技术参数及配置要求 | 一、总体要求 该装置应根据新版《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》和《电力电子技术》设计而成。可完成半导体变流技术、现代电力电子器件、现代电力电子器件典型线路、直流调速系统、交流调速、研究型交流变频调速系统等内容。不仅适用于本科生课程的实验教学，还可面向研究生和教师能力提高的教学实验研究。 二、实验内容要求 1、电力电子技术实验（晶闸管部分） 1）锯齿波同步移相触发电路实验 2）单相桥式半控整流电路实验 3）单相桥式全控整流电路实验 4）单相桥式有源逆变电路实验 5）三相半波可控整流电路的研究 6）三相桥式半控整流电路实验 7）三相桥式全控整流及有源逆变电路实验 8）单相交流调压电路实验 2、全控型器件典型线路实验 1）直流斩波电路的性能研究 2）单相交直交变频电路的性能研究 3）全桥DC/DC变换电路实验 4、直流电机模拟调速系统实验 1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 2）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 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、交流电机模拟调速系统实验 1）双闭环三相异步电机调压调速系统 6、DSP控制的交流变频调速系统实验 1）异步电机的SPWM变频调速系统 2）异步电机的马鞍波脉宽调制变频调速系统 3）异步电机的空间矢量（SVPWM）控制变频调速系统 4）异步电机的磁场定向控制（FOC）闭环变频调速系统 5）异步电机的直接转矩控制（DTC）闭环变频调速系统 三、设备配置清单 序号 名称及说明 数量 1 铝合金双层框架及实验桌 1）铝合金双层支架 2）实验桌（钢架结构） 3）储藏柜 10 2 交/直流电源 1）三相交流电源：200V或230V输出； 2）直流电机励磁电源：220VDC/0.5A。 10 3 二极管/电抗器 10 4 三相变压器 10 5 指针式直流仪表 10 6 指针式交流仪表 10 7 电阻负载 10 8 系统控制单元I 10 9 PID调节器 10 10 三相触发及主电路 10 11 PWM/SPWM调速系统 10 12 锯齿波触发电路 10 13 直流斩波电路 10 14 DSP控制的交流变频调速系统 10 15 电机导轨及2048编码器 10 16 直流发电机 10 17 直流并励电动机 10 18 三相笼型异步电机 10 19 实验导线和配件 10 20 快速原型化数字电力电子创新单元 1 四、技术条件 1．整机容量：1.5kVA; 2．尺 寸：1650mm X 750mm X 1600mm； 3．重 量：小于200kg; 4．工作电源：AC 3N/380V/50Hz/3A。 五、详细技术要求 1、产品的安全保护功能 1）人身安全保护采用了电流型漏电保护器、交流实验电源的三相隔离变压器浮地保护、全塑封闭型强电实验导线和经过变压器隔离的示波器供电电源等四种保护措施，确保学生实验安全。 2）交直流实验电源的输出设计了保险丝和电子线路双重过流短路保护措施。 3）晶闸管、MOSFET或IGBT等器件的驱动电路均设置了保护电路，确保功率器件不因错接线而被损坏。 4）为了不使强电信号接入控制电路中，设备提供了3种实验导线，使学生接线时不因高压接入控制电路而导致电路的损坏。 2、产品的结构说明 装置由双层铝合金支架、实验电源、测量仪表、实验桌、实验模块、实验电机和实验导线等组成。控制屏可放置交直流电源、测量仪表、实验电路等模块。 实验桌采用铁质喷塑结构，结构牢固美观**，桌面为高强度密度板，桌子下面设有储藏柜，可放置的实验箱、导线和工具等。 实验模块采用为模块化设计，便于更换和维修。 3、产品基本配置技术要求 1）交/直流电源 三相交流电源： 经三相隔离变压器输出200V或230V实验电源，额定电流2A，电源设有保险丝和电子线路双重保护功能，电源缺相指示。 