电力电子技术及电机控制实验装置

一、概述

“KHDD-504电力电子技术及电机控制实验装置 ” 依据高等院校最新统编教材《电力电子技术》 ( 第四版 )( 西安交通大学王兆安编著 ) 、《电力拖动自动控制系统》（第三版） ( 上海大学陈伯时编著 ) 等实验大纲的要求，吸收国内、外同类产品的优点，充分考虑了实验室的现状和发展趋势，精心研制而成。在同类产品中结构合理、功能完善、可靠性好、性价比高。

二、特点
1 、 综合性强 本装置综合了目前国内各类学校电力电子、半导体变流、交直流调速、交流变频、电机控制、控制理论等实验项目。
2 、 适应性强 能满足各类学校相应课程的实验教学，深度和广度可根据需要作灵活调整，普及与提高可根据教学的进程作有机的结合，装置采用积木式结构，更换便捷，如需要扩展功能或开发新实验，只需添加部件即可，永不淘汰。
3 、 整套性强 从专用电源、电机及其它实验部件到实验连接专用导线配套齐全，配套部件的性能、规格等均密切结合实验的需要进行配套。
4 、 直观性强 各实验挂件采用分隔结构形式，组件面板示意、图线分明，各挂件任务明确，操作、维护方便。
5 、 科学性强 装置占地面积少，节约实验用房，减少基建投资；配套的小电机均经特殊设计，可模拟中小型电机的特性和参数；小电机耗电省，节约能源，实验噪声小，整齐美观，改善实验环境；实验内容丰富，设计合理，除了加深理论知识外还可结合实际开设设计性实验。
6 、 开放性强 控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，并设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，确保操作者的安全；各电源输出均有监示及短路保护等功能，各测量仪表均有可靠的保护功能，使用安全可靠；控制屏还设有定时器兼报警记录仪，为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。由于整套装置经过精心设计，加上可靠的元器件质量及可靠的工艺作为保障，产品性能优良，所有这些均为开放性实验室，创造了条件。
7 、 先进性强 本装置着重从新器件高度来考虑，在保留了晶闸管实验的基础上，加入了新器件的特性、新器件的驱动以及典型的新器件应用的大量现代电力电子技术实验，让学生对新器件有足够的认识和了解，紧跟时代步伐。
三、适用范围
本装置涵盖了各高等院校等所开设的 “ 电力电子技术 ( 或称半导体变流技术 )” 、 “ 直流调速 ” 、 “ 交流调速 ” 、 “ 电机控制 ” 、 “ 电力拖动自动控制系统 ” 及 “ 控制理论 ” 等专业课程所要求的实验项目。
四、技术性能
1 、输入电源 : 三相四线 ( 或三相五线 380V±10 ％ 50HZ)
2 、工作环境 : 温度 -10℃ － + 40℃ 相对湿度＜ 85 ％（ 25℃ ） 海拨＜ 4000m
3 、装置容量：＜ 1.5KVA
4 、外形尺寸： 187.3×72.5× 162.2 cm 3
五、装置的基本装备
1 、 DK01 电源控制屏（铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板）

（ 1 ）交流电源（均带有过流保护措施）
提供交流电源：直流调速档为三相交流电 200V/ 3A
交流调速档为三相交流电 240V/ 3A
（ 2 ）高压直流电源
励磁电源： 220V （ 0.5A ），具有输出短路保护。
（ 3 ）数字式仪表
1 ．交流数字电压表：可通过其下方的波段开关切换指示三相电网输入线电压，精度 1.0 级；
2 ．真有效值交流数字电压表一只：测量范围 0 ～ 500V ，量程自动判断、自动切换，精度 0.5 级，三位半数显，为交流调速系统提供电压指示；
3 ．真有效值交流数字电流表一只：测量范围 0 ～ 5A ，量程自动判断、自动切换，精度 0.5 级，三位半数显，具有超量程告警、指示及切断总电源功能，为调速系统提供电流的指示；
4 ．直流数字电压表一只：测量范围 0 ～ 300V ，三位半数显，输入阻抗为 10M Ω ，精度 0.5 级，为可逆调速系统提供电压指示；
