Power Electronic Converter Teaching Module for Teaching and Learning of Power Electronics
Módulo didáctico de convertidor electrónico de potencia para la enseñanza y el aprendizaje de la electrónica de potencia
Résumé
This paper presents the design and implementation of a didactic laboratory module, based on a power electronic converter, for the development of experimental practices in the Power Electronics course at Universidad Industrial de Santander (UIS). The didactic module constitutes an educational tool to support the teaching and learning processes in the training of students in Electrical Engineering and Electronic Engineering programs. The topology of the implemented electronic converter corresponds to an uncontrolled three-phase full-bridge rectifier followed by a controlled three-phase full-bridge inverter, resulting in a two-stage energy conversion process that can be used for conducting experimental practices in various applications. The article details the design and implementation experience of the power circuits, signal conditioning and isolation stage, and control system of the prototype. These were verified through Matlab/Simulink simulations and laboratory experiments to ensure proper operation in the final assembly. For the implementation of the control stage of the laboratory module, the Arduino Mega platform was used, as it is easily programmable for undergraduate students. This allows students to propose and implement the control strategy of the power converter depending on the practice they wish to conduct, enabling the professor to address problem-based or challenge-based learning strategies. Additionally, a user manual and laboratory guides were developed to provide information on the operating principle of the converter and the functioning of the module, guiding the execution of experimental practices in the Power Electronics course. This educational tool offers numerous benefits such as the appropriation and verification of previously acquired knowledge, conducting experimental tests with energy conversion systems, developing theoretical and practical skills, and analyzing and interpreting data resulting from experimentation.
Este trabajo presenta el diseño y la implementación de un módulo didáctico de laboratorio, basado en un convertidor electrónico de potencia para el desarrollo de prácticas experimentales de la asignatura electrónica de potencia en la Universidad Industrial de Santander (UIS). El módulo didáctico constituye una herramienta educativa de apoyo para los procesos de enseñanza y aprendizaje en la formación de estudiantes de las carreras de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Electrónica. La topología del convertidor electrónico implementado corresponde a un rectificador trifásico en puente completo no controlado seguido de un inversor trifásico en puente completo controlado; resultando en un proceso de conversión de la energía en dos etapas que puede ser empleado para la realización de prácticas experimentales en diversas aplicaciones. Se diseñaron e implementaron los circuitos de potencia, adecuación y aislamiento de señales, y control del prototipo, los cuales fueron verificados mediante simulaciones en Matlab/Simulink y pruebas experimentales en laboratorio, para garantizar el correcto funcionamiento en el ensamble final. Para la implementación de la etapa de control del módulo de laboratorio, se empleó la plataforma Arduino Mega, la cual es de fácil programación para estudiantes de pregrado. De esta manera, los estudiantes pueden proponer e implementar la estrategia de control del convertidor de potencia dependiendo de la práctica que se desee realizar, permitiendo al profesor abordar estrategias de aprendizaje basadas en problemas o retos. Además, se elaboró un manual de usuario y guías de laboratorio que permiten brindar información sobre el principio de operación del convertidor y el funcionamiento del módulo, y orientan la realización de prácticas experimentales en la asignatura electrónica de potencia. Esta herramienta educativa ofrece numerosos beneficios como la apropiación y verificación de conocimientos, la realización de pruebas experimentales con sistemas de conversión de la energía, el desarrollo de competencias teórico-prácticas, y el análisis y la interpretación de datos resultantes de la experimentación. Este documento presenta los resultados del trabajo final de pregrado en Ingeniería Eléctrica de la UIS titulado “Módulo didáctico de inversor de potencia para prácticas experimentales de laboratorio” realizado en el marco del proyecto de investigación interno titulado "Estrategia pedagógica para el fortalecimiento de competencias en STEM mediante sistemas modulares de laboratorio", código 2825.
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