YUYC-1電力電子技術及電機控制實驗裝置

一、概述
依據(jù)高等院校統(tǒng)編教材《電力電子技術》(第四版 )(西安交通大學王兆安編著)、《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第三版） (上海大學陳伯時編著)等實驗大綱的要求，吸收國內、外同類產品的優(yōu)點，充分考慮了實驗室的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，精心研制而成。在同類產品中結構合理、功能完善、可靠性好、性價比高。
二、YUYC-1電力電子技術及電機控制實驗裝置特點
1、綜合性強 本裝置綜合了目前國內各類學校電力電子、半導體變流、交直流調速、交流變頻、電機控制、控制理論等實驗項目。
2、適應性強 能滿足各類學校相應課程的實驗教學，深度和廣度可根據(jù)需要作靈活調整，普及與提高可根據(jù)教學的進程作有機的結合，裝置采用積木式結構，更換便捷，如需要擴展功能或開發(fā)新實驗，只需添加部件即可，*淘汰。
3、整套性強 從電源、電機及其它實驗部件到實驗連接導線配套齊全，配套部件的性能、規(guī)格等均密切結合實驗的需要進行配套。
4、直觀性強 各實驗掛件采用分隔結構形式，組件面板示意、圖線分明，各掛件任務明確，操作、維護方便。
5、科學性強 裝置占地面積少，節(jié)約實驗用房，減少基建投資；配套的小電機均經特殊設計，可模擬中小型電機的特性和參數(shù)；小電機耗電省，節(jié)約能源，實驗噪聲小，整齊美觀，改善實驗環(huán)境；實驗內容豐富，設計合理，除了加深理論知識外還可結合實際開設設計性實驗。
6、開放性強 控制屏供電采用三相隔離變壓器隔離，并設有電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保護裝置，確保操作者的安全；各電源輸出均有監(jiān)示及短路保護等功能，各測量儀表均有可靠的保護功能，使用安全可靠；控制屏還設有定時器兼報警記錄儀，為學生實驗技能的考核提供一個統(tǒng)一的標準。由于整套裝置經過精心設計，加上可靠的元器件質量及可靠的工藝作為保障，產品性能優(yōu)良，所有這些均為開放性實驗室，創(chuàng)造了條件。
7、良好性強 本裝置著重從新器件高度來考慮，在保留了晶閘管實驗的基礎上，加入了新器件的特性、新器件的驅動以及典型的新器件應用的大量現(xiàn)代電力電子技術實驗，讓學生對新器件有足夠的認識和了解，緊跟時代步伐。
三、適用范圍
本裝置涵蓋了各高等院校等所開設的 “ 電力電子技術 (或稱半導體變流技術)”、“直流調速”、“交流調速”、“電機控制”、“電力拖動自動控制系統(tǒng)”及“控制理論”等專業(yè)課程所要求的實驗項目。
四、技術性能
1、輸入電源：三相四線 (或三相五線380V±10％ 50HZ)
2、工作環(huán)境：溫度-10℃~+40℃ 相對濕度＜85％（25℃） 海撥＜4000m
3、裝置容量：＜1.5KVA
4、外形尺寸：187.3×72.5×162.2cm
五、裝置的基本裝備
1、DK01電源控制屏（鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，鋁質面板）
（1）交流電源（均帶有過流保護措施）
提供交流電源：直流調速檔為三相交流電200V/3A
交流調速檔為三相交流電240V/3A
（2）高壓直流電源
勵磁電源：220V（0.5A），具有輸出短路保護。
（3）數(shù)字式儀表
1．交流數(shù)字電壓表：可通過其下方的波段開關切換指示三相電網(wǎng)輸入線電壓，精度1.0級；
2．真有效值交流數(shù)字電壓表一只：測量范圍0～500V，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，三位半數(shù)顯，為交流調速系統(tǒng)提供電壓指示；
3．真有效值交流數(shù)字電流表一只：測量范圍0～5A，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，三位半數(shù)顯，具有超量程告警、指示及切斷總電源功能，為調速系統(tǒng)提供電流的指示；
4．直流數(shù)字電壓表一只：測量范圍0～300V ，三位半數(shù)顯，輸入阻抗為10MΩ，精度0.5級，為可逆調速系統(tǒng)提供電壓指示；
5．直流數(shù)字電流表一只：測量范圍0～5A，三位半數(shù)顯，精度0.5級，具有超量程報警、指示、切斷總電源等功能，為可逆調速系統(tǒng)提供電流指示。
（4）人身安全保護體系
三相隔離變壓器一組：三相電源首先通過三相漏電保護器，然后經鑰匙開關、接觸器到隔離變壓器，使輸出與電網(wǎng)隔離（浮地設計），對人身安全起到一定的保護作用。