5 ．直流数字电流表一只：测量范围为 0 ～ 5A ，三位半数显，精度 0.5 级，具有超量程报警、指示、切断总电源等功能，为可逆调速系统提供电流指示。
（ 4 ）人身安全保护体系
三相隔离变压器一组：三相电源首先通过三相漏电保护器，然后经钥匙开关、接触器到隔离变压器，使输出与电网隔离（浮地设计），对人身安全起到一定的保护作用。
电压型漏电保护器 1 ：对隔离变压器前的线路出现的漏电现象进行保护，使控制屏内的接触器跳闸，切断电源。
电压型漏电保护器 2 ：对隔离变压器后的线路及实验过程中的接线等出现的漏电现象进行保护，发出报警信号并切断电源，确保人身安全。
电流型漏电保护装置：控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。
实验连接线及插座：强、弱电连接及插座分开，不能混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺，使用安全、可靠、防触电。
（ 5 ）实验管理器
具有设定实验时间、定时报警、切断电源等功能；还可以自动记录与区分由于接线或操作错误所造成的漏电告警、仪表超量程告警等。
（ 6 ）控制屏其它设施
控制屏正面大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验部件，凹槽底部设有 12 芯、 10 芯、 4 芯、 3 芯等插座， 挂件的供电由这些插座提供。控制屏两边设有单相三极 220V 电源插座及三相四极 380V 电源插座，还设有实验台照明用的 40W 日光灯一盏。
2 、 DK02 实验桌
实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板 , 结构坚固，形状似长方体封闭式结构，造形美观大方；设有两个大抽屉、柜门，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个万向轮和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室的布局。
3 、 DQ03 － 1 不锈钢电机导轨、光码盘测速系统（日本欧姆龙 1024 光电编码器）及数显转速表
4 、 DQ27 三相可调电阻（每组 900Ω×2/0 .41A ）
5 、 DK03 晶闸管主电路
提供 12 只 5A /1000V 的晶闸管，分成正、反桥两组，每只晶闸管均设有保护装置，正、反桥晶闸管可通过外加信号进行触发（留有触发脉冲输入接口），可更好的完成设计性实验；设有带镜面精密指针式直流电压表 ±300V ，精度 1.0 级带镜面直流电流表 ± 2A ，精度 1.0 级各一只和平波电抗器一组。
6 、 DK04 三相晶闸管触发电路
提供三相触发电路、功放电路等，与 “DK03” 配套使用。
7 、 DK05 晶闸管触发电路实验
提供单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路、单相交流调压触发电路及单相并联逆变触发电路共五种触发电路。
8 、 DK06 电机调速控制实验（ Ⅰ ）
提供以下模块：电流反馈与过流保护（ FBC+FA ）、给定器（ G ）、转速变换器（ FBS ）、速度调节器（ ASR ）、反号器（ AR ）、电流调节器（ ACR ）、转矩极性鉴别（ DPT ）、零电平检测（ DPZ ）及逻辑控制器（ DLC ）。
9 、 DK07 直流斩波电路
主要由斩波器触发电路及斩波主电路两大部分组成。
10 、 DK08 给定及实验器件
提供给定（ ±15V 可调电压输出）、压敏电阻（作为过压保护元件，内部已连成三角形接法）、二极管、 24V 电源及电感。
11 、 DK09 新器件特性实验
提供 SCR 、 MOSFET 、 IGBT 、 GTO 、 GTR 新器件，与 DJK06 配套使用，可测定其特性曲线；与 DJK12 配套使用，可完成电力电子新器件的驱动特性实验。
12 、 DK10 可调电阻、电容箱