直流电机励磁电源：DC220V/0.5A, 电源设有保险丝和电子线路双重保护功能 2）二极管/电抗器 ◆ 二极管组件：由6个5A/800V二极管组成； ◆ RC吸收/平波电抗器：电抗器50mH、100mH、200mH、700mH四档可选，电流为1A。RC吸收为整流电路的滤波器，参数为150Ω/50W电阻和2.2uF／500VAC电容。 3）三相变压器 提供三相220V（0.4A)/110V(0.8A)、44V(0.8A)组式变压器，用于三相桥式全控整流及有源逆变电路实验和双闭环三相异步电机串级调速系统实验。 4）指针式直流表 ◆ 指针式直流电压表1只：测量范围0-250V,精度1.5级 ◆ 指针式直流电流表1只：测量范围0-2A,精度1.5级 5）指针式交流表 ◆ 指针式交流电压表1只：测量范围0-500V，精度1.5级； ◆ 指针式交流电流表1只：测量范围0-3A，精度1.5级。 6）电阻负载 提供两组双联0-900Ω/150W可调电阻负载，为变压器和发电机负载。 7）系统控制单元I 由±15V直流电源、给定、速度变换器、零速封锁器组成。 ◆G给定：正负给定电压分别由RP1、RP2电位器调节（调节范围0-±13V）输出，S1开关可控制正负突加给定输出，S2开关可控制给定输出或零，电压表显示给定值。 ◆FBS速度变换器：光电编码器输出信号的经变换器变换成速度反馈信号。 ◆DZS零速封锁器：当给定和速度反馈为零时，用于封锁速度和电流调节器输出，使电机处于停止状态，防止电机爬行。 8） PID调节器 为二组PID调节器，分别为ASR速度调节器、ACR电流调节器。 ◆ASR速度调节器：“P”调节范围为1-6倍输出，通过100k电位器进行调节。通过琴键开关切换电容进行调节，电容调节范围0.5-8.5uF。通过琴键开关切换电容进行调节，电容调节范围0.01-0.1uF。PID输出设有限幅调节。 ◆ACR电流调节器：“P”调节范围为0-1倍输出，通过10k电位器进行调节。通过琴键开关切换电容进行调节，电容调节范围0.5-8.5uF。通过琴键开关切换电容进行调节，电容调节范围0.01-0.1uF。PID输出设有限幅调节。 9）三相触发及主电路 由2组三相触发电路、2组晶闸管三相可控整流电路和脉冲放大控制电路组成。 ◆三相触发电路：采用数字集成电路产生晶闸管三相触发脉冲，脉冲移相范围为10°－160°。模块面板上可观察三相同步电压和六个脉冲的相位关系，并通过“Uct”电压对移相角进行控制。 ◆主回路：由2组三相可控整流桥组成，三相可控整流桥为6个800V/6A晶闸管； ◆脉冲放大控制电路：“Ublr”和“Ublf” 控制端分别对I、II组三相可控整流桥的脉冲放大电路进行控制，实现直流电动机的正反转调速控制实验，即逻辑无环流可逆直流调速系统实验。也可通过连接Ublf或Ublr两端选择其中一路可控整流桥工作。 11）锯齿波触发电路 由锯齿波触发电路、双向晶闸管电路、单相晶闸管半波和全桥整流组成。可完成锯齿波触发电路、单相交流调压、单相半桥/全桥整流和逆变电路实验。 10） PWM/SPWM调速系统 实验系统由PWM变换器主电路和控制电路，控制电路由SPWM波形发生器、PWM波形发生器、电流反馈、限流保护、逻辑延时和隔离驱动电路组成，可完成DC/DC变换电路、单相交频电路以及直流脉宽调速等实验项目。 ◆PWM波形发生器：采用SG3525专用芯片。 ◆PWM变换器主电路：为单相交直流变频电路，主回路由三相整流、滤波和H桥逆变 电路组成，功率器件采用MOSFET（600V/14A）。 ◆SPWM波形发生器：由三角波和正弦波比较生成，采用专用集成电路生成。 11）直流斩波电路 由六种斩波电路（Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost、Zeta）、PWM波形发生器 和+15V直流电源组成。 12）DSP控制的交流变频调速系统 1）系统要求 系统包括实验挂箱、USB2.0专业仿真器、控制软件、通讯电缆及配件组成。实验挂箱：包括主电路、DSP2812作为核心控制器、隔离及驱动、检测及控制电路组成。主回路采用交-直-交系统，功率器件采用IGBT模块。转速检测采用2048线光电编码器，电流检测采用LEM霍尔电流传感器。 