電壓型漏電保護器1：對隔離變壓器前的線路出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象進行保護，使控制屏內的接觸器跳閘，切斷電源。
電壓型漏電保護器2：對隔離變壓器后的線路及實驗過程中的接線等出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象進行保護，發(fā)出報警信號并切斷電源，確保人身安全。
電流型漏電保護裝置：控制屏若有漏電現(xiàn)象，漏電流超過一定值，即切斷電源。
實驗連接線及插座：強、弱電連接及插座分開，不能混插。強電連接線及插座采用全封閉工藝，使用安全、可靠、防觸電。
（5）實驗管理器
具有設定實驗時間、定時報警、切斷電源等功能；還可以自動記錄與區(qū)分由于接線或操作錯誤所造成的漏電告警、儀表超量程告警等。
（6）控制屏其它設施
控制屏正面大凹槽內，設有兩根不銹鋼管，可掛置實驗部件，凹槽底部設有12芯、10芯、4芯、3芯等插座， 掛件的供電由這些插座提供。控制屏兩邊設有單相三極220V電源插座及三相四極380V電源插座，還設有實驗臺照明用的40W日光燈一盞。
2、DK02實驗桌
實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面為防火、防水、耐磨高密度板 , 結構堅固，形狀似長方體封閉式結構，造形美觀大方；設有兩個大抽屜、柜門，用于放置工具、存放掛件及資料等。桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面。實驗桌還設有四個萬向輪和四個固定調節(jié)機構，便于移動和固定，有利于實驗室的布局。
3、DQ03－1不銹鋼電機導軌、光碼盤測速系統(tǒng)（日本歐姆龍1024光電編碼器）及數(shù)顯轉速表
4、DQ27三相可調電阻（每組900Ω×2/0.41A）
5、DK03晶閘管主電路
提供12只5A/1000V的晶閘管，分成正、反橋兩組，每只晶閘管均設有保護裝置，正、反橋晶閘管可通過外加信號進行觸發(fā)（留有觸發(fā)脈沖輸入接口），可更好的完成設計性實驗；設有帶鏡面精密指針式直流電壓表±300V，精度1.0級帶鏡面直流電流表± 2A，精度1.0級各一只和平波電抗器一組。
6、DK04三相晶閘管觸發(fā)電路
提供三相觸發(fā)電路、功放電路等，與“DK03”配套使用。
7、DK05晶閘管觸發(fā)電路實驗
提供單結晶體管觸發(fā)電路、正弦波同步移相觸發(fā)電路、鋸齒波同步移相觸發(fā)電路、單相交流調壓觸發(fā)電路及單相并聯(lián)逆變觸發(fā)電路共五種觸發(fā)電路。
8、DK06電機調速控制實驗（Ⅰ）
提供以下模塊：電流反饋與過流保護（FBC+FA）、給定器（G）、轉速變換器（FBS）、速度調節(jié)器（ASR）、反號器（AR）、電流調節(jié)器（ACR）、轉矩極性鑒別（DPT）、零電平檢測（DPZ）及邏輯控制器（DLC）。
9、DK07直流斬波電路
主要由斬波器觸發(fā)電路及斬波主電路兩大部分組成。
10、DK08給定及實驗器件
提供給定（±15V 可調電壓輸出）、壓敏電阻（作為過壓保護元件，內部已連成三角形接法）、二極管、24V電源及電感。
11、DK09新器件特性實驗
提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO、GTR新器件，與DJK06配套使用，可測定其特性曲線；與DJK12配套使用，可完成電力電子新器件的驅動特性實驗。
12、DK10可調電阻、電容箱
提供耐壓AC63V的可調電容三組，調節(jié)范圍為0.1～11.37uF，0～999KΩ十進制可調電阻兩組。
13、DK11單相調壓與可調負載
提供了一只0～250V/0.5KVA單相交流自耦調壓器，為相應的實驗提供可調電源；一個整流濾波電路以及0～90Ω/1.3A（串聯(lián)）或0～45Ω/2.6A（并聯(lián)）瓷盤可調電阻，為相應的實驗提供一個可調的阻性負載。
14、DK12變壓器實驗
提供三相芯式變壓器一個（該變壓器有2套副邊繞組，原、副邊繞組的電壓為127V/63.6V/31.8V），用于異步電機串級調速實驗和三相橋式、單相橋式有源逆變電路實驗；還設有三相不控整流電路和逆變變壓器各一組。
15、DK13功率器件驅動電路實驗箱
主要是為完成新器件特性實驗提供驅動和保護電路，使學生了解電力電子新器件的驅動特性。主要包括電源、驅動電路、PWM波形發(fā)生器。
（1）電源：為驅動電路提供電源，包括±5V、+20V、±15V直流電源。
（2）驅動電路：包括MOSFET、IGBT、GTR和GTO的驅動電路。其中 IGBT 的驅動電路采用了芯片 EXB841 。
