来使两组变压器副边输出相近的电压值, 从而模拟整流变的输出。

本文拟采用两组用于三相全控桥的电路挂件进行串联12脉波整流桥的设计。挂件选择为:DJK01 (电源控制屏) 、DJK02 (晶闸管主电路) 、DJK02-1 (三相晶闸管触发电路) 、DJK04 (控制信号屏) 、DJK10 (变压器) 、D42 (电阻负载) 等。

具体的实验方法为:

(1) 两台实验装置的DJK01挂件分别接到各自对应的芯式变压器挂件DJK10上。DJK01的电源电压幅值有200V和240V两档。DJK10绕组原始匝数比 (芯式变压器变比) 为:4∶2∶1。

第一组DJK01取电源电压200V, 接4:2的变压器绕组, 即原边线电压为200V, 相电压为115.5V;副边线电压为100V, 相电压为57.7V。

第二组DJK01取电源电压240V, 接4:1的变压器绕组, 即原边线电压为240V, 相电压为138.6V;副边线电压为103.9V, 相电压为59.9V。

由以上关系可以确定:无论对于线电压还是相电压, 在变压器二次侧均有U1≈U2, 满足整流条件。

(2) 分别将两组实验装置的DJK02晶闸管主电路挂件用导线连接成连接为三相全控桥整流电路。

将DJK02-1“三相同步信号输入”端接入DJK02的“三相同步信号输出”端;将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”端接入“触发脉冲输入”端, 使触发脉冲加到正反桥功放的输入端。打开DJK02-1电源开关, 拨动“触发脉冲指示”开关调为“宽”脉冲。

(3) 两组整流桥的DJK02-1挂件分别接DJK04挂件进行触发脉冲的给定和调节。

当整个电路工作在移相角为0°时, 第一组副边绕组Y联结的整流桥给0°的触发脉冲;第二组副边绕组△联结的整流桥给30°的触发脉冲。如果增大电路移相角, 则在以上两组整流桥的脉冲给定基础上各增加相应的度数。

(4) 将两组整流桥串联连接, 第一组桥的共阴极端接电阻负载的一极, 第二组桥的共阳极端接电阻负载的另一极。

连接好的部分实验电路如图4所示。由于需要两台实验装置同时参与工作, 因此图4所示仅为其中一组整流桥挂件的连接情况。图中实验台顶端的两根导线所连接的即为对应的另一组整流桥电路。

打开电源和相应的开关按钮, 使实验电路处于工作状态, 用示波器记录输出电压波形。图5所示为移向角分别取0°和30°时实验电路的输出电压波形。

由图5可以看出, 电路在一个周期20ms产生12个脉动的波峰, 与理论分析及仿真的结果基本一致。从以上波形可以看出串联12脉波整流电路的整流效果良好, 输出直流电压纹波较小。由于两组变压器副边线电压不能做到完全相等, 因此实验波形含有微量的误差, 但并不影响实验波形的脉动规律及进一步的分析结果。

5 电路故障分析

电力电子电路的主要故障为电路的晶闸管的通断故障, 尤其是断路故障[4]。本文主要讨论串联12脉波电路的晶闸管的异常断路故障。如移向角取α=0°时12只晶闸管中的一只晶闸管断路时, 负载端输出电压波形就会发生相应的畸变[5]。图6所示为电路在晶闸管V1发生断路故障时输出直流脉动电压的仿真和实验波形。

由图6可知, 电路虽然处于故障模式, 但是仍然有输出, 只是输入波形发生畸变, 而且经过仿真和实验发现, 12只晶闸管中每只单独故障的情况下输出电压波形的形状规律都一样, 只是一些方面的波形参数不一样, 可以根据这些参数进行波形分析, 来判别故障模式, 从而达到故障诊断的目的。在此仅以电路正常、V1断路、V2断路三种情况为例进行故障诊断分析。根据仿真和实验的波形及其相关数据, 可以捕捉到关于电路输出波形的以下故障信息。

(1) 电压畸变:0是, 1否, 1否;

