電力電子及電機拖動實訓裝置

一、概述
電力電子及電機拖動實訓裝置主要是用于機電及自動化各專業的如下專業課程：電機原理與電力拖動（電機與電氣控制），電力電子技術（功率電子技術），電氣傳動控制系統（運動控制系統、自動控制系統）、新型DSP開發系統等的實驗教學工作，應能夠擔負完成相關實驗教學任務，并擁有足夠擴展自由度，以適應未來進一步的深化研究要求。相關產品還有電氣安裝與維修實訓考核裝置、工廠供電綜合自動化實訓系統等等。
二、產品技術條件
1、整機容量：＜1.5kVA；
2、工作電源：～3N/380V/50Hz/3A；
三、完成的實驗內容
3.1電力電子實驗
1、鋸齒波同步觸發電路實驗
2、單相橋式半控電路實驗
3、單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗
4、三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗
5、單相交流電路實驗
6、三相交流電路實驗
7、單相交直交變頻電路（純電阻）
8、整流電路有源功率因數校正實驗
9、直流斬波電路實驗
3.2模擬直流調速實驗
1）晶閘管直流調速系統參數和環節特性的測定
2）晶閘管直流調速主要單元調試
3）雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統
4）雙閉環控制的直流脈寬調速系統(PWM)
5）邏輯無環流可逆直流調速系統
6）不可逆單閉環直流調速系統靜特性的研究
3.3交流調速實驗
1）雙閉環三相異步電機調壓調速系統
2）雙閉環三相異步電機串級調速系統
3.4、研究交流調速系統實驗(1套)
1）直流有刷電機雙閉環PWM控制調速實驗
2）直流方波無刷電機PWM控制調速實驗
3）三相鼠籠式異步電機變頻調速實驗
4)開環正弦波調制（SPWM）的高性能變頻調速實驗
5）開環空間矢量控制（SVPWM）的高性能變頻調速實驗
6）馬鞍波控制的高性能變頻調速實驗
7）磁場定向控制（FOC）的高性能變頻調速實驗
8）直接轉矩控制（DTC）的高性能變頻調速實驗
3.5、基于Matlab開發的研究型數字電力電子技術實驗(1套)
1）單端正激開關電源實驗研究
2）單端反激開關電源實驗研究
3.6、基于FPGA開發的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統實驗(1套)
1）交流伺服永磁同步電機的速度伺服實驗
2）交流伺服永磁同步電機的轉矩伺服控制實驗
3.7數字直流調速實驗
1）雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統
2）不可逆單閉環直流調速系統靜特性的研究
3）邏輯無環流可逆直流調速系統
3.2模擬直流調速實驗
1）晶閘管直流調速系統參數和環節特性的測定
2）晶閘管直流調速主要單元調試
3）雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統
4）雙閉環控制的直流脈寬調速系統(PWM)
5）邏輯無環流可逆直流調速系統
6）不可逆單閉環直流調速系統靜特性的研究
3.3交流調速實驗
1）雙閉環三相異步電機調壓調速系統
2）雙閉環三相異步電機串級調速系統
3.4、研究交流調速系統實驗(1套)
1）直流有刷電機雙閉環PWM控制調速實驗
2）直流方波無刷電機PWM控制調速實驗
3）三相鼠籠式異步電機變頻調速實驗
4)開環正弦波調制（SPWM）的高性能變頻調速實驗
5）開環空間矢量控制（SVPWM）的高性能變頻調速實驗
6）馬鞍波控制的高性能變頻調速實驗
7）磁場定向控制（FOC）的高性能變頻調速實驗
8）直接轉矩控制（DTC）的高性能變頻調速實驗
3.5、基于Matlab開發的研究型數字電力電子技術實驗(1套)
