NMCLIII型電力電子及電氣傳動實驗臺

NMCL-III型電力電子及電氣傳動教學實驗臺一、概述NMCL-III型電力電子及電氣傳動教學實驗臺主要是根據(jù)陳伯時教授的?電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)?第三版教材和西安交通大學王兆安教授?電力電子技術?設計而成的，我公司在2004年5月并為這二本教材召開了教材培訓和研討會。該實驗裝置主要針對半導體變流技術、現(xiàn)代電力電子器件、現(xiàn)代電力電子器件的典型線路、直流調(diào)速系統(tǒng)（模擬部分）、直流調(diào)速系統(tǒng)（數(shù)字部分）、交流調(diào)速（模擬部分）、交流調(diào)速系統(tǒng)（數(shù)子部分）、針對研究生實驗平臺和教師提高實驗內(nèi)容。內(nèi)容從不同的器件在不同場合的應用，不同器件外圍線路的不同設計，各種現(xiàn)代典型系統(tǒng)實驗，較為系統(tǒng)和完善地從實驗角度為學生提供了很好地實驗平臺。該系統(tǒng)經(jīng)過浙江大學電氣工程學院二位教授長達5年多的系統(tǒng)設計和求是公司每年的逐步完善，目前無論從可靠性、美觀性和設備設計的合理性方面都達到了從未有過的完善，設備的維護率大大降低。該設備通過清華大學、天津大學、浙江大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱工程大學、吉林大學、大連理工大學、青島大學、西安交通大學、華南理工大學、華北電力大學（北京、保定）、中國礦業(yè)大學、華中科技大學、四川大學等許多著名院校的使用，并提出了很多寶貴修改意見才達到今天的水平，我公司的電力電子及電氣傳動教學實驗臺被各高校評為目前市場占有領先地位，代表專業(yè)水平的教學產(chǎn)品。二、實驗裝置技術特點1、本實驗臺和國內(nèi)同類設備相比，具有緊密結合教材，線路典型，面板美觀，學生動手方便，保護功能完善，可靠性高等優(yōu)點。2、該實驗臺在完成傳統(tǒng)的實驗項目的同時，突出對現(xiàn)代電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的研究。整個現(xiàn)代電力電子及電氣傳動實驗分成三大部分：器件的研究、線路的研究、系統(tǒng)的研究（模擬控制、數(shù)字控制）。1）器件的研究主要是對GTR、MOSFET、IGBT、GTO的開關特性及其驅(qū)動電路、緩沖和保護電路研究。可通過改變不同的參數(shù)來研究器件的特性，具有研究價值。2）線路主要有Buck-Boost電路、開關電源、單相交流調(diào)壓電路、全橋DC/DC變換、軟開關、整流電路的有源功率因數(shù)提高等。3）系統(tǒng)則是直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（采用MOSFET）、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)（功率器件采用IPM智能功率模塊）和直流方波無刷電機的調(diào)速系統(tǒng)（采用GTR模塊,可擴展）。4）產(chǎn)品還設計了研發(fā)型實驗內(nèi)容，開放硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，可以允許學生在MATLAB環(huán)境下完成系統(tǒng)的控制算法的研究。（可擴展）學生通過完成以上實驗，能對各種器件在不同的場合的應用有了深刻的了解，對目前流行的各種線路均能熟練掌握，直至能夠獨立地設計各種線路甚至系統(tǒng)。3．在進行直流調(diào)速系統(tǒng)實驗時，除可用常規(guī)的由運算放大器構成的PID調(diào)節(jié)器進行控制外，還可以和計算機相連，由上位機進行數(shù)字控制，并采集轉速曲線和電流反饋信號。4.該實驗臺最新的由數(shù)字信號處理器（DSP）控制的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)實驗組件，采用高分辨率的編碼器作為轉速反饋元件，采用LEM傳感器作為電流檢測元件，既能完成SPWM和空間矢量的變頻調(diào)速實驗，又能進行磁場定向變頻調(diào)速實驗。同時，該實驗組件可與計算機進行相連，通過計算機對調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，對轉速等動態(tài)波形進行分析。5、交流電源的輸出不僅設計了過流保護功能，還在不同的觸發(fā)電路加了高壓保護，功率器件加了安全保護。為了不使強電信號加入弱電電路中，采用了不同的實驗導線，使學生接線時高低壓線路不會插錯，而導致低壓電路的損壞。6、我公司推出的實驗教學平臺，可讓教師和有能力的學生不僅可以熟悉MitLab軟件，還可以在MitLab環(huán)境下，設計各種控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)。