(2) 波峰数目:12, 8, 8;

(3) 波谷电压:0, 1/2Ud, 1/2Ud;

(4) 畸变时刻:0/T, 1/12T, 2/12T;

(5) 波谷时刻:0/T, 3/12T, 4/12T;

以上采集到的数据即可作为电路的故障样本数据。将每一种故障的波形特征规律按照以上方式采集出故障数据, 并以此作为标准样本, 便可在电路发生故障的时候能够对其进行实时全面的元件故障诊断。

6 总结

本文以比较复杂的双桥串联12脉波整流电路为研究对象, 利用Matlab仿真平台和DJDK-1实验平台进行了该电力电子复杂电路的仿真和实验分析。并针对电路最容易出现的故障问题进行了详细探讨, 提出了基于波形分析的方法来解决电路的元件故障问题。对于实际的生产和教学实验具有一定的实用价值。

参考文献

[1]王兆安, 刘进军.电力电子变流技术:第5版[M].北京, 机械工业出版社, 2009:79-89.

[2]王鲁杨, 王禾兴.多重化整流电路中的触发脉冲[J].第四届中国高校电力电子与电力传动学术年会, 2010:136-139.

[3]孙毅, 吴小兰.串联12脉波整流电路的MATLAB-Simulink仿真[J].工矿自动化, 2001:194-195.

[4]旷永红, 周鹏.大功率整流装置故障诊断系统研究[J].湖南工程学院学报, 2010, 20 (2) :16-19.

电力电子实验 篇9

《电力电子技术》课程是高职院校电类专业课程, 大多都沿用课堂教学加实验的教学模式。实验基本都是基于实验箱的实验平台, 存在不透明的问题[1]。同时, 该平台硬件更新换代慢, 无法赶上技术的发展及技术革新的步伐[2,3]。因此, 很多院校开展了该课程的计算机仿真实验教学。可通过仿真软件来模拟电路工况, 并且仿真不受时间、空间和实验条件的限制, 也不用担心出现实验事故。

2 仿真实例浅析

该文基于Matlab7.10中Simulink环境平台下进行仿真实验, 研究为单相桥式全控整流电路。启动Simulink平台, 调出模型库中相关模块, 按原理图连线, 实现该电路的建模, 如图1所示。双击模块图标, 弹出参数设置对话框, 然后按框中提示输入。电路模块设置大致为:输入电压为 (220*sqrt (2) ) 、频率为50, 测量选Voltage;负载选择R为2;脉冲发生器:同步频率为50, 脉冲宽度为10, 脉冲角为30;其它模块参数默认。在菜单中选择Simulation parameters后, 取5个周期 (0.1s) , 仿真数值计算方法选ode23t。点击仿真开始, 系统进入稳态后, 可双击示波器图标, 弹出波形后作研究分析, 见下图2、3。该电路在仿真平台下, 可以直观显示多路实时波形及具体值, 而在实验室中做实验同一时刻只能观看到两路波形。加深对电路变换原理及其波形产生过程的理解, 提高了学生的实验兴趣。

3 结语

该教学模式让学生处于一种体验式的学习环境而不是枯燥而抽象的理论推导, 提升了学生的独立分析解决问题和创新能力, 加强实验技能的培养同时促进了课程教学质量的提高, 实践能力逐步提升。

参考文献

[1]孙金秋, 游有鹏.“电力电子技术”课程的教学方法改革[J].电气电子教学学报, 2013 (5) :73-74.

[2]邢绍邦等.虚实结合的“电力电子技术”教学改革[J].江苏技术师范学院学报, 2012 (2) :116-119.

