电力电子及电机拖动实训装置

一、概述
电力电子及电机拖动实训装置主要是用于机电及自动化各专业的如下专业课程：电机原理与电力拖动（电机与电气控制），电力电子技术（功率电子技术），电气传动控制系统（运动控制系统、自动控制系统）、新型DSP开发系统等的实验教学工作，应能够担负完成相关实验教学任务，并拥有足够扩展自由度，以适应未来进一步的深化研究要求。相关产品还有电气安装与维修实训考核装置、工厂供电综合自动化实训系统等等。
二、产品技术条件
1、整机容量：＜1.5kVA；
2、工作电源：～3N/380V/50Hz/3A；
三、完成的实验内容
3.1电力电子实验
1、锯齿波同步触发电路实验
2、单相桥式半控电路实验
3、单相桥式全控整流及有源逆变电路实验
4、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验
5、单相交流电路实验
6、三相交流电路实验
7、单相交直交变频电路（纯电阻）
8、整流电路有源功率因数校正实验
9、直流斩波电路实验
3.2模拟直流调速实验
1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
2）晶闸管直流调速主要单元调试
3）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
4）双闭环控制的直流脉宽调速系统(PWM)
5）逻辑无环流可逆直流调速系统
6）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
3.3交流调速实验
1）双闭环三相异步电机调压调速系统
2）双闭环三相异步电机串级调速系统
3.4、研究交流调速系统实验(1套)
1）直流有刷电机双闭环PWM控制调速实验
2）直流方波无刷电机PWM控制调速实验
3）三相鼠笼式异步电机变频调速实验
4)开环正弦波调制（SPWM）的高性能变频调速实验
5）开环空间矢量控制（SVPWM）的高性能变频调速实验
6）马鞍波控制的高性能变频调速实验
7）磁场定向控制（FOC）的高性能变频调速实验
8）直接转矩控制（DTC）的高性能变频调速实验
3.5、基于Matlab开发的研究型数字电力电子技术实验(1套)
1）单端正激开关电源实验研究
2）单端反激开关电源实验研究
3.6、基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统实验(1套)
1）交流伺服永磁同步电机的速度伺服实验
2）交流伺服永磁同步电机的转矩伺服控制实验
3.7数字直流调速实验
1）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
2）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
3）逻辑无环流可逆直流调速系统
3.2模拟直流调速实验
1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
2）晶闸管直流调速主要单元调试
3）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
4）双闭环控制的直流脉宽调速系统(PWM)
5）逻辑无环流可逆直流调速系统
6）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
3.3交流调速实验
1）双闭环三相异步电机调压调速系统
2）双闭环三相异步电机串级调速系统
3.4、研究交流调速系统实验(1套)
1）直流有刷电机双闭环PWM控制调速实验
2）直流方波无刷电机PWM控制调速实验
3）三相鼠笼式异步电机变频调速实验
4)开环正弦波调制（SPWM）的高性能变频调速实验
5）开环空间矢量控制（SVPWM）的高性能变频调速实验
6）马鞍波控制的高性能变频调速实验
7）磁场定向控制（FOC）的高性能变频调速实验
8）直接转矩控制（DTC）的高性能变频调速实验
3.5、基于Matlab开发的研究型数字电力电子技术实验(1套)
1）单端正激开关电源实验研究
2）单端反激开关电源实验研究
3.6、基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统实验(1套)
1）交流伺服永磁同步电机的速度伺服实验
2）交流伺服永磁同步电机的转矩伺服控制实验
3.7数字直流调速实验
1）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
2）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
3）逻辑无环流可逆直流调速系统
四、设备配置表
序号名称数量备注
1 主控屏
1）单、三相交流电源（指针）
2）人身安全保护
3）直流电压表、电流表（数字各一只）
4）交流电压、电流表（数字各一只）
5）220/0.5直流励磁电源
6）±15V/1A直流稳压电源
7）速度变换器，给定，零速封锁器,直流指针式电压表 1
2 实验桌 1
3 计算机接口 1
4 三相可调电阻 1