提供耐压 AC63V 的可调电容三组，调节范围为 0.1 ～ 11.37uF ， 0 ～ 999KΩ 十进制可调电阻两组。
13 、 DK11 单相调压与可调负载
提供了一只 0 ～ 250V/0.5KVA 单相交流自耦调压器，为相应的实验提供可调电源；一个整流滤波电路以及 0 ～ 90Ω/ 1.3A （串联）或 0 ～ 45Ω/ 2.6A （并联）瓷盘可调电阻，为相应的实验提供一个可调的阻性负载。
14 、 DK12 变压器实验
提供三相芯式变压器一个（该变压器有 2 套副边绕组，原、副边绕组的电压为 127V/63.6V/31.8V ），用于异步电机串级调速实验和三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验；还设有三相不控整流电路和逆变变压器各一组。
15 、 DK13 功率器件驱动电路实验箱
主要是为完成新器件特性实验提供驱动和保护电路，使学生了解电力电子新器件的驱动特性。主要包括电源、驱动电路、 PWM 波形发生器。
（ 1 ）电源：为驱动电路提供电源，包括 ±5V 、 +20V 、 ±15V 直流电源。
（ 2 ）驱动电路：包括 MOSFET 、 IGBT 、 GTR 和 GTO 的驱动电路。其中 IGBT 的驱动电路采用了专用芯片 EXB841 。
（ 3 ） PWM 波形发生器：由 SG3525 为核心的 PWM 波形发生器主要为新器件驱动电路提供 PWM 驱动波形；可以通过频率调节旋钮进行频率调节；通过占空比电位器来调节 PWM 波的占空比；频率范围分为 2 挡，通过钮子开关切换，高频档是为 MOSFET 和 IGBT 驱动电路提供 PWM 波形，频率调节范围 4KHz ～ 10KHz ；低频档是为 GTR 和 GTO 驱动电路提供 PWM 波形，频率调节范围 400Hz ～ 1KHz ；占空比均能从 0% 调至 100% 。
16 、 DK14 单相交直交变频原理
根据普通高等教育 “ 九五 ” 国家级重点教材，王兆安、黄俊主编的《电力电子技术》 ( 第四版 ) 的相关内容进行开发，用于展示交直交变频原理，主要让学生了解 SPWM 正弦波脉宽调制信号的形成方法，了解 IGBT 管专用集成驱动芯片的特点及其使用。能完成如下实验项目： 1 、 SPWM 波形成的过程； 2 、交直交变频电路在不同负载（电阻，电感和电机）时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响； 3 、 IGBT 管专用集成驱动芯片的工作特性。
17 、 DK15 自控原理实验
提供稳压电源、交 / 直流数字电压表、低频函数信号发生器、六位数显频率计、阶跃信号发生器及典型的控制环节（比例环节、惯性环节、积分环节、超前滞后校正环节，还可以组成微分、延迟等各种电路）等。
18 、 DK16 自控原理实验
提供稳压电源、阶跃信号发生器、典型的控制环节（比例环节、惯性环节、积分环节、超前滞后校正环节，还可以组成微分、延迟等各种电路）及自由布线区（以便自由组合实验线路进行实验）
19 、 DK17 双闭环 H 桥 DC/DC 变换直流调速系统
通过对四个桥臂上 IGBT 管的触发控制，来实现对可逆直流他励电机进行调速的目的，主要由三大部分组成，即主回路部分、控制电路部分和调节部分。主回路由直流电源、四种 IGBT 管组成；控制回路部分由专用芯片产生 PWM 脉冲波， PWM 波脉冲发生器产生的四路控制脉冲，分别驱动四个桥臂的 IGBT 管；调节部分由两个 PI 调节器组成，并通过速度环、电流环构成的反馈回路使电机的转速稳定运行在给定的转速下。本实验箱可完成的实验项目有：（ 1 ）、全桥 DC/DC 变换电路实验（ 2 ）、双闭环可逆直流脉宽调速实验。
20 、 DK18 电机调速控制实验（ Ⅱ ）
提供以下模块：触发选择器（ TS ）、绝对值放大器（ GAB ）、电流符号选择器（ CSS ）、电压调节器（ AVR ）、零速封锁器（ DZS ）及电压隔离器（ TVD ）。与 “DK06” 配合使用完成 “ 三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验 ” 。