电力电子实验 篇10

一、EDA概述

EDA (Ele c tronic De s ig n Automa tion) 即电子设计自动化, 是指以计算机为工作平台, 运用EDA软件完成电子电路的自动化设计工作。主要进行三方面的工作:电路设计、电路仿真及PCB设计。目前常用的EDA工具有Multisim、Or CAD及EWB软件。Multis im是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件, 其元件库提供千种电路元器件供选用, 同时也可以新建或扩展已有的元器件库;Multisim虚拟测试仪器仪表种类齐全, 有一般实验的通用仪器, 如万用表、函数信号发生器、示波器、直流电源等, 还有一般实验室少有或没有的仪器, 如数字信号发生器、逻辑分析仪、失真仪等, 并且仪表可多次调用;Or CAD可以完成以硬件描述语言 (VHDL) 和线路图绘制方式进行电路设计, 即FPGA和CPLD设计综合, 对数字、模拟和模/数混合电路进行模拟及印制电路板 (PCB) 设计等任务;EWB可以对模拟、数字、模拟/数字混合电路进行仿真。

二、仿真实例

下面采用Multisim对电力电子技术中的调光电路进行仿真, 通过一定范围内改变某器件参数, 将电路的工作状态更清晰、生动地展现在学生面前, 并且直观地观察到电路性能的变化。

(1) 编辑原理图。包括建立电路文件、设计电路界面、放置元件、连接电路等步骤, 得到电路原理图, 如图1所示。

(2) 进行仿真测量。利用Multisim的参数扫描功能, 调用示波器对该电路进行仿真, 观察输出波形的变化, 探究输出波形的形成, 即移相调光原理。仿真波形如图2所示。其六个波形依次是:电源电压、整流直流电压、灯泡两端电压、晶闸管两端电压、电容端电压、触发脉冲电压。

(3) 仿真结论。移相调光原理:调节电位器RP, 当RP电位器阻值小时, 电容C充电时间短, 看到的锯齿波、脉冲波数量较多, 触发角小而导通角大, 灯泡就亮。当RP阻值较大时, 电容C充电时间长, 脉冲后移, 看到的锯齿波、脉冲波数量较少, 触发角大而导通角小, 灯泡就暗。两种情况的波形一比较, 就明白了移相调光的原理。

总之, 从波形图中可以看出, 在晶闸管承受正向电压的时间内, 改变门极触发脉冲的输入时间, 负载上得到的电压就随着改变, 这样就控制了负载上输出电压的大小。

三、应用效果

从以上的这个例子的仿真设计过程, 可以看出该电路修改调试方便, 设计和实验同步进行;元器件及测试仪器仪表齐全;实验中不消耗元器件, 实验所需元器件的种类和数量不受限制, 没有真实元器件参数的离散和变化, 没有仪器精度变化带来的影响等等;可以方便地对电路参数进行测试和分析;实验结果反映的是实验的本质过程, 准确、真实、形象。如果能在仿真出现结果后再焊接制作电路板, 实验成本低, 效率高。

结束语:在Multisim的环境下进行电路仿真实验, 不仅与在现实环境下做的实验有许多相同的地方, 并且方便快捷, 其仿真结果对实际电路设计将是很好的参考。当然, EDA仿真也可以引入电工实验、电路分析实验、模拟和数字电路实验的辅助教学中, 形成虚拟实验和虚拟实验室, 这将极大地提高实践质量和教学效果。参考文献:

摘要：本文通过调光电路实例探讨了在《电力电子技术》课程教学中应用EDA仿真技术进行模拟实验的教学方法。可以看出, Multisim仿真软件为教学质量的提高提供了良好的促进手段, 对激发学生学习兴趣, 增加动手能力及研究分析问题的能力大有裨益。

关键词：EDA仿真技术,Multisim,电力电子

参考文献

电力电子元件知识讲座(六) 篇11

关于压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代。美国G．E．Motorola Zenith公司的Rosen在1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本工作原理，并成功地制备出长条形单片压电陶瓷变压器。但由于这种单片变压器使用的是压电性能较差的BaTiO3陶瓷材料，加上工艺不完善，升压比很低，成本又很高，故当时没有引起人们的重视。后来，随着PZT系、三元系和四元系等压电陶瓷材料的陆续出现，在20世纪70年代末和80年代初，压电陶瓷变压器开始进入实用化。从20世纪90年代末期开始，压电陶瓷变压器得到了蓬勃发展和比较广泛的应用。