控制系统采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2812。该芯片为32位高性能DSP，是TMS320LF2407的升级版本。运行速度从40M跃升到150M，处理数位也跃升到32位。最大的亮点是拥有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。再加上丰富的外设接口，如CAN、SCI等，在控制领域占有不少份额。有多种和PC机进行数据交换方式，如USB2.0、串口、仿真器JTAG等。 2）工作原理 系统利用超高速度的PC实现电机控制算法，将控制算法计算所得实时传送到DSP2812，利用DSP2812的EV单元输出PWM波形。DSP2812采集所得电流、电压等信号也通过通讯接口实时地传回到PC，DSP2812与PC通过高速中断进行交互数据。同时，解决了Windows操作系统下实时控制的关键技术，并开发出电机控制实时控制软件和Matlab实时控制模块库。通过USB接口与上位机通讯，可采集电机电流、电机转速、磁通波形、PWM驱动波形等参数，同时还有多处硬件信号引出观测点。上位机软件可改变PID、调制比、转子电阻等参数，观察对电机性能的影响。 3）完成的实验内容： 单、三相正弦波逆变电路实验 采用SPWM调制方式下V/F调速系统的实验研究 采用马鞍波调制（SVPWM）方式下V/F调速系统的实验研究 采用空间电压矢量调制（SVPWM）方式下V/F调速系统的实验研究 采用磁场定向控制（FOC）的高性能变频调速实验 采用直接转矩控制（DTC）的高性能变频调速实验 对以上不同控制方式下感应电机变频调速系统的性能进行比较研究 系统以LabVIEW作为人机界面开发环境，直接通过LabVIEW下的虚拟控制界面实现电压电流的实时采集，各种电机的实时控制。通过仿真器下载程序并能够通过CCS编程环境实现在线实时监控运行。本系统在Windows操作系统下进行实时控制，配置电机控制实时控制软件和Matlab实时控制模块库。用户可采用Simulink库搭建电机控制算法，在Matlab开发交流异步电动机SPWM、SVPWM以及闭环磁场定向算法的变频调速控制程序。还可以利用Matlab将开发的电动机控制算法生成C代码文件，创建CCS工程移植到DSP实现控制功能。 4）软件要求 上位机界面运行在LabVIEW环境下，开始实验选择界面后，点击实验内容选择按钮，就会到对应的实验界面。每一个实验界面的上面部分是参数设置和频率转速设定部分，下面部分是由四个波形显示窗口组成的。 13）电机导轨及2048编码器。 14）实验电机技术说明 直流复励发电机：PN=100W,nN=1500r/min,IN=1.1A,UN=220V。 直流并励电动机：PN=185W,nN=1600r/min,IN=1.1A,UN=220V。 三相笼型异步电动机：PN=100W,nN=1420r/min,IN=0.48A,UN=220V() 15）快速原型化数字电力电子创新单元 1、快速原型控制器（XPC控制器）： 要求采用通用型实时控制器，工控机结构；可直接下载Simulink模型；内部采用Intel芯片组，具备6M高速缓存，主频不小于3.0GHz；硬盘500G，内存4G；接口：PCI/PCIe/VGA，2个PS/2，1个并口，100M以太网口，RS232串口；配置液晶显示器；安装专用控制软件；要求嵌入实验**装。配置PCIE 实时板卡：采用FPGA技术开发，安装在控制器PCIE卡槽，实时采集控制板和控制器之间采用以太网通信。通过启动高性能的实时内核，实现实时快速原型和硬件在回路仿真。实时内核支持中断处理，中断模式下的控制速度可以达到 50kHz。 （提供快速原型控制器实物图片及详细技术参数） 2、实时数据采集板： 1）8路模拟量输入：12 位精度，输入电压0-5V、0-10V、0-±10V可选；6路独立AD转换，转换速率125K SPS。 2）2路模拟量输出：12 位精度，输出电压0-10V、0-±10V可选；2路独立DA转换，转换速率125K SPS。 3）10路PWM输出：TTL电平带外部中断告警，最高调制频率50KHz，占空比最小时间调节5ns。 