1）單端正激開關電源實驗研究
2）單端反激開關電源實驗研究
3.6、基于FPGA開發的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統實驗(1套)
1）交流伺服永磁同步電機的速度伺服實驗
2）交流伺服永磁同步電機的轉矩伺服控制實驗
3.7數字直流調速實驗
1）雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統
2）不可逆單閉環直流調速系統靜特性的研究
3）邏輯無環流可逆直流調速系統
四、設備配置表
序號名稱數量備注
1 主控屏
1）單、三相交流電源（指針）
2）人身安全保護
3）直流電壓表、電流表（數字各一只）
4）交流電壓、電流表（數字各一只）
5）220/0.5直流勵磁電源
6）±15V/1A直流穩壓電源
7）速度變換器，給定，零速封鎖器,直流指針式電壓表 1
2 實驗桌 1
3 計算機接口 1
4 三相可調電阻 1
5 平波電抗器及阻容吸收 1
6 三相變壓器 1
10 觸發電路，同步及雙脈沖信號觀察，Ⅰ組晶閘管，Ⅱ組晶閘管，二極管三相整流橋、電流反饋及過流保護 1
11 整流電路的有源功率因數校正實驗箱 1
12 直流調速控制單元 1
13 直流脈寬調速實驗箱 1
14 單端正激/反激開關電源及APFC電路 1 整個實驗室配一套
整個實驗室配一套
15 基于DSP的單三相逆變和電機控制實驗系統 1
16 基于FPGA開發的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統 1
17 三相永磁同步交流伺服電機 1
18 復勵直流發電機 1
19 直流并勵電動機 1
20 三相鼠籠異步電機 1
21 三相繞線式異步電機 1
22 直流方波無刷電機 1 整個實驗室配一套
23 轉速計導軌(帶2048光電碼盤) 1
25 DSP下載器 1
26 FPGA下載器 1
27 數字萬用表 1 用戶自配
28 示波器 1
29 計算機 1
五、產品技術功能說明
1、控制屏技術說明
1）控制屏和實驗桌
實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面采用意大利進口生產設備和工藝生產的高密度度防腐防火板。造型美觀大方，設有兩只抽屜和存放柜，用于置放工具，掛箱及資料等。實驗桌設有四個輪子和四個可調固定支撐腳，便于移動和固定，有利于實驗室布置。電氣動力設備安裝調試技能實訓裝置、工廠供電技術實訓裝置等等。
2）低壓電源及儀表
儀表說明
直流電壓表：提供測量范圍±300V電壓表1只。
直流電流表：提供測量范圍±2A電流表1只。
交流電壓表：提供測量范圍300V電壓表1只。
交流電流表：提供測量范圍1A電流表1只。
速度變換器，給定，零速封鎖器：提供速度變換器、給定、零速封鎖器系統實驗電路。
低壓直流電源：提供±15V/1A直流穩壓電源。
3）電源控制屏
三相交流電源：通過開關切換分別輸出三相200V和230V交流電源，給直流調速和交流調速提供輸入電源，帶過流保護。該電源經過電流型漏電保護、三相隔離變壓器、電壓型漏電保護等安全保護電路后供學生實驗用電。
220V/0.5A直流勵磁電源：供直流電動機和直流發電機勵磁繞組。
4）其它：提供多功能單相三芯電源插座2只。
2、常用實驗部件的技術說明
1）平波電抗器及阻容吸收
提供直流調速實驗中需要的平波電抗器及RC濾波，電抗器還能作為電力電子技術實驗中的電感負載。
2）三相變壓器
提供三相變壓器，作為串級調速系統和有源逆變線路中的逆變變壓器。
3）三相可調電阻
提供可調電阻600W/0.41A三組，供發電機負載電阻和其它實驗阻性負載用以及作為電機起動電阻用。
4）觸發電路和晶閘管主回路
