mcl系列电机电力电子及电气传动教学实验台设计本科学位论文Word文档下载推荐.docx

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学生出来参与完成实验教学中的任务，还可以自己进行拓展，自主设计实验电路，验证一些课外的实验，来把自己的知识层面扩宽，满足自身的兴趣和求知欲望，同时还能带动其他同学参与其中，大家一起学习，共同进步。

电力电子学科具有很强的研究性和实践应用性，而实验教学绝对是培养联系理论、发散思维、谨慎的科学态度的重要手段，因此，需要挑选基础性并具有学习价值的试验项目来进行实验教学，提高学生的学习效率。

电力电子实验授课的内容中，根据学科特点和课堂授课进度组织实验教学。

在实验教学的课时相对其它学科的课时较少和实验室教学设备较先进的情况下，考虑到学生的课余时间比较充分，可以采用以课题的形式和课内课外相结合的方法开展实验教学，满足实验教学计划的情况下，开展多种形式的实验内容，可以结合，可以独立。

要求学生以小组的形式开展实验，在此基础完成基础型和设计型实验。

做好关键的课题选取工作，同时把理论知识与时间技能结合起来，把握好课题的难以，以老师为主导，学生为主体的模式下，让学生能在一定时间内独立完成。

结合学生现场的实验进度，划分小组，老师可在自由结组后，适当地进行调整，使小组成员能互助合作，取长补短，相互督促，在规定时间内完成课题任务。

1.3课题的目的和意义

随着各专业课程数量和课时的增加，实验教学课时进一步被压缩，使实验的数量和实验的类型收到了严重的制约，一些同学觉得实验课比较枯燥，在没有对课本知识熟悉的情况下，普遍以应付的心态去完成实验，出现问题无法主动去分析和解决，甚至以抄袭的方式来完成实验报告，以至于实验教学的效果不太理想。

针对以上的一些问题，为了让学生能了解实验本身的工作原理，熟悉实验操作；

为了使实验教学达到更好的效果，学校组织各个指导老师对学生分布任务，这些任务需要学生动手接触实验设备去完成，督促学生自主去实验室做实验，主动去课本上上学习实验设计到的知识，与此同时，学生不仅补上了之前欠缺的知识，并得到了动手能力的训练。

本次课设内容包含的知识层面比较广，需要学生多多的收集相关资料，并主动去实验室做实验来验证得到实验结果和实验数据。

让学生在多个层面受到锻炼，达成学校所要求的大纲上的条件。

在设计的方法上，本着河北科技大学在科研成果方面的优势，借鉴厂家成熟的生产技术的思路，在对国内外已有的同类实验教学产品的特点进行充分调研的基础上，确定自主研究设计本试验品台的主要电路核心板块，同时，对原有的实验室试验台的电路进行升级改造。