5 平波电抗器及阻容吸收 1
6 三相变压器 1
10 触发电路，同步及双脉冲信号观察，Ⅰ组晶闸管，Ⅱ组晶闸管，二极管三相整流桥、电流反馈及过流保护 1
11 整流电路的有源功率因数校正实验箱 1
12 直流调速控制单元 1
13 直流脉宽调速实验箱 1
14 单端正激/反激开关电源及APFC电路 1 整个实验室配一套
整个实验室配一套
15 基于DSP的单三相逆变和电机控制实验系统 1
16 基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统 1
17 三相永磁同步交流伺服电机 1
18 复励直流发电机 1
19 直流并励电动机 1
20 三相鼠笼异步电机 1
21 三相绕线式异步电机 1
22 直流方波无刷电机 1 整个实验室配一套
23 转速计导轨(带2048光电码盘) 1
25 DSP下载器 1
26 FPGA下载器 1
27 数字万用表 1 用户自配
28 示波器 1
29 计算机 1
五、产品技术功能说明
1、控制屏技术说明
1）控制屏和实验桌
实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面采用意大利进口生产设备和工艺生产的高密度度防腐防火板。造型美观大方，设有两只抽屉和存放柜，用于置放工具，挂箱及资料等。实验桌设有四个轮子和四个可调固定支撑脚，便于移动和固定，有利于实验室布置。电气动力设备安装调试技能实训装置、工厂供电技术实训装置等等。
2）低压电源及仪表
仪表说明
直流电压表：提供测量范围±300V电压表1只。
直流电流表：提供测量范围±2A电流表1只。
交流电压表：提供测量范围300V电压表1只。
交流电流表：提供测量范围1A电流表1只。
速度变换器，给定，零速封锁器：提供速度变换器、给定、零速封锁器系统实验电路。
低压直流电源：提供±15V/1A直流稳压电源。
3）电源控制屏
三相交流电源：通过开关切换分别输出三相200V和230V交流电源，给直流调速和交流调速提供输入电源，带过流保护。该电源经过电流型漏电保护、三相隔离变压器、电压型漏电保护等安全保护电路后供学生实验用电。
220V/0.5A直流励磁电源：供直流电动机和直流发电机励磁绕组。
4）其它：提供多功能单相三芯电源插座2只。
2、常用实验部件的技术说明
1）平波电抗器及阻容吸收
提供直流调速实验中需要的平波电抗器及RC滤波，电抗器还能作为电力电子技术实验中的电感负载。
2）三相变压器
提供三相变压器，作为串级调速系统和有源逆变线路中的逆变变压器。
3）三相可调电阻
提供可调电阻600W/0.41A三组，供发电机负载电阻和其它实验阻性负载用以及作为电机起动电阻用。
4）触发电路和晶闸管主回路
触发电路：采用数字集成电路，抗干扰能力强，三相脉冲间隔均匀，一致性好，产生双窄脉冲，脉冲移相范围为0－160°。在面板上可观察三相同步电压的六个脉冲波形，并通过“Uct”端对a角进行控制。面板还装有六路琴键开关，可分别对每一路脉冲进行“通”、“断”控制，可模拟三相整流电路丢脉冲或逆变电路颠覆的故障现象。另有两脉冲控制端“Ublr”、和”Ublf”，分别对I、II组脉冲放大电路进行控制，在进行“逻辑无环流可逆直流调速系统”实验中，通过对“Ublr”、和”Ublf”的脉冲点进行控制实现电机的正反转。
主回路：由12只可控硅，电气动力设备安装调试实训装置6只二极管以及平波电抗器，RC吸收回路组成。可控硅采用上海整流器厂生产的6A/800V金属封装，过载能力强、可靠性高、干扰能力强的可控硅，平波电抗器采用中心抽头方式，分别为50mH、100mH、200MH、700MH.在交流电流小于1.5A 时保持线性。
过流过压保护：主控制屏输出的单、三相交流电源均经过电压互感器和电流互感器检测。由于保护电路响应速度远大于功率器件损坏的速度，可有效地保护了系统主回路的功率器件不被损坏，一但实验电流超过2A，电压超过260V，即刻断电告警指示。
5）整流电路的有源功率因数校正
系统主电路采用BOOST升压电路，控制电路采用功率因数校正专用集成芯片参照UC3854，通过实验，使学生熟悉整流电路功率因数的定义，提高功率因数的意义以及功率因数校正的基本原理，并掌握BOOS功率因数校正器的组成、工作原理、特点及调试方法和熟悉功率因数校正集成控制电路UC3854的组成、功能、工作原理于使用方法。
7、数字电力电子实验模块
（1）单端正激/反激开关电源及APFC电路
提供单端正激/反激开关电源电路及负载、BOOST型APFC电路及负载、DSP控制系统。
采用参照供配电技术实训装置32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新产品做为控制核心芯片，利用DSP仿真器将C、C++、Matlab语言编写算法或者用Simulink库搭建控制算法下载到DSP2812芯片，通过USB接口将DSP2812与上位机之间进行实时通讯，将DSP2812中CMPR寄存器的数实时据传送到PC上的上位机进行监控，利用DSP2812的EV单元输出PWM波形。DSP2812与上位机之间通过高速中断进行交互数据。