1 压电陶瓷变压器的基本结构及工作原理

压电蜂鸣器和压电点火棒是人们较熟悉的两种压电陶瓷产品。压电蜂鸣器是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的，给其加上电信号，压电陶瓷将产生振动而发出声音；压电点火棒是利用压电陶瓷的正压电效应工作的，给其加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。这两种器件的能量转换形式是电能与机械能之间的单向转换，而压电陶瓷变压器则是在同一压电陶瓷上同时利用正和逆的压电效应来进行工作的，即经过电能→机械能和机械能→电能的两次能量变换。压电陶瓷变压器输入端和输出端的振动模式是不同的，因此压电陶瓷变压器实际上是一种特殊的压电陶瓷换能振子。

压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构，其中最简单和最为常用的是Rosen型单层长条形结构，如图1所示。

由该图可知，压电陶瓷变压器由两部分组成，其中左半部分的上下两面都有烧渗的银电极，沿厚度(即从上到下)方向极化，作为输入端，这部分称为驱动部分；右半部分的端头烧渗了银电极，沿长度方向(即从左到右)极化，作为输出端，这部分称为发电部分。当交变电压Uin加到压电陶瓷变压器的输入端时，只要交变电压频率与压电陶瓷的谐振频率一致，就会通过逆压电效应使变压器产生沿长度方向上的伸缩振动，使输入的电能转化为机械能；而发电部分通过正压电效应使机械能转换为电能，产生电压输出。实际上，压电陶瓷的左半部分相当于蜂鸣器，右半部分则类似于点火棒。图1所示的压电变压器的长度大于厚度，如果输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，则为升压型变压器。这种变压器在几伏或几十伏的输入电压下，可以产生数千伏的输出。在空载状态时，压电变压器的开路升压比N为

当材料一定时，Qm、k31和k33均为常数，压电变压器的变压比N仅由L和t之比决定。由于QmL/t可以很大，因此可以制作升压比足够大的压电陶瓷变压器。

利用与图1所示的Rosen变压器相似的结构，可以制备如图2所示的压电陶瓷降压变压器。这种降压变压器是将图1中所示的发电部分作为驱动部分，将驱动部分作为发电部分。通过这种变换，发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出电压降低，电流增加。

压电陶瓷变压器除了利用横向振动模式的器件结构形式外，还可利用径向振动、厚度振动、弯曲振动等振动模式来设计和制造其他形式的压电变压器。利用厚度振动模式和径向振动模式，同样可以设计降压或自耦降压压电陶瓷变压器。

压电陶瓷材料是一种脆性材料。为保障压电陶瓷变压器的机械强度，陶瓷片不能做得太长或太薄，因此限制了升压比的提高。为了提高升压比，人们将多层片式电容器( MLCC)的成熟工艺移植到压电陶瓷变压器的制备中，于是在20世纪90年代末，多层独石型和片式压电陶瓷变压器陆续被推向市场。

图3所示为多层片式陶瓷结构示意。这种叠层结构中的相邻两层陶瓷在厚度方向上的极化方向是相反的，各内电极间采用叉指方式交替地连接。在多层压电陶瓷的总厚度与单片内电极 压电陶瓷的厚度相同的情况下，与单片压电陶瓷相比，N层压电陶瓷的等效压电系数(d33)则提高3N倍，电流量增加N2倍，电压将下降N倍（因陶瓷承受的电场相同）。将这种陶 瓷结构用于压电陶瓷变压器的驱动和发电部分，可以通过陶瓷层数来改变变压器的输入和输 出阻抗，从而改变变压比和电流比。

2 压电陶瓷变压器的特性

压电陶瓷变压器的电特性参数有输出功率（功率密度通常为15～20W/cm3）、输入／输 出电压、工作频率、负载阻抗、功率转换效率、器件尺寸和工作温度（通常低于60℃）等。