觸發電路：采用數字集成電路，抗干擾能力強，三相脈沖間隔均勻，一致性好，產生雙窄脈沖，脈沖移相范圍為0－160°。在面板上可觀察三相同步電壓的六個脈沖波形，并通過“Uct”端對a角進行控制。面板還裝有六路琴鍵開關，可分別對每一路脈沖進行“通”、“斷”控制，可模擬三相整流電路丟脈沖或逆變電路顛覆的故障現象。另有兩脈沖控制端“Ublr”、和”Ublf”，分別對I、II組脈沖放大電路進行控制，在進行“邏輯無環流可逆直流調速系統”實驗中，通過對“Ublr”、和”Ublf”的脈沖點進行控制實現電機的正反轉。
主回路：由12只可控硅，電氣動力設備安裝調試實訓裝置6只二極管以及平波電抗器，RC吸收回路組成。可控硅采用上海整流器廠生產的6A/800V金屬封裝，過載能力強、可靠性高、干擾能力強的可控硅，平波電抗器采用中心抽頭方式，分別為50mH、100mH、200MH、700MH.在交流電流小于1.5A 時保持線性。
過流過壓保護：主控制屏輸出的單、三相交流電源均經過電壓互感器和電流互感器檢測。由于保護電路響應速度遠大于功率器件損壞的速度，可有效地保護了系統主回路的功率器件不被損壞，一但實驗電流超過2A，電壓超過260V，即刻斷電告警指示。
5）整流電路的有源功率因數校正
系統主電路采用BOOST升壓電路，控制電路采用功率因數校正專用集成芯片參照UC3854，通過實驗，使學生熟悉整流電路功率因數的定義，提高功率因數的意義以及功率因數校正的基本原理，并掌握BOOS功率因數校正器的組成、工作原理、特點及調試方法和熟悉功率因數校正集成控制電路UC3854的組成、功能、工作原理于使用方法。
7、數字電力電子實驗模塊
（1）單端正激/反激開關電源及APFC電路
提供單端正激/反激開關電源電路及負載、BOOST型APFC電路及負載、DSP控制系統。
采用參照供配電技術實訓裝置32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新產品做為控制核心芯片，利用DSP仿真器將C、C++、Matlab語言編寫算法或者用Simulink庫搭建控制算法下載到DSP2812芯片，通過USB接口將DSP2812與上位機之間進行實時通訊，將DSP2812中CMPR寄存器的數實時據傳送到PC上的上位機進行監控，利用DSP2812的EV單元輸出PWM波形。DSP2812與上位機之間通過高速中斷進行交互數據。
上位機軟件采用參照美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW軟件進行編寫，對DSP芯片中寄存器的數據進行實時監控，用戶不僅可在上位機的監控界面上觀察到電路的驅動波形，電路中的電流、電壓波形，也能夠通過上位機對DSP進行控制。
（2）基于DSP的單三相逆變和電機控制實驗系統
1）硬件部分說明
實驗平臺采用參照TI公司的高性能控制類DSP芯片TMS320F2812。32位定點DSP，速度150M，處理數據位數32位定點，擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD數據采集，使其對電機控制得心應手，豐富的外設接口，如CAN、SCI等。有多種和PC機進行數據交換的方式，如USB2.0方式，串口方式和仿真器JTAG等。同時還有多處硬件信號引出觀測點，如電機電流波形，轉速波形，PWM驅動波形等
該建筑供配電技術實訓裝置實驗平臺主電路母線采用具過流、過壓保護，上電保護等安全措施。驅動電路采用專用集成驅動芯片參照IR2110，不僅有光耦隔離和電磁隔離等優點，有欠壓鎖定、告警關斷等功能。三相逆變橋采用N溝道的增強型場效應功率管參照IRFP460。該系統的主電路的工作頻率可高達100KHz，可以滿足多種電機的控制要求。采用該硬件系統是一套完善的變頻調速實驗設備。
