一、概述
電力電子及電機(jī)拖動實(shí)訓(xùn)裝置主要是用于機(jī)電及自動化各專業(yè)的如下專業(yè)課程：電機(jī)原理與電力拖動（電機(jī)與電氣控制），電力電子技術(shù)（功率電子技術(shù)），電氣傳動控制系統(tǒng)（運(yùn)動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)）、新型DSP開發(fā)系統(tǒng)等的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，應(yīng)能夠擔(dān)負(fù)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，并擁有足夠擴(kuò)展自由度，以適應(yīng)未來進(jìn)一步的深化研究要求。相關(guān)產(chǎn)品還有電氣安裝與維修實(shí)訓(xùn)考核裝置、工廠供電綜合自動化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) 等等。
二、產(chǎn)品技術(shù)條件
1、整機(jī)容量：＜1.5kVA；
2、工作電源：～3N/380V/50Hz/3A；
三、完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
3.1電力電子實(shí)驗(yàn)
1、鋸齒波同步觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)
2、單相橋式半控電路實(shí)驗(yàn)
3、單相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)
4、三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)
5、單相交流電路實(shí)驗(yàn)
6、三相交流電路實(shí)驗(yàn)
7、單相交直交變頻電路（純電阻）
8、整流電路有源功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)
9、直流斬波電路實(shí)驗(yàn)
3.2模擬直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
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）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
4）雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(PWM)
5）邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
6）不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的研究
3.3交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
1）雙閉環(huán)三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)
2）雙閉環(huán)三相異步電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)
3.4、研究交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）直流有刷電機(jī)雙閉環(huán)PWM控制調(diào)速實(shí)驗(yàn)
2）直流方波無刷電機(jī)PWM控制調(diào)速實(shí)驗(yàn)
3）三相鼠籠式異步電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
4)開環(huán)正弦波調(diào)制（SPWM）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
5）開環(huán)空間矢量控制（SVPWM）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
6）馬鞍波控制的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
7）磁場定向控制（FOC）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
8）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
3.5、基于Matlab開發(fā)的研究型數(shù)字電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）單端正激開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)研究
2）單端反激開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)研究
3.6、基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）交流伺服永磁同步電機(jī)的速度伺服實(shí)驗(yàn)
2）交流伺服永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩伺服控制實(shí)驗(yàn)
3.7數(shù)字直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
1）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
2）不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的研究
3）邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
3.2模擬直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
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）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
4）雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(PWM)
5）邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
6）不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的研究
3.3交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
1）雙閉環(huán)三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)
2）雙閉環(huán)三相異步電機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)
3.4、研究交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）直流有刷電機(jī)雙閉環(huán)PWM控制調(diào)速實(shí)驗(yàn)
2）直流方波無刷電機(jī)PWM控制調(diào)速實(shí)驗(yàn)
3）三相鼠籠式異步電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
4)開環(huán)正弦波調(diào)制（SPWM）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
5）開環(huán)空間矢量控制（SVPWM）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
6）馬鞍波控制的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
7）磁場定向控制（FOC）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
8）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的高性能變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)
3.5、基于Matlab開發(fā)的研究型數(shù)字電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）單端正激開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)研究