21 、 DK19 半桥型开关稳压电源
提供了半桥型开关稳压电源的主电路和控制电路，主电路中的电力电子器件为电力 MOSFET 管；控制电路采用专用 PWM 控制集成电路 SG3525 ，采用恒频脉宽调制控制方案。可完成 “ 开关电路在开环与闭环下负载特性的测试 ” 以及 “ 电源电压波动对输出的影响 ” 等实验内容。
22 、 DK20 直流斩波实验
根据西安交通大学 王兆安 教授 和黄俊 教授主编的《电力电子技术》 ( 第四版 ) 中相关的直流斩波内容而设计的；提供组成直流斩波电路所需的元器件和采用专用的 PWM 控制集成电路 SG3525 。可完成教材中降压斩波电路（ Buck Chopper ）、升压斩波电路（ Boost Chopper ）、升降压斩波电路（ Boost -Buck Chopper ）、 Cuk 斩波电路、 Sepic 斩波电路、 Zeta 斩波电路六种典型实验。
23 、 DK21 斩控式交流调压电路
根据西安交大 王兆安 教授 和黄俊 教授主编的《电力电子技术》 ( 第四版 ) 中相关的内容而设计的，采用全控型器件 IGBT 管实现 “ 斩控式交流调压实验 ” 。
24 、 DK22 单相调压 / 调功电路
根据西安交通大学 王兆安 教授 和黄俊 教授主编的相关内容而设计的，实现
单相交流调压和交流调功的实验内容。采用的电力电子器件为双向晶闸管，在交流调压实验中采用由双向触发二极管构成触发控制电路；在交流调功实验中采用由 555 时基电路组成触发控制电路。
25 、 DK23 单端反激式隔离开关电源
输入交流电压范围为 50V ～ 200V ，输出为三组直流电源，分别为 +5V 、 5A ； +12V 、 1A ； -12V 、 1A ，在输入交流电压和直流输出负载变化时输出电压的变化率小于 0.3% 。
26 、 DK24 PS-ZVS-PWM 软开关技术
主要包括 H 桥电路、控制电路和稳压反馈电路。用于展现移相零电压开关的电路结构和工作原理。 H 桥电路有四只 MOSFET 管组成，控制电路采用全桥软开关电源移相 PWM 控制芯片 UCC3895 和驱动芯片 HIP4081 ，稳压反馈电路由 TL431 等元件组成。
27 、 DK25 整流电路有源功率因数校正
主要有整流电路、升压变换器、控制电路三部分组成。控制电路采用功率因数控制芯片 UCC3817N 和外围元器件组成 , 最大输出功率为 100W （ 200V±5% ， 0.5A ），工作频率为 100KHz 。采用模块化设计，通过适当的连线可以完成下列实验项目：
(1) 无滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试
(2) 有滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试
(3) 整流电路有源功率因数校正的测试
(4) 控制电路的波形测试，功率栅极控制信号观察
(5) 整流电路有源功率因数校正电路的性能测试
28 、 DK26 单端电流反馈他激式隔离开关电源
采用专用集成电路 UC3844 作 PWM 控制器，可直接驱动 MOSFET 功率场效应管。通过与直流可调电源、负载的配合可展示电路原理，各点波形测试，输入电压和负载改变时的波形变化和性能测试等项目。
29 、 DK 27 升 、降压与复合斩波电路
通过 PWM 控制器与两个 IGBT 三极管，两个二极管的简单联结，配以发电机、电动机的组合负荷，用双踪示波器能展示降压电路的第一象限电压 - 电流图，升压电路的第二象限电压 - 电流图，复合电路的第一、第二象限电压－电流图。同时能展示以上三种状态下的续流、临界断流、断流时的电压、电流波形 ( 改变输入电压、改变 PWM 脉宽、改变负荷电机力矩 ) 。并可简单的联结成升、降压与复合电路，由于结构上的特点，实验还可演示斩波电路电机负荷能耗制动、回馈制动等的实验效果。
30 、 DK28 三相异步电机变频调速控制
针对目前工业用变频器只能对输入信号及输出的结果进行观测，无法得知其内部的详细工作过程的缺点，开发本实验装置，着重从 “ 变频原理 ” 出发，通过实验让学生了解整个变频的过程。