4）6路开关量输入信号：TTL电平。 5）6路开关量输出信号：TTL电平。 6）1个位置检测接口：可用于无刷电机、开关磁阻电机位置检测信号的输入。 7）1个光电编码器接口：可用于异步电机、交流伺服电机等光电编码器信号的输入。 8）要求实时板卡和实时采集控制板之间所有数据信号需经过ISO高速数字隔离电路，防止PCI实时板卡受物理对象的干扰。 3、直流斩波电路挂箱： 包含Buck、Boost、Boost-Buck三种斩波电路，主电源24V/4.5A。功率器件采用18A/200V的MOSFET管，驱动电路采用集成芯片，内部带有光耦隔离。Buck变换器：直流Uin=24V，Uout=0-20V/2A；Boost变换器:直流Uin=24V，Uout=24-48V/1A；Buck-Boost变换器:直流Uin=24V，Uout=0-48V/1A； 实验面板设置了多个观测点，可以观测驱动波形，MOSFET的电压、电流，电感的电压、电流，二极管的电压、电流，输出电压等波形。 4、半桥全桥变换器挂箱： 隔离型半桥开关电源输入AC220V 50Hz，控制频率24kHz，直流额定输出48V/1A。实验电路由滤波及整流电路、PWM驱动电路、MOSFET、变压器、吸收电路、输出整流滤波电路等组成。全桥开关电源输入AC220V 50Hz，控制频率24kHz，额定输出DC48V/1A。 5、三相变频逆变主电路挂箱： 要求完成异步变频调速、直流电机PWM调速、以及逆变等实验。模块由整流滤波电路、逆变桥及其驱动电路、交直流电流检测电路等组成。逆变桥及其驱动电路：逆变桥由3对MOSFET和快恢复二极管组成，MOSFET均有阻容吸收保护电路。驱动电路由逻辑输入、电平转换及隔离、过流过压保护、MOSFET驱动等电路组成。 6、三相逆变滤波电路挂箱： 要求完成单三相逆变电路实验。由LC滤波电路、交流电压和电流检测电路组成。交流电压和电流表用于观察滤波电路输出端的交流电压和电流值。LC滤波电路：用于抑制逆变桥输出端的高次谐波。交流电压和电流检测电路：采用电流式电压互感器和霍尔电流互感器，通过信号调理电路，线性隔离电路输出到面板接线端。 7、系统控制软件： 1）要求采用MATLAB/Simulink环境开发，采用主机—目标机“双机”工作模式。主机运行MATLAB和Simulink，目标机执行RTW和C编译器生成的可执行代码。并提供相应的应用软件及驱动程序，以便进行二次开发。要求投标文件提供详细的技术方案图片等，软件功能界面，硬件技术说明等资料； 2）要求系统可利用 MATLAB/Simulink 模块库搭建自己的控制算法进行快速原型化设计，并可实现硬件在回路仿真。投标文件中需提供 Simulink 库界面示例及相关实验项目的实验例程界面。 3）要求提供数字电力电子系统开发软件模块库，需包含以下软件模块：脉宽调制(xPC PWMs)模块 ，模拟量输入(AD)模块，模拟量输出(DA)模块，定时器(Timer)模块，正交编码电路（QEP）模块,捕获（CAP）模块,异步中断请求模块，数字量输入/输出模块等。 4）提供软、硬件视频资料演示（以U盘形式提供），验证实验台功能参数，其中实验演示需满足如下功能： （1）半桥开关电路实验：可实现Matlab环境下的实时采集控制板卡的硬件连接，在Matlab/Simulink环境下实现硬件在环实时数字控制（实时开环控制及闭环控制），并展示搭建的Simulink库搭建控制算法。 （2）采用磁场定向控制（FOC）的变频调速系统：可实现Matlab环境下的实时采集控制板卡的硬件连接，无需通过仿真下载器，直接通过以太网实时控制。可实现整个控制算法的实验过程：在线观测Matlab/Simulink控制程序能与对应的控制理论框图一一对应，实时运行的控制程序可在上位机修改参数、调取实验波形。 4、实验导线及配件 采用3种不同的实验导线，不能互插。其中高压导线采用全封闭实验导线，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。 |
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