三、實驗項目1、電力電子技術（晶閘管部分）1）單結晶體管觸發(fā)電路及單相半波可控整流電路實驗2）正弦波同步移相觸發(fā)電路實驗3）鋸齒波同步移相觸發(fā)電路實驗4）單相橋式半控整流電路實驗5）單相橋式全控整流電路實驗6）單相橋式有源逆變電路實驗7）三相半波可控整流電路的研究8）晶閘管三相半波有源逆變電路的研究9）三相橋式半控整流電路實驗10）三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗11）單相交流調(diào)壓電路實驗12）三相交流調(diào)壓電路實驗2、電子技術（全控型器件特性部分）1）功率場效應晶體管(MOSFET)的主要參數(shù)測量2）功率場效應晶體管(MOSFET)的驅(qū)動電路研究3）絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)特性及其驅(qū)動電路的研究4）電力晶體管（GTR）驅(qū)動電路的研究5）電力晶體管（GTR）的特性研究6）電力晶體管（GTO）驅(qū)動電路的研究7）電力晶體管（GTO）的特性研究3、電力電子技術（全控型器件典型線路部分）1）直流斬波電路（Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost、Zeta等六種電路）的性能研究2）單相交直交變頻電路的性能研究3）單端反激式隔離開關電源的性能研究4）單端正激式開關電源的性能研究5）采用自關斷器件的單相交流調(diào)壓實驗6）單相正弦波（SPWM）逆變電路實驗7）全橋DC/DC變換電路實驗4、直流模擬調(diào)速系統(tǒng)實驗1）晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定2）晶閘管直流調(diào)速主要單元調(diào)試3）不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的研究4）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)5）雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(PWM)5、直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)實驗（求是公司獨有的實驗）1）雙閉環(huán)晶閘管不可逆數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)2）雙閉環(huán)控制的數(shù)字直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(PWM)6、傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)實驗1）雙閉環(huán)三相異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2）雙閉環(huán)三相異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)7、交流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)實驗1）異步電機的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)（IPM）2）異步電機的空間矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)3）采用DSP的異步電機直接轉矩變頻調(diào)速系統(tǒng)4）采用DSP的異步電機磁場定向變頻調(diào)速系統(tǒng)8、可擴展的實驗內(nèi)容（求是公司獨有的實驗，學?？蛇x擇）1).單端正激/反激開關電源及單相APFC整流電路實驗（數(shù)字電力電子實驗）2)．采用DSP控制的直流方波無刷電機調(diào)速系統(tǒng)3)．采用DSP控制的直流方波無刷電機伺服系統(tǒng)4).在MATLAB研發(fā)環(huán)境下的變頻調(diào)速系統(tǒng)5).采用FPGA控制的研究型交流伺服電機數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)以下是學?？蛇x擇的實驗掛箱序號型號名稱數(shù)量價格1NMCL-14ADSP控制的直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)173002無刷電機調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)軟件（含控制、波形采集）150003M15直流方波無刷電機（與NMCL-14A配用）112004NMCL-13B基于MATLAB環(huán)境下的研究型DSP控制的高性能變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)1120005基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統(tǒng)1115006DPE-02單端正激/反激開關電源及單相APFC整流電路實驗箱：6800四、實驗臺技術條件1．整機容量：≤1.5kVA2．工作電源：AC3N/380V/50Hz/3A3．尺寸：1.60m×0.75m×1.50m4．重量：300k五、實驗臺技術說明1、控制屏及實驗桌技術說明1）設備的人身安全保護◆三相隔離變壓器的浮地保護,將實驗用電與電網(wǎng)完全隔離，對人身安全起到有效的保護作用；◆三相電源輸入端設有電流型漏電保護器，設備的漏電流大于30mA即可斷開開關，符合國家標準對低壓電器安全的要求；◆三相隔離變壓器的輸出端設有電壓型漏電保護，一旦實驗臺有漏電壓將會自動保護跳閘?！魪婋妼嶒瀸Ь€采用全塑封閉型手槍式導線，導線內(nèi)部為無氧銅抽絲而成發(fā)絲般細的多股線，質(zhì)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(zhì)件，避免學生觸摸到金屬部分而引起的雙手帶電操作觸電的可能。