压电陶瓷变压器具有以下一般特性：

(1)压电陶瓷变压器输出电压的高低与频率直接相关，其输出电压只有在谐振频率附近（fr±lkHz内）才达到最大值；若偏离谐振频率，电压下降的幅度就很大。这是压电陶瓷变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在较宽的频率范围内工作。压电陶瓷变压器的、谐振频率会随温度的变化而变化，当环境温度发生变化或变压器工作时因自身机械和介质损耗而发热时，都将引起谐振频率的漂移。当用固定信号激励时，谐振频率的漂移会引起输入电压的变化，从而影响高压电源的稳定工作。因此，在应用中，相应的驱动电路必须具有频率自反馈跟踪能力，方能使变压器始终处于最佳工作状态。

(2)压电陶瓷变压器在输入电压一定时，输出电压随负载阻抗的减小而降低。这是由于压电陶瓷变压器的输入阻抗较大（约十几兆欧至数万兆欧）而引起的。因此，在使用压电陶瓷变压器升压的高压电源中，当负载变化后，变压器的输出电压变化较大，即它们的压电调整率差，这时必须在电路中采取补偿措施，以保证电源具有稳定的输出电压。

(3) 一般的线绕变压器的输入阻抗与负载阻抗是成正比的，而压电陶瓷变压器则相反，当减小其负载阻抗时，输入阻抗反而增大。这种输入阻抗与负载阻抗的特殊关系，在压电陶瓷变压器作为高压电源时极为重要。因为当负载短路时，压电陶瓷变压器会自动断电而不被烧毁，这是压电陶瓷变压器的一个优良特点。

(4)压电陶瓷变压器的安装固定与配置对正确使用很重要。压电陶瓷变压器有半波模和全波模两种安装状态，如图4所示。

在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零的地方，否则会严重影响升压比和转换效 率。半波模谐振的支撑点应在压电陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点应在陶瓷片的1/4处。

3 压电陶瓷变压器的特点

压电陶瓷变压器与传统绕线型变压器比较，具有以下特点和优点：

(1)体积小，质量轻，器件几何形状呈超薄(厚度小于4mm)扁平结构，适宜片式化。同时，可根据实际需要制成长度和宽度振动模式的长方体压电变压器及径向振动的圆柱体压电变压器等。

(2)采用阻燃性压电陶瓷制成，不需要铜漆包线和磁心，没有磁饱和现象，不怕潮湿，不怕短路烧毁，安全性好。

(3)工作时是以高频振动的压电方式来实现能量的转换和传输的，不会产生也不受来自外界的电磁干扰。

(4)能量转换效率高，一般可达90％以上，最高可达98％。

(5)输出标准正弦波电压，尤其适用于驱动快速启动的冷阴极荧光灯(CCFL)。

(6)对于低阻负载具有准恒流输出特性，不会产生反峰电压，能对功率放大器起保护作用。

压电陶瓷变压器尽管有许多优点，但也存在一些不足之处，具体表现为：

(1)输出功率较小，单层器件输出功率一般仅为1～2W，多层器件输出功率可达30W。目前成熟产品的输出功率在10W之内，仅适用于小功率和高压小电流领域。

(2)在应用中的配套电路比较复杂，对使用成本和系统可靠性都造成一定影响。

(3)压电陶瓷变压器有一定的谐振频率，当工作频率低于谐振频率时，器件呈电容特性；高于谐振频率时，器件呈电感特性；只有在谐振频率附近时，器件才表现为电阻特性。因此，陶瓷变压器的工作频率受谐振频率的限制，工作带宽较窄，而电磁式变压器不受带宽限制，工作频率范围相对较宽。

4 压电陶瓷变压器的应用及其驱动电路

(1)应用领域

压电陶瓷变压器适用于高电压、小电流和较低功率的电子仪器和设备中，符合电子产品小型化、轻量化、薄型化、高效化及高可靠等方面的要求。全球信息产业日新月异，对压电陶瓷变压器提出了巨大的市场需求。