在檢測模塊部分，轉速采集上采用了2048光電碼盤，極大提高了轉速反饋及采集后的精度，也為變頻調速系統的閉環控制方式提供了強大的硬件保障。2048光電編碼器能夠輸出A、B、Z三個電壓信號，可以進行速度反饋和電機定位。電流采集上采用2A霍爾電流傳感器，精度較高。選用霍爾位置可調的直流方波無刷電機，可調節電機的最佳換向點。
2）軟件部分說明
該試驗系統使用了多個大型的開發設計軟件，主要的有Matlab2009a，LabView8.5，CCS3.3，由這些軟件共同參與實驗的運行。在參考simulnk的模型文件的支持下，能夠實現多種的開環和閉環的變頻調速實驗。
實驗者還可以根據自己對系統和編程的理解，修改原有提供的mdl模型文件或創新的建立新的mdl文件，實現新的算法和思路。
7、電機導軌及電機技術說明
1）直流復勵發電機：PN=100W，nN=1500r/min，IN=0.5A，UN=220V
2）直流并勵電動機：PN=185W，nN=1600r/min，IN=1.1A，UN=220V
3）三相籠型異步電動機（帶2048光電編碼器）：PN=100W，nN=1420r/min，IN=0.48A,，UN=220V
4）三相繞線式異步電動機：PN=100W,，nN=1420r/min，IN=0.55A，U=220V
5）直流方波無刷電機：PN =40W,UN=36V, IN=1.3A，nN=1500r/min;
6）三相永磁同步交流伺服電機：PN=200W,IN=1.5A,TN=0.637N.m;
7）電機導軌、光電碼盤和轉速表
此導軌可放置各種實驗電機，并保持上下、左右同心度偏差≤±5絲，通過橡皮連軸頭和編碼器連接，并用底腳固定螺絲固定電機。導軌上裝有0.5級轉速表指示電機正反轉轉速。
8、實驗導線說明
實驗連接導線采用高可靠全封閉手槍插型式，內部為無氧銅抽絲而成發絲般細的128股線，質地柔軟，護套用粗線徑、防硬化化學制品制成，插頭采用實芯銅質件。
9、基于FPGA開發的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統
9.1特點說明
傳統的交流伺服系統，參考采用TI公司TMS320F2812 DSP產品作為控制核心芯片，但DSP芯片存在不能并行計算、速度偏低、控制周期長等缺點。使用傳統的交流伺服系統，學生只能觀看電機控制結果，無法修改各種控制參數觀看控制結果，也無法動手編程電機算法并進行實驗，以及不能利用Matlab進行電機數據分析和處理。
交流伺服實驗系統使用參考XILINX公司高性能FPGA作為控制核心芯片。交流伺服閉環控制算法采用硬件描述語言編寫，開環控制算法采用Simulink建模，直接生成硬件描述語言。本系統的上位機控制軟件具有操作簡單、可設置參數豐富和界面生動等特色，非常適合教學使用和研究所系統驗證。使用本系統，學生可修改各種控制參數觀看控制結果，利用Simulink也可動手編程電機算法并進行實驗，以及利用Matlab進行電機數據分析和處理。因此學習VHDL語言與使用FPGA驗證先進電機控制設計為未來研究方向。
9.2產品介紹
9.2.1硬件介紹
變頻調速系統由主回路和控制電路組成。主回路采用變電站倒閘操作系統交—直—交電源型工作電路，功率器件采用大功率IGBT模塊。控制系統由FPGA開發板、信號檢測電路、驅動與保護電路、過流保護電路等模塊組成。FPGA核心開發板采用參考XILINX公司的XC3S700A型150萬門邏輯器件。
我們的基于FPGA芯片的交流伺服系統，具有控制周期小、實時性強、并行運行等優點，上位機軟件也具有操作簡單、可設置參數豐富和界面生動的特色。另外，也可以使用Simulink開發電機控制算法。非常適合學生做實驗使用，可了解電機控制算法、掌握各個電機控制參數的作用、學會如何使用Simulink開發FPGA代碼。同樣也適合研究生或老師繼續研究使用，深入研究基于FPGA的電機控制算法，為電動機數字控制系統應用提供了一個理想的解決方案。