2）設備的安全保護體系◆三相交流電源輸出設有過流保護功能，其輸出電流大于2A即可斷開電源，并告警指示；◆晶閘管的門陰極和各觸發(fā)電路的觀察孔設有高壓保護功能，避免學生誤接線；◆實驗臺采用三種實驗導線，相互間不能互插，強電采用全塑型封閉安全實驗導線，弱電采用金屬裸露實驗導線（其實芯銅直徑大于強電導線），觀察孔采用2＃實驗導線，避免了學生誤操作將強電接到弱點的可能；◆由于示波器的接地端、2個通道的接地端和實驗臺的地線是相互連接的，為了使所有的實驗臺的地線獨立，我公司在單相交流電源插座前設有單相隔離變壓器，保證了整個實驗室實驗的正常進行。否則必須折斷示波器插頭的接地端，如此又會造成人身安全得不到保障；◆實驗臺交直流電源設有過流和短路保護功能。3）控制屏和實驗桌實驗桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結構，桌面采用意大利進口生產(chǎn)設備和工藝生產(chǎn)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(diào)固定支撐腳，便于移動和固定，有利于實驗室布置。4）NMCL-31低壓電源及儀表◆儀表說明該裝置建議采用指針式儀表較為合理，由于指針式儀表瞬間響應較快，可以觀察到電機起動的動態(tài)過程。直流電壓表：提供0.5級精度、測量范圍為±300V帶鏡面的指針電壓表。直流電流表：提供0.5級精度、測量范圍為±2A帶鏡面的指針電流表。交流電壓表：提供0.5級精度、測量范圍為300V帶鏡面的指針電壓表。交流電流表：提供0.5級精度、測量范圍為1A帶鏡面的指針電流表?！羲俣茸儞Q器，給定，零速封鎖器；提供速度變換器、給定、零速封鎖器系統(tǒng)實驗電路?！舻蛪褐绷麟娫矗禾峁?5V/1A直流穩(wěn)壓電源。5）NMCL-32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(diào)速和交流調(diào)速提供輸入電源，帶過流保護。該電源經(jīng)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(fā)電機勵磁繞組。6）其它：提供鴻雁牌多功能單相三芯電源插座2只。2、實驗模塊的技術說明1）NMCL-331電抗器2）NMCL-35三相變壓器3）NMCL-22D單端反激/正激開關電源4）NMCL-22E半橋型開關穩(wěn)壓電源的性能研究5）NMCL-38直流調(diào)速計算機接口陳伯時教授已將直流調(diào)速的數(shù)字調(diào)速作為必講的教學內(nèi)容，我公司與之配套的直流調(diào)速計算機接口可完成此功能。該功能由臺灣研華帶有PCI插槽的A/DD/A板卡和計算機接口控制板以及相應的軟件組成。其主要可實現(xiàn)直流調(diào)速速度單閉環(huán)、不可逆雙閉環(huán)和直流脈寬調(diào)速等系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)速，上位機軟件采用VC和Matlab編制，每一種實驗項目在界面上都由對應的數(shù)字模型和原理框圖，學生只要點擊框圖，就會彈出需修改參數(shù)的對話框，供學生進行操作。同時可以通過計算機實時檢測各種動態(tài)波形3、實驗箱技術說明1）NMCL-33三相觸發(fā)電路及主回路實驗箱觸發(fā)電路：采用數(shù)字集成電路，抗干擾能力強，三相脈沖間隔均勻，一直性好，產(chǎn)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和六個脈沖波形，并通過“Uct”端對a教進行控制。面板還裝以六路琴鍵開關，可分別對每一路脈沖進行“通”、“斷”控制，可模擬三相整六電路丟脈沖或逆變電路顛覆的故障現(xiàn)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“邏輯武環(huán)六可逆直流調(diào)速系統(tǒng)”實驗中，通過對“Ublr”、和”Ublf”的點平進行控制以實驗電機的正反轉。主回路：由12只可孔硅，6只二極管以及平波電抗器，RC吸收回路組成?？煽坠璨捎蒙虾Ｕx器廠生產(chǎn)的6A800V金屬封裝，過載能力強、可靠性高、干擾能力強，平波電抗器采用中心抽頭方式，分別為50mH、100mH、200Mh/700Mh.在電流小于1.5A時保持線性。2）NMCL-18轉速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、邏輯無環(huán)流控制器、可變電容提供交、直流調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的模擬PID轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器、邏輯無環(huán)流可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的邏輯控制器以及4組可變電容器。3）NMCL-07C電力電子器件實驗箱此實驗箱實驗項目除含GTR、MOSFEF、IGBT、GTO等器件的驅(qū)動電路和開關特性研究外，還可對快恢復二極管，高速光耦、電感等電力電子的常用元件進行分析。面板設計時，留有較多的波形觀察孔，便于學生分析各工作點的情況。線路設計時，遵循先易后難，先分離后集成的原則，挑選了幾種常見的比較具有實用價值的驅(qū)動電路，使學生可學以致用。整個實驗箱精心設計了各種保護電路，例如短路、du/dtdi/dt等保護。