在指导老师的指导下，采取切合实际的措施，能极大地激发学生的动手研究设计的热情，培养学生思考问题、解决问题的能力；

同时，收到毕设任务的学生更会主动的去研究理解电力电子实验电路的原理，抛弃懒惰，学会勤快，并能独立动手解决问题。

2电力电子试验台部分电路工作原理和设计原则

2.1电力电子试验台部分电路组成

如图1所示，电力电子实验平台由不同的功能模块组成，功能模块按照功能可划分为5个部分；

电源部分、过压过流保护部分、实验电路部分、晶闸管电路部分和负载部分。

负载部分

晶闸管部分

实验电路部分

电源部分

过压过流保护部分

图1电力电子试验台各电路模块

2.1.1电源部分

电力电子试验台电源部分包含220V交流电和另外一些不同电压值的直流电源，因此提供一个安全可靠的电源时设计实验台部分电路的初步工作。

2.1.2过压过流保护部分

过流保护电路和过压保护电路共同组成保护电路，防止电路中出现过流过压现象导致电路元件的损坏，甚至危害人身安全。

2.1.3实验电路部分

主要包括三个触发电路：

一个是研究单结晶体管的工作特性；

一个使研究怎么产生并且可以移相的正弦波的；

另一个使研究怎么产生锯齿波的；

这个也得能移相。

2.1.4晶闸管部分

晶闸管部分由多个晶闸管串联或并联组成，为通过负载前的电流做滤波稳流等作用。

2.1.5负载部分

负载部分主要是三相变阻器，做实验电路的负载。

2.2电力电子实验台部分电路中的应用元件及元件的工作原理

2.2.1单结晶体管

1.结构

如图5所示，单结晶体管只有一个PN结，e是从P型半导体上引出的电极，b1和b2都是从N型半导体引出的电极。

单结晶体管的等效电路如图5（b）所示，rb1的数值会随发射极电流IE变化，于是在图中用可变电阻来表示，rb2表示e极与b2极之间的电阻，它的数值是固定的，和IE没有关系。

Rbb是b1极与b2极之间的电阻，可得出rbb=rb1+rb2。

集电极与基极之间可以等效为一个二极管，因为同样具有一个PN结，它的正向导通压降为0.7V。

2.工作特性

如图6所示，在单结晶体管的两个基极上加上直流电源VBB，b2极接电源正极，b1极接电源负极，rb1上的电压值VA与电源电压VBB的关系为：

VA=rb1VBB/（rb1+rb2）=ηVBB其中η为分压比，0.3<

η<

0.8。

图5图6

e极和b1级之间加上电压VE，当电压值不同时，单结晶体管的工作状态也不同，如图6所示。

1　当VE<

VA时，单结晶体管承受反向电压，也就是二极管承受反向电压，所以不会导通，工作在截止状态。

2　当VE=VD+VA（VD为二极管的正向压降），单结晶体管承受正向电压，并且导通，单结晶体管导通后的过程可表示为：

IE↑—rb1↓—VA↓—VE=VD+VA↓。

3　VE下降到VV之后，慢慢地一点一点地调节VE，让它的值变得大一些，这个时候只看见e极电流增加，但另两一方面，e极电压略有上升的幅度不大，这个管子饱和导通。

4　若减少发射极电压VE使VE<

VV，单结晶体管则会由饱和导通突跳到截止状态。

2.2.2普通二极管

图7二极管

如图7所示为二极管的电路标志。

PN结是二极管的主要起作用的部分，两者的特性相同，都为单向导电性，我们以往都通过其伏安特性曲线来观察工作特性。

如图8所示，在管子的正向方向上通上正向电源的电压，虽然我会把这个电压弄得非常小，但是我肯定要让这个管子导通的，它通了之后，电流会很小，快到0了，也就是进入死区了，这时候我把这个电压测出来，起个名字，就叫作死区电压，同学说也可以叫做门槛电压。

二极管在什么情况下会迅速变小，经专家测量鉴定，只有在管子正向导通电压超过了门槛电压地时候才会实现。

硅管导通电压0.7V，锗管为0.3V。

如果我在管子正向加上电压并不断加大电压时，在某一刻，管子会被击穿，通过地电流也是急剧变大，在那一刻击穿时候地电压就是击穿电压。

图8普通二极管的伏安特性曲线

2.2.3稳压二极管

图9稳压二极管的伏安特性曲线和电路标志

如图9所示，从一些相关资料上我了解到关于这个稳压二极管的结构和原理，从名字上我们就能判断出它的功能使稳定电压，在电路中起到控制或者保护的作用。

另外它叫稳压二极管，当然就会有普通二极管相同的特性，即单向导电性。

但是从名字里面判断不来的就是当它被击穿时（并不是彻底击穿），通过管子的电流会突然变大，电阻反过来，会突然变小。

继续加大电压，到某一数值的时候，管子就会彻底击穿，烧坏不用继续使用了。

2.2.4三极管

如图10、11所示，我们就可以看到普通三极管的外形和里面的结构了，效果图片中很直观的展现了管子具有两个重叠的PN结和三个电极。

图10三极管外形及内部结构图11三极管内部结构

管子地两个电结是不可以分开的，分开就不能实现那种功能了，被分成的三个区域，叫发射区、集电区、基区，然后引出来三根极为e、b、c。

图12三极管分类

如图12所示，普通管子分为P型和N型。

P型基片是P型半导体，两边的部分是N区。

N型基片是N型半导体，两边的部分为P区。

这两种管子地工作特性相同，不同的是外部条件。

工作原理：

这种管子有三种状态，截止、饱和、放大，它的动作状态需要一定的外部要求。

电压方向

PN结

发射结

集电结

三极管工作状态

电压反向

正向偏置

反向偏置

放大状态

饱和状态

任何偏置

截止状态

放大区的电位条件：

NPN型：

Vc>

Vb>

Ve;