2）單端反激開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)研究
3.6、基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(1套)
1）交流伺服永磁同步電機(jī)的速度伺服實(shí)驗(yàn)
2）交流伺服永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩伺服控制實(shí)驗(yàn)
3.7數(shù)字直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)
1）雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
2）不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的研究
3）邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
四、設(shè)備配置表
序號 名稱 數(shù)量 備注
1 主控屏
1）單、三相交流電源（指針）
2）人身安全保護(hù)
3）直流電壓表、電流表（數(shù)字各一只）
4）交流電壓、電流表（數(shù)字各一只）
5）220/0.5直流勵磁電源
6）±15V/1A直流穩(wěn)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(shí)驗(yàn)桌 1
3 計算機(jī)接口 1
4 三相可調(diào)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(fā)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(hù) 1
11 整流電路的有源功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)箱 1
12 直流調(diào)速控制單元 1
13 直流脈寬調(diào)速實(shí)驗(yàn)箱 1
14 單端正激/反激開關(guān)電源及APFC電路 1 整個實(shí)驗(yàn)室配一套
整個實(shí)驗(yàn)室配一套
15 基于DSP的單三相逆變和電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 1
16 基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機(jī)系統(tǒng) 1
17 三相永磁同步交流伺服電機(jī) 1
18 復(fù)勵直流發(fā)電機(jī) 1
19 直流并勵電動機(jī) 1
20 三相鼠籠異步電機(jī) 1
21 三相繞線式異步電機(jī) 1
22 直流方波無刷電機(jī) 1 整個實(shí)驗(yàn)室配一套
23 轉(zhuǎn)速計導(dǎo)軌(帶2048光電碼盤) 1
25  DSP下載器 1
26  FPGA下載器 1
27  數(shù)字萬用表 1 用戶自配
28  示波器 1
29  計算機(jī) 1
五、產(chǎn)品技術(shù)功能說明
1、控制屏技術(shù)說明
1）控制屏和實(shí)驗(yàn)桌
實(shí)驗(yàn)桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，桌面采用意大利進(jìn)口生產(chǎn)設(shè)備和工藝生產(chǎn)的高密度度防腐防火板。造型美觀大方，設(shè)有兩只抽屜和存放柜，用于置放工具，掛箱及資料等。實(shí)驗(yàn)桌設(shè)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(shí)驗(yàn)室布置。電氣動力設(shè)備安裝調(diào)試技能實(shí)訓(xùn)裝置、工廠供電技術(shù)實(shí)訓(xùn)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路。
低壓直流電源：提供±15V/1A直流穩(wěn)壓電源。
3）電源控制屏
三相交流電源：通過開關(guān)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(hù)。該電源經(jīng)過電流型漏電保護(hù)、三相隔離變壓器、電壓型漏電保護(hù)等安全保護(hù)電路后供學(xué)生實(shí)驗(yàn)用電。
220V/0.5A直流勵磁電源：供直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)部件的技術(shù)說明
1）平波電抗器及阻容吸收
提供直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)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(shù)實(shí)驗(yàn)中的電感負(fù)載。
2）三相變壓器
提供三相變壓器，作為串級調(diào)速系統(tǒng)和有源逆變線路中的逆變變壓器。
3）三相可調(diào)電阻
提供可調(diào)電阻600W/0.41A三組，供發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻和其它實(shí)驗(yàn)阻性負(fù)載用以及作為電機(jī)起動電阻用。
4）觸發(fā)電路和晶閘管主回路
觸發(fā)電路：采用數(shù)字集成電路，抗干擾能力強(qiáng)，三相脈沖間隔均勻，一致性好，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的六個脈沖波形，并通過“Uct”端對a角進(jìn)行控制。面板還裝有六路琴鍵開關(guān)，可分別對每一路脈沖進(jìn)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(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(jìn)行控制，在進(jìn)行“邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，通過對“Ublr”、和”Ublf”的脈沖點(diǎn)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
主回路：由12只可控硅，電氣動力設(shè)備安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)裝置6只二極管以及平波電抗器，RC吸收回路組成?？煽毓璨捎蒙虾Ｕ髌鲝S生產(chǎn)的6A/800V金屬封裝，過載能力強(qiáng)、可靠性高、干擾能力強(qiáng)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(hù)：主控制屏輸出的單、三相交流電源均經(jīng)過電壓互感器和電流互感器檢測。由于保護(hù)電路響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于功率器件損壞的速度，可有效地保護(hù)了系統(tǒng)主回路的功率器件不被損壞，一但實(shí)驗(yàn)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(shù)校正
系統(tǒng)主電路采用BOOST升壓電路，控制電路采用功率因數(shù)校正專用集成芯片參照UC3854，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉整流電路功率因數(shù)的定義，提高功率因數(shù)的意義以及功率因數(shù)校正的基本原理，并掌握BOOS功率因數(shù)校正器的組成、工作原理、特點(diǎn)及調(diào)試方法和熟悉功率因數(shù)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(shù)字電力電子實(shí)驗(yàn)?zāi)K
（1）單端正激/反激開關(guān)電源及APFC電路
提供單端正激/反激開關(guān)電源電路及負(fù)載、BOOST型APFC電路及負(fù)載、DSP控制系統(tǒng)。
采用參照供配電技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新產(chǎn)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(jī)之間進(jìn)行實(shí)時通訊，將DSP2812中CMPR寄存器的數(shù)實(shí)時據(jù)傳送到PC上的上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，利用DSP2812的EV單元輸出PWM波形。DSP2812與上位機(jī)之間通過高速中斷進(jìn)行交互數(shù)據(jù)。