（3）PWM波形發(fā)生器：由SG3525為核心的PWM波形發(fā)生器主要為新器件驅動電路提供PWM驅動波形；可以通過頻率調節(jié)旋鈕進行頻率調節(jié)；通過占空比電位器來調節(jié)PWM波的占空比；頻率范圍分為2擋，通過鈕子開關切換，高頻檔是為MOSFET和IGBT驅動電路提供PWM波形，頻率調節(jié)范圍4KHz～10KHz；低頻檔是為GTR和GTO驅動電路提供PWM波形，頻率調節(jié)范圍400Hz～1KHz；占空比均能從0%調至100%。
16、DK14相交直交變頻原理
根據(jù)普通高等教育“九五”重點教材，王兆安、黃俊主編的《電力電子技術》 (第四版) 的相關內容進行開發(fā)，用于展示交直交變頻原理，主要讓學生了解SPWM正弦波脈寬調制信號的形成方法，了解IGBT管集成驅動芯片的特點及其使用。能完成如下實驗項目： 1、SPWM波形成的過程； 2、交直交變頻電路在不同負載（電阻，電感和電機）時的工作情況和波形，并研究工作頻率對電路工作波形的影響； 3、IGBT管集成驅動芯片的工作特性。
17、DK15自控原理實驗
提供穩(wěn)壓電源、交/直流數(shù)字電壓表、低頻函數(shù)信號發(fā)生器、六位數(shù)顯頻率計、階躍信號發(fā)生器及典型的控制環(huán)節(jié)（比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、超前滯后校正環(huán)節(jié)，還可以組成微分、延遲等各種電路）等。
18、DK16自控原理實驗
提供穩(wěn)壓電源、階躍信號發(fā)生器、典型的控制環(huán)節(jié)（比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、超前滯后校正環(huán)節(jié)，還可以組成微分、延遲等各種電路）及自由布線區(qū)（以便自由組合實驗線路進行實驗）
19、DK17雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調速系統(tǒng)
通過對四個橋臂上IGBT管的觸發(fā)控制，來實現(xiàn)對可逆直流他勵電機進行調速的目的，主要由三大部分組成，即主回路部分、控制電路部分和調節(jié)部分。主回路由直流電源、四種IGBT管組成；控制回路部分由芯片產生PWM脈沖波，PWM波脈沖發(fā)生器產生的四路控制脈沖，分別驅動四個橋臂的IGBT管；調節(jié)部分由兩個PI調節(jié)器組成，并通過速度環(huán)、電流環(huán)構成的反饋回路使電機的轉速穩(wěn)定運行在給定的轉速下。本實驗箱可完成的實驗項目有：（1）全橋DC/DC變換電路實驗（2）雙閉環(huán)可逆直流脈寬調速實驗。
20、DK18電機調速控制實驗（Ⅱ）
提供以下模塊：觸發(fā)選擇器（TS）、值放大器（GAB）、電流符號選擇器（CSS）、電壓調節(jié)器（AVR）、零速封鎖器（DZS）及電壓隔離器（TVD）。與“DK06”配合使用完成“三閉環(huán)錯位選觸無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)實驗”。
21、DK19半橋型開關穩(wěn)壓電源
提供了半橋型開關穩(wěn)壓電源的主電路和控制電路，主電路中的電力電子器件為電力MOSFET管；控制電路采用PWM控制集成電路SG3525，采用恒頻脈寬調制控制方案。可完成 “ 開關電路在開環(huán)與閉環(huán)下負載特性的測試”以及“電源電壓波動對輸出的影響”等實驗內容。
22、DK20直流斬波實驗
根據(jù)西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術》(第四版)中相關的直流斬波內容而設計的；提供組成直流斬波電路所需的元器件和采用的PWM控制集成電路SG3525。可完成教材中降壓斬波電路（Buck Chopper）、升壓斬波電路（Boost Chopper）、升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）、 Cuk斬波電路、 Sepic斬波電路、 Zeta斬波電路六種典型實驗。
23、DK21斬控式交流調壓電路
根據(jù)西安交大王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術》(第四版)中相關的內容而設計的，采用全控型器件IGBT管實現(xiàn)“斬控式交流調壓實驗”。
24、DK22單相調壓/調功電路