4）NMCL-13ADSP控制的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)由主回路和控制電路組成。主電路利用交—直—交電源型變頻器，功率器件采用智能功率模塊IPM控制系統(tǒng)由DSP、信號檢測電路、驅(qū)動與保護電路等組成。DSP采用美國TI公司的16位數(shù)字信號處理器TMS320F240。該芯片是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的，它集DSP的信號高速處理能力及適用與電機控制的優(yōu)化外圍電路與一體，為電動機數(shù)字控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。DSP控制的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)可完成SPWM、空間矢量、磁場定向以及直接轉矩控制方式的實驗，可觀察電動機線電壓、線電流、氣隙磁通分量以及突加與突減給定以及突加與突減負載時的iu＝f（t）與n＝f（t）動態(tài)波形。并可測量系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)機械特性n=f(M_)5）NMCL-22現(xiàn)代電力電子電路和直流脈寬調(diào)速實驗箱此實驗箱可完成直流斬波電路、交流調(diào)壓電路、單相交頻電路以及直流脈寬調(diào)速等實驗項目。直流斬波電路：面板上提供若干的電源、功率場效應晶體管、電抗器、電阻、二極管、電容等，并畫有常見的六種斬波電路（Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost、Zeta）原理示意圖。學生根據(jù)示意圖可以自行搭建不同的電路進行分析、比較、斬控式交流調(diào)壓：主回路由IGBT管組成，驅(qū)動電路由SG3525、運放等構成，通過示波器可觀察輸入的電壓、輸出電壓以及電流波形。單相交直流變頻電路：主回路中間直流電壓由交流電整流而得，逆變部分采用單相橋式PWM電路，功率器件采用600V14A的MOSFET。6）NMEL-03A可調(diào)電阻器提供可調(diào)電阻900/0.41A二組，90/1.3A一組，供發(fā)電機負載電阻和其它實驗阻性負載用。4、實驗電機及電機導軌1）M01直流復勵發(fā)電機2）M03直流并勵電動機3）M04A三相籠型異步電動機和編碼器4）M09三相繞線式異步電動機5）MEL-14電機導軌5、實驗導線技術說明實驗連接導線采用高可靠全封閉手槍插型式，內(nèi)部為無氧銅抽絲而成發(fā)絲般細的128股線，質(zhì)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(zhì)件6、可擴展的實驗內(nèi)容（學校可以選擇）1）NMCL-14ADSP控制的直流方波無刷電機調(diào)速系統(tǒng)伺服系統(tǒng)本調(diào)速系統(tǒng)由方波無刷電機、電機轉子位置傳感器、轉速傳感器、由功率管構成的逆變器、以DSP為核心的數(shù)字控制器等構成。系統(tǒng)可工作在無轉子位置傳感器狀態(tài)，此時轉子位置通過觀測器獲得兩種工作狀態(tài)，通過開關K切換，系統(tǒng)也可以不用轉速傳感器，而利用轉子位置信號即可檢測電機的轉速。主要實驗內(nèi)容包括有：◆有與無轉子位置傳感器情況下，測量電動機轉子位置信號◆有與無轉子位置傳感器情況下，研究電動機的起動特性◆功率晶體管基極驅(qū)動波形，電機定子線電壓波形2）NMCL-13B基于MATLAB環(huán)境下的研究型DSP控制的高性能變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)本實驗系統(tǒng)，利用TI公司32位高性能TMS320F2812(DSP2812)DSP最新產(chǎn)品做為控制核心芯片，并設計成為基于PCI總線的DSP2812運動控制器，利用超高速度的PC實現(xiàn)電機控制算法，本系統(tǒng)解決了Windows操作系統(tǒng)下實時控制的關鍵技術，并開發(fā)出電機控制實時控制軟件和Matlab實時控制模塊庫。利用本運動控制卡和接口軟件，可以完成交流感應電機的實時控制實驗，直接在Windows系統(tǒng)上使用C、C++或者Basic語言編寫電機控制算法，無須了解任何DSP電機控制相關技術。利用VisualC++開發(fā)的交流感應電機控制算法軟件和Matlab程序可以輕易完成以下實驗內(nèi)容，并且提供C語言電機控制算法源代碼，用戶可以在很方便進行修改?！鬝PWM調(diào)制方式下V/F曲線測定◆馬鞍波調(diào)制方式下V/F曲線測定◆空間電壓矢量調(diào)制方式下V/F曲線測定◆開環(huán)正弦波調(diào)制（SPWM）的高性能變頻調(diào)速實驗◆開環(huán)馬鞍波調(diào)制（SPWM）的高性能變頻調(diào)速實驗◆開環(huán)空間矢量控制（SVPWM）的高性能變頻調(diào)速實驗◆磁場定向控制（FOC）的高性能變頻調(diào)速實驗◆直接轉矩控制（DTC）的高性能變頻調(diào)速實驗3）基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機系統(tǒng)本交流伺服實驗系統(tǒng)，首創(chuàng)性地使用XILINX公司高性能FPGA作為控制核心芯片。交流伺服閉環(huán)控制算法采用硬件描述語言編寫，開環(huán)控制算法采用Simu