上位機(jī)軟件采用參照美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW軟件進(jìn)行編寫，對DSP芯片中寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，用戶不僅可在上位機(jī)的監(jiān)控界面上觀察到電路的驅(qū)動波形，電路中的電流、電壓波形，也能夠通過上位機(jī)對DSP進(jìn)行控制。
（2）基于DSP的單三相逆變和電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1）硬件部分說明
實(shí)驗(yàn)平臺采用參照TI公司的高性能控制類DSP芯片TMS320F2812。32位定點(diǎn)DSP，速度150M，處理數(shù)據(jù)位數(shù)32位定點(diǎn)，擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集，使其對電機(jī)控制得心應(yīng)手，豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等。 有多種和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diǎn)，如電機(jī)電流波形，轉(zhuǎn)速波形，PWM驅(qū)動波形等
該建筑供配電技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)驗(yàn)平臺主電路母線采用具過流、過壓保護(hù)，上電保護(hù)等安全措施。驅(qū)動電路采用專用集成驅(qū)動芯片參照IR2110，不僅有光耦隔離和電磁隔離等優(yōu)點(diǎn)，有欠壓鎖定、告警關(guān)斷等功能。三相逆變橋采用N溝道的增強(qiáng)型場效應(yīng)功率管參照IRFP460。該系統(tǒng)的主電路的工作頻率可高達(dá)100KHz，可以滿足多種電機(jī)的控制要求。采用該硬件系統(tǒng)是一套完善的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
在檢測模塊部分，轉(zhuǎn)速采集上采用了2048光電碼盤，極大提高了轉(zhuǎn)速反饋及采集后的精度，也為變頻調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制方式提供了強(qiáng)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(jìn)行速度反饋和電機(jī)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(diào)的直流方波無刷電機(jī)，可調(diào)節(jié)電機(jī)的最佳換向點(diǎn)。
2）軟件部分說明
該試驗(yàn)系統(tǒng)使用了多個大型的開發(fā)設(shè)計軟件，主要的有Matlab2009a，LabView8.5，CCS3.3，由這些軟件共同參與實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行。在參考simulnk的模型文件的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)多種的開環(huán)和閉環(huán)的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)者還可以根據(jù)自己對系統(tǒng)和編程的理解，修改原有提供的mdl模型文件或創(chuàng)新的建立新的mdl文件，實(shí)現(xiàn)新的算法和思路。
7、電機(jī)導(dǎo)軌及電機(jī)技術(shù)說明
1）直流復(fù)勵發(fā)電機(jī)：PN=100W，nN=1500r/min，IN=0.5A，UN=220V
2）直流并勵電動機(jī)：PN=185W，nN=1600r/min，IN=1.1A，UN=220V
3）三相籠型異步電動機(jī)（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(jī)：PN=100W,，nN=1420r/min，IN=0.55A，U=220V
5）直流方波無刷電機(jī)：PN =40W,UN=36V, IN=1.3A，nN=1500r/min;
6）三相永磁同步交流伺服電機(jī)：PN=200W,IN=1.5A,TN=0.637N.m;
7）電機(jī)導(dǎo)軌、光電碼盤和轉(zhuǎn)速表
此導(dǎo)軌可放置各種實(shí)驗(yàn)電機(jī)，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(jī)。導(dǎo)軌上裝有0.5級轉(zhuǎn)速表指示電機(jī)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。
8、實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線說明
實(shí)驗(yàn)連接導(dǎo)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(xì)的128股線，質(zhì)地柔軟，護(hù)套用粗線徑、防硬化化學(xué)制品制成，插頭采用實(shí)芯銅質(zhì)件。
9、基于FPGA開發(fā)的研究型三相永磁同步交流伺服電機(jī)系統(tǒng)
9.1特點(diǎn)說明
傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)，參考采用TI公司TMS320F2812 DSP產(chǎn)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(diǎn)。使用傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)，學(xué)生只能觀看電機(jī)控制結(jié)果，無法修改各種控制參數(shù)觀看控制結(jié)果，也無法動手編程電機(jī)算法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及不能利用Matlab進(jìn)行電機(jī)數(shù)據(jù)分析和處理。
交流伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(huán)控制算法采用硬件描述語言編寫，開環(huán)控制算法采用Simulink建模，直接生成硬件描述語言。本系統(tǒng)的上位機(jī)控制軟件具有操作簡單、可設(shè)置參數(shù)豐富和界面生動等特色，非常適合教學(xué)使用和研究所系統(tǒng)驗(yàn)證。使用本系統(tǒng)，學(xué)生可修改各種控制參數(shù)觀看控制結(jié)果，利用Simulink也可動手編程電機(jī)算法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及利用Matlab進(jìn)行電機(jī)數(shù)據(jù)分析和處理。因此學(xué)習(xí)VHDL語言與使用FPGA驗(yàn)證先進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計為未來研究方向。
9.2產(chǎn)品介紹
9.2.1硬件介紹
變頻調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)交—直—交電源型工作電路，功率器件采用大功率IGBT模塊?？刂葡到y(tǒng)由FPGA開發(fā)板、信號檢測電路、驅(qū)動與保護(hù)電路、過流保護(hù)電路等模塊組成。FPGA核心開發(fā)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(tǒng)，具有控制周期小、實(shí)時性強(qiáng)、并行運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，上位機(jī)軟件也具有操作簡單、可設(shè)置參數(shù)豐富和界面生動的特色。另外，也可以使用Simulink開發(fā)電機(jī)控制算法。非常適合學(xué)生做實(shí)驗(yàn)使用，可了解電機(jī)控制算法、掌握各個電機(jī)控制參數(shù)的作用、學(xué)會如何使用Simulink開發(fā)FPGA代碼。同樣也適合研究生或老師繼續(xù)研究使用，深入研究基于FPGA的電機(jī)控制算法，為電動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。