提供三相正弦波脉宽调制（ SPWM ）、马鞍波（ PWM ）、三相空间电压矢量脉宽调制（ SVPWM ）三种变频实验方式，面板上设有相应的测试点，可方便地用示波器进行观测。此外，面板上设计有计算机接口，可与计算机联机进行实验，还留有可编程控制器（ PLC ）接口。
31 、 DK29 单相智能功率、功率因数表
由 24 位专用 DSP 、 16 位高精度 AD 转换器和高速 MPU 单元设计尔成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。软件上采用 RTOS 设计思路，同时配有 PC 监控软件来加强分析能力。能测量电路的功率、功率因数。功率测量精度为 1.0 级，功率因数测量范围 0.3-1.0 ，电压电流量程为 450V 和 5A ，能自动判别负载性质（感性显示 “L” ，容性显示 “C” ，纯电阻不显示），并可存储测量数据，供随时查阅。
32 、 DQ07-1 直流发电机 (220W)
33 、 DQ09 直流并励电动机
34 、 DQ11 三相线绕式异步电动机
35 、 DK30 线绕式异步电机转子专用箱
36 、 DQ17 单相电阻启动异步电动机
37 、 DQ20 三相鼠笼异步电动机
38 、实验连接线：根据不同实验项目的特点，配备两种不同的实验联接线，强电部分采用高可靠护套结构插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触安全可靠；弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线，两种导线都只能配合相应内孔的插座，这样大大提高了实验的安全及合理性。

六、本装置能开设的实验项目（所列器材全部配置时）

（一）电力电子技术实验项目

（二）典型电力电子器件线路实验
1 ．单相正弦波脉宽调制（ SPWM ）逆变电路实验
2 ．全桥 DC/DC 变换电路实验
3 ．半桥型开关稳压电源的性能研究
4 ．单端反激式隔离开关电源实验
5 ．单端电流反馈他激式隔离开关电源实验
6 ．直流斩波电路的性能研究（降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波的电路、 Cu ｋ斩波电路、 Sepic 斩波电路、 Zeta 斩波电路）
7 ．升、降压与复合斩波电路实验
8 ．单相斩控式交流调压电路实验
9 ．整流电路有源功率因数校正实验
10 ．软开关技术实验
（三）直流电机调速实验
1 ．晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验
2 ．晶闸管直流调速系统主要单元的调试
3 ．单闭环不可逆直流调速系统实验
4 ．双闭环不可逆直流调速系统实验
5 ．逻辑无环流可逆直流调速系统实验
6 ．三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验
7 ．双闭环控制的直流脉宽调速系统（ H 桥、 IGBT ）
（四）变频原理实验
1 ．三相正弦波脉宽调制（ SPWM ）变频原理实验
2 ．三相马鞍波（三次谐波注入）脉宽调制变频原理实验
3 ．三相空间电压矢量 SVPWM 变频原理实验
4 ． SPWM 调制方式下 V/F 曲线测定
5 ．马鞍波调制方式下 V/F 曲线测定
6 ．空间电压矢量调制方式下 V/F 曲线测定
7 ．不同的变频模式下磁通轨迹观测实验
（五）交流电机调速系统实验
1 ．双闭环三相异步电机调压调速系统实验
2 ．双闭环三相异步电机串极调速系统实验
3 ．单相正弦波脉宽调制 SPWM 变频调速系统实验
4 ．三相正弦波脉宽调制（ SPWM ）变频调速系统实验
—— 可联计算机进行实验，还留有可编程控制器（ PLC ）接口
5 ．三相马鞍波脉宽调制变频调速系统实验
—— 可联计算机进行实验，还留有可编程控制器（ PLC ）接口
6 ．三相空间电压矢量 SVPWM 变频调速系统实验
—— 可联计算机进行实验，还留有可编程控制器（ PLC ）接口
( 六 ) 自控原理实验项目