根據(jù)西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的相關內容而設計的，實現(xiàn)單相交流調壓和交流調功的實驗內容。采用的電力電子器件為雙向晶閘管，在交流調壓實驗中采用由雙向觸發(fā)二極管構成觸發(fā)控制電路；在交流調功實驗中采用由555時基電路組成觸發(fā)控制電路。
25、DK23單端反激式隔離開關電源
輸入交流電壓范圍為50V～200V，輸出為三組直流電源，分別為+5V、5A；+12V、1A；-12V、1A，在輸入交流電壓和直流輸出負載變化時輸出電壓的變化率小于0.3%。
26、DK24 PS-ZVS-PWM軟開關技術
主要包括H橋電路、控制電路和穩(wěn)壓反饋電路。用于展現(xiàn)移相零電壓開關的電路結構和工作原理。H橋電路有四只MOSFET管組成，控制電路采用全橋軟開關電源移相PWM控制芯片 UCC3895和驅動芯片HIP4081，穩(wěn)壓反饋電路由TL431等元件組成。
27、DK25整流電路有源功率因數(shù)校正
主要有整流電路、升壓變換器、控制電路三部分組成。控制電路采用功率因數(shù)控制芯片UCC3817N和外圍元器件組成 , zui大輸出功率為100W（200V±5%，0.5A），工作頻率為100KHz。采用模塊化設計，通過適當?shù)倪B線可以完成下列實驗項目：
(1)無濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試
(2)有濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試
(3)整流電路有源功率因數(shù)校正的測試
(4)控制電路的波形測試，功率柵極控制信號觀察
(5)整流電路有源功率因數(shù)校正電路的性能測試
28、DK26單端電流反饋他激式隔離開關電源
采用集成電路UC3844作PWM控制器，可直接驅動MOSFET功率場效應管。通過與直流可調電源、負載的配合可展示電路原理，各點波形測試，輸入電壓和負載改變時的波形變化和性能測試等項目。
29、DK27升、降壓與復合斬波電路
通過PWM控制器與兩個IGBT三極管，兩個二極管的簡單聯(lián)結，配以發(fā)電機、電動機的組合負荷，用雙蹤示波器能展示降壓電路的*象限電壓 - 電流圖，升壓電路的第二象限電壓 - 電流圖，復合電路的*、第二象限電壓－電流圖。同時能展示以上三種狀態(tài)下的續(xù)流、臨界斷流、斷流時的電壓、電流波形 ( 改變輸入電壓、改變PWM脈寬、改變負荷電機力矩 ) 。并可簡單的聯(lián)結成升、降壓與復合電路，由于結構上的特點，實驗還可演示斬波電路電機負荷能耗制動、回饋制動等的實驗效果。
30、DK28三相異步電機變頻調速控制
針對目前工業(yè)用變頻器只能對輸入信號及輸出的結果進行觀測，無法得知其內部的詳細工作過程的缺點，開發(fā)本實驗裝置，著重從 “變頻原理” 出發(fā)，通過實驗讓學生了解整個變頻的過程。
提供三相正弦波脈寬調制（SPWM）、馬鞍波（PWM）、三相空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）三種變頻實驗方式，面板上設有相應的測試點，可方便地用示波器進行觀測。此外，面板上設計有計算機接口，可與計算機聯(lián)機進行實驗，還留有可編程控制器（PLC）接口。
31、DK29單相智能功率、功率因數(shù)表
由24位DSP、16位高精度AD轉換器和高速MPU單元設計爾成，通過鍵控、數(shù)顯窗口實現(xiàn)人機對話功能控制模式。軟件上采用RTOS設計思路，同時配有PC監(jiān)控軟件來加強分析能力。能測量電路的功率、功率因數(shù)。功率測量精度為1.0級，功率因數(shù)測量范圍0.3-1.0，電壓電流量程為450V 和 5A，能自動判別負載性質（感性顯示“L”，容性顯示“C”，純電阻不顯示），并可存儲測量數(shù)據(jù)，供隨時查閱。
32、DQ07-1直流發(fā)電機 (220W)
33、DQ09直流并勵電動機
34、DQ11三相線繞式異步電動機
35、DK30線繞式異步電機轉子箱
36、DQ17單相電阻啟動異步電動機
37、DQ20三相鼠籠異步電動機
38、實驗連接線：根據(jù)不同實驗項目的特點，配備兩種不同的實驗聯(lián)接線，強電部分采用高可靠護套結構插連接線（不存在任何觸電的可能），里面采用無氧銅抽絲而成頭發(fā)絲般細的多股線，達到超軟目的，外包丁晴聚氯乙烯絕緣層，具有柔軟、耐壓高、強度大、防硬化、韌性好等優(yōu)點，插頭采用實芯銅質件外套鈹輕銅彈片，接觸安全可靠；弱電部分采用彈性鈹輕銅裸露結構聯(lián)接線，兩種導線都只能配合相應內孔的插座，這樣大大提高了實驗的安全及合理性。
六、本裝置能開設的實驗項目（所列器材全部配置時）
（一）電力電子技術實驗項目
1．單結晶體管觸發(fā)電路