PNP型:

Vc<

Vb<

Ve。

三极管要工作在放大区时，NPN是B→E的电流（Ib）来控制C→E的电流（Ic）；

PNP是用E→B的电流（Ib）控制E→C的电流（Ic）。

2.3实验电路工作原理

2.3.1电源部分

实验电路中直流电源部分由隔离变压器、整流桥和滤波三部分组成。

进线为220V交流电，经过隔离变压器的隔离、降压，可提供输出相电压为15V、75V和90V等几种选择，为实验提供与电网隔离的不同交流电压电源。

图2隔离变压器

一、隔离变压器原理及应用

基本原理：

根据变压器的变比公式：

U1/U2=N1/N2;

I1/I2=N2/N1，有这个公式，我们可以算出来，N1/N2=1:

1时，进去和出来的电压电流都是相同的。

作用：

安上隔离变压器就要利用它的隔离作用，另外还可以降压或避免谐波浪涌。

当隔离器线圈连上大地的时候，人触碰到漏电的位置就会触电，而且会很危险。

但是如果线圈不连大地，就不会有电位差，人触碰不会触电，安全的不要不要的。

二、直流电源部分

进线交流电压经隔离、降压，再经过桥式整流、绿波模块，得到约直流电压。

另外，还有直流电源模块，可提供以0V为参考端的±

15V的两路直流电源。

可外加熔断器模块，用于电路的过流保护。

图3直流供电电源电路图

如图3所示，我们为了得到直流电流，特意在交流电源上应用了逆变电路，这样就能得到我们所需要的电流了。

逆变电路工作原理：

引入这种电路就是为了要另一种符合要求的交流或直流电，此电路正好能实现这样的变换，其中的整流桥、电阻、电容都起着很神秘的作用，也就是滤波，

2.3.2过压过流保护部分

因实验过程中负载的功率不一样，使得输出的电流可能会很大，所以必须设计过压过流保护电路。

下图电路可断开负载给出故障指示。

图4过压过流保护电路

首先我先简称555为5芯片，电路工作的时候，5芯片处在复位状态，它内部的管子会导通，电流流过T3的b极后，它便导通了，负载这会儿也不能闲着，接受到电流开始工作，但是当它就受到过量的电流后，Rsc两边的电压也会变大，这时候，T1管子也通了，5芯片被唤醒，内部管子关闭，T3也关闭，电源就被断开了，这时5芯片在一个很稳的状态，某一时刻就被终结，这时如果负载还是会接受过量电流，那么5芯片又会重新被唤醒，T3关闭，电源断开。

当负载上出现过压的现象时，通过R4、R5、D1使Tr2导通，同时555也会被触发，Tr3则继续将负载隔离。

如果出现过流过压现象，555③脚均将输出高电位，然后LED发光，表示负载处于隔离状态。

由于Tr3或者处于饱和，或者处于截止，因此只用一只功率晶体管便可工作。

2.3.3单结晶体管触发电路

图13单结晶体管触发电路

图中V3为单结晶体管，V1与V2组成两级放大电路，C2与V3充放电，脉冲变压器输出脉冲，电位器可以调节充放电的时间常数。

由同步变压器二次侧输出60V的交流同步电压，经VD1-VD4组成的半波整流桥，再由稳压管V1、V2进行波形消弱，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压Up时，单结晶体管V3导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。

同时由于放电时间常数很小，C2两端的电压很快下降到单结晶体管谷点电压Uv，使V3关断，C2再次充电，周而复始，在电容C2两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。

在一个梯形波周期内，V3可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。

充电时间常数由电容C2和等效电阻等决定，调节RP1改变C2的充电时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。