目前，压电陶瓷变压器主要用于电压升压和降压两个方面。压电陶瓷升压变压器的主要应用领域有冷阴极荧光灯驱动电路、液晶显示器、小功率激光管、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中；降压型压电陶瓷变压器主要用于各种小型AC/DC和DC/DC模块电源、手提充电器和手机、摄像机等便携式产品的AC/DC适配器。从目前的情况看，压电陶瓷降压变压器的发展和应用滞后于压电陶瓷升压变压器。

(2)基本驱动电路

在20世纪90年代中后期之前，人们利用当时现有的资源，大多采用开关电源通用PWM控制器IC再附加外围电路来驱动压电陶瓷变压器。后来随着压电陶瓷变压器的迅速发展和日益广泛的应用，使世界各大半导体公司看到了商机．纷纷开发并推出了压电陶瓷变压器专用驱动IC。这些IC具有较宽的输入电压范围，能自动完成频率扫描和跟踪，以使压电变压器工作在准谐振状态。此类驱动IC有很多，如HLMM936、UCC3976、UCC3977和DIT8545等。

压电陶瓷变压器的驱动电路有单开关单端驱动方式、双开关推挽和半桥驱动方式及四开关全桥驱动方式等几种，其中单开关电路拓扑仅适用于驱动小功率压电陶瓷变压器，电路结构比较简单。

1)高压电源用单端驱动电路。图5所示为高压电源电路。该电路是一种DC/DC升压变换器拓扑，压电陶瓷变压器TC用作升压转换器件。控制器IC的振荡器频率能跟踪TC的谐振频率，IC的输出PWM信号驱动互补配置的晶体管VT1和VT2。当IC输出高电平时，VT1导通，UCC经限流电阻R和VT1对MOSFET (VT3)的栅极电容Cgs充电。当VT3、栅极电压达到开启电平时，VT3导通，电流通过电感器L使其储存能量。当IC输出低电平时，VT1截止，VT2导通，VT3截止。在VT3截止时，在L中产生反电势加至TC的输入端，脉冲幅度为UCC的2倍左右。TC输出端上产生的高频正弦波电压经VD1、VD2和电容器C整流滤波，输出一个DC高压(约3000V)。Ra、Rb为取样电阻分压器，在Rb上的采样信号反馈到IC，使高压输出稳定在设定值上。TC为KH3005型压电陶瓷变压器，尺寸为30mm×5mm×2.6mm，额定输出功率为3.5W，谐振频率为55kHz，输入电容为180pF，输出电容为26pF。

表1列出了MPT系列压电陶瓷变压器的尺寸与参数，供选用时参考。

2)基于DIT8545的单开关CCFL驱动电路。一种基于控制器DIT8545的小屏幕LCD背光照明用冷阴极荧光灯(CCFL)单端单开关驱动电路如图6所示。该驱动电路是一个输入DC电压为3～13.5V的DC-AC变换器电路，压电陶瓷变压器TC(采用PZT材料)输出视CCFL规格而定。在一般情况下，CCFL工作电压为200～600V，工作电流为2～8mA。

电力电子实验 篇12

1 发电环节

1.1 发电机组励磁

大型的发电机组应用静止励磁的技术, 其具有的特点就是调节的速度快、控制比较简单, 可以显著的提高发电厂的运行性能与效率。水力发电机组应用交流的励磁技术, 可以实现发电系统对于水头压力与水流量的动态变化快速的调节, 可以改善发电的品质, 提升发电效率。

1.2 风力发电

变流器是风力发电里面必备的核心环节, 风电变流器通过整流器与逆变器将不稳定的风能变换为电压、频率以及相位相符合并网需要的电能。伴随着变流器拓扑结构由两电平、三电平向有源中点钳位、模块化多电平换流器等多电平拓扑方向发展, 使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高, 有效降低了线路损耗和传输导线成本, 促进了风电特别是海上风电的大规模开发。

2 电能储存

储能技术在电力系统里面的应用是可以缓解高峰符合供电具有的需求的, 同时可以提高现有的电力设备利用率以及电网的运行效果。同时还可以有效的应对电网故障的发生, 提高其电能质量与利用的效率, 满足社会与经济的发展对于优质、可靠以及安全用电的需要。