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．單相半波可控整流電路實驗
5．單相橋式半控整流電路實驗
6．單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗
7．三相半波可控整流電路實驗
8．三相橋式半控整流電路實驗
9．三相半波有源逆變電路實驗
10．三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗
11．單相并聯(lián)逆變電路實驗
12．單相交流調壓電路實驗
13．單相交流調功電路實驗
14．三相交流調壓電路實驗
15．直流斬波電路原理實驗
16．單向晶閘管（SCR）特性實驗
17．可關斷晶閘管（GTO）特性實驗
18．功率場效應管（MOSFET）特性實驗
19．電力晶體管（GTR）特性實驗
20．絕緣雙極型晶體管（IGBT）特性實驗
21．可關斷晶閘管（GTO）驅動與保護電路實驗
22．功率場效應管（MOSFET）驅動與保護電路實驗
23．電力晶體管（GTR）驅動與保護電路實驗
24．絕緣雙極型晶體管（IGBT）驅動與保護電路實驗
（二）典型電力電子器件線路實驗
1．單相正弦波脈寬調制（SPWM）逆變電路實驗
2．全橋DC/DC變換電路實驗
3．半橋型開關穩(wěn)壓電源的性能研究
4．單端反激式隔離開關電源實驗
5．單端電流反饋他激式隔離開關電源實驗
6．直流斬波電路的性能研究（降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波的電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路）
7．升、降壓與復合斬波電路實驗
8．單相斬控式交流調壓電路實驗
9．整流電路有源功率因數(shù)校正實驗
10．軟開關技術實驗
（三）直流電機調速實驗
1．晶閘管直流調速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定實驗
2．晶閘管直流調速系統(tǒng)主要單元的調試
3．單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)實驗
4．雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)實驗
5．邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)實驗
6．三閉環(huán)錯位選觸無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)實驗
7．雙閉環(huán)控制的直流脈寬調速系統(tǒng)（H橋、IGBT）
（四）變頻原理實驗
1．三相正弦波脈寬調制（SPWM）變頻原理實驗
2．三相馬鞍波（三次諧波注入）脈寬調制變頻原理實驗
3．三相空間電壓矢量SVPWM變頻原理實驗
4．SPWM調制方式下V/F曲線測定
5．馬鞍波調制方式下V/F曲線測定
6．空間電壓矢量調制方式下V/F曲線測定
7．不同的變頻模式下磁通軌跡觀測實驗
（五）交流電機調速系統(tǒng)實驗
1．雙閉環(huán)三相異步電機調壓調速系統(tǒng)實驗
2．雙閉環(huán)三相異步電機串極調速系統(tǒng)實驗
3．單相正弦波脈寬調制SPWM變頻調速系統(tǒng)實驗
4．三相正弦波脈寬調制SPWM變頻調速系統(tǒng)實驗——可聯(lián)計算機進行實驗，還留有可編程控制器（PLC）接口
5．三相馬鞍波脈寬調制變頻調速系統(tǒng)實驗——可聯(lián)計算機進行實驗，還留有可編程控制器（PLC）接口
6．三相空間電壓矢量SVPWM變頻調速系統(tǒng)實驗——可聯(lián)計算機進行實驗，還留有可編程控制器（PLC）接口
( 六 ) 自控原理實驗項目
1．控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬
2．一階系統(tǒng)的時域響應及參數(shù)測定
3．二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應分析
4．三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應及穩(wěn)定性分析
5．PID控制器的動態(tài)性能
6．控制系統(tǒng)的動態(tài)校正
7．典型環(huán)節(jié)頻率特性的測試
8．線性系統(tǒng)頻率特性的測試
9．信號的采樣與恢復
10．典型的非線性環(huán)節(jié)的模擬
11．非線性系統(tǒng)的相平面分析