2.3.4正弦波同步移相触发电路

电路的前半部分为同步移相部分，这部分为触发电路的初步基础部分，为电路产生正弦波，并且这个正弦波与主电路同步，包含了各种电阻电容。

各种规格的电阻电容组成的电路中，电容起到移相作用，电阻起到分压作用。

又因为同步电源信号会超前可控元件90°

，所以在电路中并联电容来扩大移相范围。

我们可以由调节控制电压的大小来使晶闸管集电极电位高低变换的时刻提前或延迟，这样可以调节晶闸管的导通时刻。

第二部分电路起到脉冲放大的作用，其中包含的乱七八糟的各种规格的元件，可以保证电路能够输出足够脉宽的脉冲，咱也不瞎整，这脉冲肯定符合标准。

电路中是利用了多级放大电路来叠加放大信号的。

通过调节电位器RP来调节电容的放电时间常数，同时也是改变了正反馈的速度。

最后信号会通过脉冲变压器输出，但是输出值没有输入值大，但是电流大，能耐大，能使晶闸管导通。

正弦波触发电路的优点：

1.这部分电路可以很好地进行闭环控制，因为UK与Ud-之间的关系不一般，Ud=nUk。

2.略微地为主电源输出的不稳定电压作补偿的效果，降低这部分不稳定的电压对电路元件的影响。

正弦波同步移相实验电路如图14所示。

图14正弦波同步移相触发电路

同步信号由同步变压器副边提供，三极管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极综合了同步信号电压UT、偏移电压Ub及控制电压Uct（RP1电位器调节Uct，RP2调节Ub）。

调节RP1及RP2均可改变V1三极管的翻转时刻，从而控制触发角的位置。

脉冲形成整形环节是一分立元件的集基耦合单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。

当V1未导通，V3截止。

电源电压通过R9、T1、VD6、V2对C4充电至15V左右，极性为左负右正。

当V1导通的时候，V1的集电极从高电位翻转为低电位，V2截止，V3导通，脉冲变压器输出脉冲。

由于设置了C4、RP3阻容正反馈电路，使V3加速导通，提高输出脉冲的前沿陡度。

同时V3导通经正反馈耦合，V2的基极保持低电压，V2维持截止状态，电容通过RP3、V3放电到零，再反向充电，当V2的基极升到0.7V后，V2从截止变为导通，V3从导通变为截止。