上位机软件采用参照美国国家仪器（NI）公司的LabVIEW软件进行编写，对DSP芯片中寄存器的数据进行实时监控，用户不仅可在上位机的监控界面上观察到电路的驱动波形，电路中的电流、电压波形，也能够通过上位机对DSP进行控制。
（2）基于DSP的单三相逆变和电机控制实验系统
1）硬件部分说明
实验平台采用参照TI公司的高性能控制类DSP芯片TMS320F2812。32位定点DSP，速度150M，处理数据位数32位定点，拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，使其对电机控制得心应手，丰富的外设接口，如CAN、SCI等。有多种和PC机进行数据交换的方式，如USB2.0方式，串口方式和仿真器JTAG等。同时还有多处硬件信号引出观测点，如电机电流波形，转速波形，PWM驱动波形等
该建筑供配电技术实训装置实验平台主电路母线采用具过流、过压保护，上电保护等安全措施。驱动电路采用专用集成驱动芯片参照IR2110，不仅有光耦隔离和电磁隔离等优点，有欠压锁定、告警关断等功能。三相逆变桥采用N沟道的增强型场效应功率管参照IRFP460。该系统的主电路的工作频率可高达100KHz，可以满足多种电机的控制要求。采用该硬件系统是一套完善的变频调速实验设备。
在检测模块部分，转速采集上采用了2048光电码盘，极大提高了转速反馈及采集后的精度，也为变频调速系统的闭环控制方式提供了强大的硬件保障。2048光电编码器能够输出A、B、Z三个电压信号，可以进行速度反馈和电机定位。电流采集上采用2A霍尔电流传感器，精度较高。选用霍尔位置可调的直流方波无刷电机，可调节电机的最佳换向点。
2）软件部分说明
该试验系统使用了多个大型的开发设计软件，主要的有Matlab2009a，LabView8.5，CCS3.3，由这些软件共同参与实验的运行。在参考simulnk的模型文件的支持下，能够实现多种的开环和闭环的变频调速实验。
实验者还可以根据自己对系统和编程的理解，修改原有提供的mdl模型文件或创新的建立新的mdl文件，实现新的算法和思路。
7、电机导轨及电机技术说明
1）直流复励发电机：PN=100W，nN=1500r/min，IN=0.5A，UN=220V
2）直流并励电动机：PN=185W，nN=1600r/min，IN=1.1A，UN=220V
3）三相笼型异步电动机（带2048光电编码器）：PN=100W，nN=1420r/min，IN=0.48A,，UN=220V
4）三相绕线式异步电动机：PN=100W,，nN=1420r/min，IN=0.55A，U=220V
5）直流方波无刷电机：PN =40W,UN=36V, IN=1.3A，nN=1500r/min;
6）三相永磁同步交流伺服电机：PN=200W,IN=1.5A,TN=0.637N.m;
7）电机导轨、光电码盘和转速表
此导轨可放置各种实验电机，并保持上下、左右同心度偏差≤±5丝，通过橡皮连轴头和编码器连接，并用底脚固定螺丝固定电机。导轨上装有0.5级转速表指示电机正反转转速。
8、实验导线说明
实验连接导线采用高可靠全封闭手枪插型式，内部为无氧铜抽丝而成发丝般细的128股线，质地柔软，护套用粗线径、防硬化化学制品制成，插头采用实芯铜质件。
9、基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统
9.1特点说明
传统的交流伺服系统，参考采用TI公司TMS320F2812 DSP产品作为控制核心芯片，但DSP芯片存在不能并行计算、速度偏低、控制周期长等缺点。使用传统的交流伺服系统，学生只能观看电机控制结果，无法修改各种控制参数观看控制结果，也无法动手编程电机算法并进行实验，以及不能利用Matlab进行电机数据分析和处理。
交流伺服实验系统使用参考XILINX公司高性能FPGA作为控制核心芯片。交流伺服闭环控制算法采用硬件描述语言编写，开环控制算法采用Simulink建模，直接生成硬件描述语言。本系统的上位机控制软件具有操作简单、可设置参数丰富和界面生动等特色，非常适合教学使用和研究所系统验证。使用本系统，学生可修改各种控制参数观看控制结果，利用Simulink也可动手编程电机算法并进行实验，以及利用Matlab进行电机数据分析和处理。因此学习VHDL语言与使用FPGA验证先进电机控制设计为未来研究方向。
9.2产品介绍
9.2.1硬件介绍
变频调速系统由主回路和控制电路组成。主回路采用变电站倒闸操作系统交—直—交电源型工作电路，功率器件采用大功率IGBT模块。控制系统由FPGA开发板、信号检测电路、驱动与保护电路、过流保护电路等模块组成。FPGA核心开发板采用参考XILINX公司的XC3S700A型150万门逻辑器件。
我们的基于FPGA芯片的交流伺服系统，具有控制周期小、实时性强、并行运行等优点，上位机软件也具有操作简单、可设置参数丰富和界面生动的特色。另外，也可以使用Simulink开发电机控制算法。非常适合学生做实验使用，可了解电机控制算法、掌握各个电机控制参数的作用、学会如何使用Simulink开发FPGA代码。同样也适合研究生或老师继续研究使用，深入研究基于FPGA的电机控制算法，为电动机数字控制系统应用提供了一个理想的解决方案。