2.1 可调速抽水蓄能

抽水蓄能电站一般都是由上水库、下水库以及发电系统组成的。在运行的时候, 上下水库的落差是再不断的变化, 所以抽水蓄能电站只有在工作变速的情况下面才是可以发挥最佳的发电效率。目前可调速的抽水蓄能机组只要采用的为转子绕组励磁的方式, 励磁的调节系统一般采用基于晶压管的周波变换器。

抽水蓄能机组通过调节转子励磁的电流的频率与幅值, 是可以实现有功出力以及无功出力的大幅度独立的调整, 同时便于利用机组启动与运行模式的有关切换工作, 使得抽水蓄能电站在电力系统里面可以更好地发挥调峰填谷、调频以及紧急事故的处理等多重的作用。

2.2 电池储能

电池储能系统主要含有的为电池系统与功率的调节系统, 电池一般采用的为锂离子电池、钠硫电池等, 在电池系统里面, 采用的为小功率DC/DC变换器可以实现电池模块的电流均衡使用。大功率以及高增益DC/DC变换器集成到电池模块内部, 并不是作为电池模块输出结构实现串联成组, 就会提高直流母线电压等级以及简化均衡控制要求与优化功率调节的系统的拓扑。在功率的系统里面, 电压型的四象限变换器作为电池系统与电网的电力电子接口, 变换器可以采用三相桥式模块并联与H桥模块的拓扑, 除了进行电池充放电管理外还能实现储能系统的各项并网功能。

3 微型电网

微型电网是由分布式电源、储能装置以及功率变换器、监控保护装置集合而成的。我们通过功率变换器的调节, 实现了局部的功率平衡与能量的优化。在外部电网出现故障的时候, 我们还可以通过变换器的解列, 使得微型电网运行在独立的模式里面, 还可以继续的向关键的负荷提供电能。经过实践分析, 我们将分布式电源通过微型电网的形式接入到电网并网运行, 也是发挥分布式电源效能最为有效的方式。

在微型电网里面, 分布式电源与储能装置的互联可以采用多变换器方案也是可以实现, 由一个多接口变换器来实现的。我们采用多个变换器的时候, 各个控制器也是相互独立的, 因此需要依赖通信的方式进行协调的工作, 存在成本高、可靠性差以及通信延迟等严重的问题, 降低了系统的性能。多接口变换器是一种可自我持续的多输入多输出的变换器, 其可以与各种分布式电源、储能装置与负荷是相联接的。变换器可以阿精一个接口的直流或者是交流功率处理与调度到任意的接口, 其可以轻易的实现再生能源的利用率, 增强同电网互联的经济性等。多接口变换器运行可以分为生产模式、紧急模式以及恢复模式等, 在生产模式里面, 变换器可以获取再生的能源, 进行储能的管理, 同时也是可以满足负载供电的需要。在紧急模式的以后, 变换器也是可以作为不间断的电源来使用的。

4 输电环节

4.1 直流输电

直流输电含有的为常规直流输电以及柔性直流输电, 常规直流输电采用的就是基于晶闸管的换流器;柔性主流输电采用的为基于全控制器件的换流器。通过与常规的直流输电相比较, 柔性直流输电具有的特点就是有功功率与无功功率可以独立的控制, 不需要滤波以及无功的补偿。所以其更加的适合于在再生能源里面接入、孤岛供电以及城市供电等领域展开应用。

4.2 分频输电

分频输电系统利用为较低的频率进行电能的传输, 其可以有效的减少交流输电线路的电气距离, 提高系统的传输能力, 抑制线电路电压的波动。在水电、风电等众多的可再生能源发电系统里面, 因为发电机转速是比较低的, 所以十分适合利用低频进行发电与传输。

5 结束语

电力电子装置在发电、储能以及微型电网里面应用以后, 可以有效的改善电力系统的性能, 促进电力系统的逐渐转型, 在这个方面展比较系统的深入研究, 有助于电力电子装置寿命的延长、低传给你本以及高安全性能的实现, 对于电力系统的发展具有重要的意义。

参考文献

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