V2的基极电位上升0.7V的时间由其充放电时间常数所决定，改变RP3的阻值就改变了其时间常数，也就改变了输出脉冲的宽度。

2.3.5锯齿波同步移相触发电路

锯齿波同步移相触发电路由乱七八糟的，各种各样的，不能缺少的，功能各异的电路环节组成，其原理图如图15所示。

图15触发电路原理图

由图中所示的各种各样的元件构成的同步检测电路，其中电路产生所需要的波形的时刻和宽度是由同步电压来控制。

充放电电路中，V3关闭时，充放电过程会形成锯齿波；

V3通了后，电路开始放电。

调节滑动变阻器RP可以改变电路电流。

各种电压在V5上相交，构成移相环节，放大环节有最后的两个三极管构成，最后得到主电路晶闸管所需要的锯齿波。

2.3.6晶闸管部分

图16晶闸管结构及符号

如图16所示。

晶闸管含有三个电极，分别为G极、A极、K极。

晶闸管可以工作在高电压的环境下，并且其在工作中可以收到控制，由于这种特性而被广泛应用月各种电子电路中，起到开关控制等作用。

晶闸管的工作条件：

G极电压方向

A极电压方向

工作情况

情况1

正向

反向

截止

情况2

情况3

导通

情况4

综上所述，只有在G极电压正向，A极电压正向的情况下，晶闸管才会导通。

两外，在管子导通的情况下，只有在A极电压反向或为0时，管子才会截止。

2.3.7负载部分

负载部分为负载电阻—三项可调电阻器。

三相可变电阻器分两种。

每相有两只电阻，每只电阻可调范围是0~900Ω（或0~90Ω），允许电流为0.4A（或1.3A）。

两只电阻作

三相变阻器中的两个可变电阻可以并联或串联使用。

串联接法如图17、18所示，A1与A2之间的阻值变化范围为0~2*900Ω。

并联接法如图17、18所示，把A1与A2连接一起。

A1与A3之间的阻值变化范围为0~900Ω/2

电阻串联电阻并联

图17三相可调电阻器

图18原理图

3总体试验台电路设计的确定

3.1设计涉及的电力电子试验台简介

图19电力电子及电气传动教学试验台

本毕业设计所用的电力电子试验台为“MCL系列电机电力电子及电气传动教学实验台”，此系列的实验台是根据多种专业性资料相结合的基础上分析研发的产物。

设计的时候充分考略了对学生动手能了的培养和加上对理论的理解，并给教师留有便于进行进一步研究以及产品开发的发展空间。

此系列的实验台包含了半导体交流电路实验模块和交直流调速实验模块，初次之外，还有其它的具有创新性的实验，本着让学生对电力电子理念和器件的原理的彻底理解的目的研发设计出实验室教学试验台。

试验台外形如图19所示。

该试验台的主要性能指标为：

整机容量≤1.5kVA；

工作电源为3N/380V/50Hz/3A；

尺寸大小为1.60m*0.75m*1.50m；

重量约300kg。

该试验台主要配置为：

主控制屏（铁质双层喷塑，铝质喷塑面板）、实验管理器、电机导轨（含编码器，转速表）、电机、可选实验组件等。

该试验台的一些显著的特点：

1.该实验台的设计紧密地联系着电力电子学科的基础知识，外形美观，线条流畅，具有很高的安全可靠的性能，让学生也更容易上手操作等等。

2.学生可以利用此系列的实验台更加方便快速地完成电力电子实验教学任务，与此同时，还可以进行拓展，完成一些教学任务中没有设计到的一些实验，这样就能让学生扩展了实验知识层面，也验证了一些研究理念。

3.此系列的实验台的微机控制来实现变频调速部分可以独立完成一些调速的实验，其采用的是Intel80C196MC变频芯片，我们在实验时也能熟悉电极变频调速的原理，同时拓展了解变频器的创新发展方向。

该变频器留有计算机接口，以便老师通过计算机进行控制和研究。

3.2主要器件的选型

本设计中主要用到的器件为主控制屏（铁质双层喷塑，铝质喷塑面板）、实验管理器、电机导轨（含编码器，转速表）、电机、可选实验组件等。

以下将分别介绍各器件的选型情况。

3.2.1主控制屏

1.交流电源：

三相0-430V/3A连续可调，0-250V/3A单相可调，该电源从电网输入经三相带灯熔断器、再通过总开关，之后是接触器和隔离变压器在实验台面板上可以输出电压，同时交流电表可以测量显示其电压值。

2.实验台电源部分的保护环节：

实验台安装隔离器，将电网与实验台隔离起来，防止触电；

同时实验台安装了漏电保护装置，能够在危险的时候发出警告并断开电源；

与此配置的测量电表仪器还有过量程断开电源的功能；

另外实验台还有过压过流保护装置，一旦实验中过电压或过电流，就会发出警告并断开电路开关。

这些保护装置共同为实验台的安全问题起着保障作用。

3.电表：

测量范围

精度

量程切换方式

是否过量程断开电源

交流电压表

0-450V

1

直键开关

是

交流电流表

0-5A

直流电压表

0-300V

0.5

直流毫安表

0-200mA

直流安培表

4.直流励磁电源：

可以为电机提供直流电源，规格为220V/0.5A。

5.双带双掷开关两组，大功率二极管两只。

6.脉宽调节：

包含的启普发生器可以调节各种信号的脉宽。

3.2.2实验管理器

辅助实验进行的的一些附件，方便教师记录和管理实验，配合实验教学使用。

3.2.3电机导轨

把电机固定在导轨上保证实验的时候，电机不会因为转速高而剧烈震动而移动，危害实验者的人身安全，也方便更精确地为电机测速。

3.2.4电机

M01直流复励发电机PN=100w，nN=1500rpm，IN=1.1A，UN=220V

M03直流并励电动机PN=185w，nN=1600rpmI，N=1.1A，UN=220V

M04三相笼型异步电动机PN=100w，nN=1420rpm，IN=0.48A，UN=220V

M09三相绕线式异步电动机PN=100w，nN=1420rpm，IN=0.55A，UN=220V

M15直流方波无刷电机。

3.2.5可