NMCLIII型电力电子及电气传动实验台125.docx
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NMCLIII型电力电子及电气传动实验台125
NMCL-III型电力电子及电气传动教学实验台
一、概述
NMCL-III型电力电子及电气传动教学实验台主要是根据陈伯时教授的«电力拖动自动控制系统—运动控制系统»第三版教材和西安交通大学王兆安教授«电力电子技术»设计而成的，我公司在2004年5月并为这二本教材召开了教材培训和研讨会。
该实验装置主要针对半导体变流技术、现代电力电子器件、现代电力电子器件的典型线路、直流调速系统（模拟部分）、直流调速系统（数字部分）、交流调速（模拟部分）、交流调速系统（数子部分）、针对研究生实验平台和教师提高实验内容。
内容从不同的器件在不同场合的应用，不同器件外围线路的不同设计，各种现代典型系统实验，较为系统和完善地从实验角度为学生提供了很好地实验平台。
该系统经过浙江大学电气工程学院二位教授长达5年多的系统设计和求是公司每年的逐步完善，目前无论从可靠性、美观性和设备设计的合理性方面都达到了从未有过的完善，设备的维护率大大降低。
该设备通过清华大学、天津大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、吉林大学、大连理工大学、青岛大学、西安交通大学、华南理工大学、华北电力大学（北京、保定）、中国矿业大学、华中科技大学、四川大学等许多著名院校的使用，并提出了很多宝贵修改意见才达到今天的水平，我公司的电力电子及电气传动教学实验台被各高校评为目前市场占有领先地位，代表专业水平的教学产品。
二、实验装置技术特点
1、本实验台和国内同类设备相比，具有紧密结合教材，线路典型，面板美观，学生动手方便，保护功能完善，可靠性高等优点。
2、该实验台在完成传统的实验项目的同时，突出对现代电力电子器件和现代控制理论的研究。
整个现代电力电子及电气传动实验分成三大部分：
器件的研究、线路的研究、系统的研究（模拟控制、数字控制）。
1）器件的研究主要是对GTR、MOSFET、IGBT、GTO的开关特性及其驱动电路、缓冲和保护电路研究。
可通过改变不同的参数来研究器件的特性，具有研究价值。
2）线路主要有Buck-Boost电路、开关电源、单相交流调压电路、全桥DC/DC变换、软开关、整流电路的有源功率因数提高等。
3）系统则是直流脉宽调速系统（采用MOSFET）、交流变频调速系统（功率器件采用IPM智能功率模块）和直流方波无刷电机的调速系统（采用GTR模块,可扩展）。
4）产品还设计了研发型实验内容，开放硬件环境和软件环境，可以允许学生在MATLAB环境下完成系统的控制算法的研究。
（可扩展）
学生通过完成以上实验，能对各种器件在不同的场合的应用有了深刻的了解，对目前流行的各种线路均能熟练掌握，直至能够独立地设计各种线路甚至系统。
3．在进行直流调速系统实验时，除可用常规的由运算放大器构成的PID调节器进行控制外，还可以和计算机相连，由上位机进行数字控制，并采集转速曲线和电流反馈信号。
4.该实验台最新的由数字信号处理器（DSP）控制的高性能变频调速系统实验组件，采用高分辨率的编码器作为转速反馈元件，采用LEM传感器作为电流检测元件，既能完成SPWM和空间矢量的变频调速实验，又能进行磁场定向变频调速实验。
同时，该实验组件可与计算机进行相连，通过计算机对调速系统的参数进行调节，对转速等动态波形进行分析。
5、交流电源的输出不仅设计了过流保护功能，还在不同的触发电路加了高压保护，功率器件加了安全保护。
为了不使强电信号加入弱电电路中，采用了不同的实验导线，使学生接线时高低压线路不会插错，而导致低压电路的损坏。
6、我公司推出的实验教学平台，可让教师和有能力的学生不仅可以熟悉MitLab软件，还可以在MitLab环境下，设计各种控制方式的交流调速系统。
三、实验项目
1、电力电子技术（晶闸管部分）
1）单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验
2）正弦波同步移相触发电路实验
3）锯齿波同步移相触发电路实验
4）单相桥式半控整流电路实验
5）单相桥式全控整流电路实验
6）单相桥式有源逆变电路实验
7）三相半波可控整流电路的研究
8）晶闸管三相半波有源逆变电路的研究
9）三相桥式半控整流电路实验
10）三相桥式全控整流及有源逆变电路实验
11）单相交流调压电路实验
12）三相交流调压电路实验
2、电子技术（全控型器件特性部分）
1）功率场效应晶体管（MOSFET）的主要参数测量
2）功率场效应晶体管（MOSFET）的驱动电路研究
3）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性及其驱动电路的研究
4）电力晶体管（GTR）驱动电路的研究
5）电力晶体管（GTR）的特性研究
6）电力晶体管（GTO）驱动电路的研究
7）电力晶体管（GTO）的特性研究
3、电力电子技术（全控型器件典型线路部分）
1）直流斩波电路（Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost、Zeta等六种电路）的性能研究
2）单相交直交变频电路的性能研究
3）单端反激式隔离开关电源的性能研究
4）单端正激式开关电源的性能研究
5）采用自关断器件的单相交流调压实验
6）单相正弦波（SPWM）逆变电路实验
7）全桥DC/DC变换电路实验
4、直流模拟调速系统实验
1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
2）晶闸管直流调速主要单元调试
3）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
4）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
5）双闭环控制的直流脉宽调速系统（PWM）
5、直流数字调速系统实验（求是公司独有的实验）
1）双闭环晶闸管不可逆数字直流调速系统
2）双闭环控制的数字直流脉宽调速系统（PWM）
6、传统的交流调速系统实验
1）双闭环三相异步电机调压调速系统
2）双闭环三相异步电机串级调速系统
7、交流数字调速系统实验
1）异步电机的SPWM变频调速系统（IPM）
2）异步电机的空间矢量控制的变频调速系统
3）采用DSP的异步电机直接转矩变频调速系统
4）采用DSP的异步电机磁场定向变频调速系统
8、可扩展的实验内容（求是公司独有的实验，学校可选择）
1）.单端正激/反激开关电源及单相APFC整流电路实验（数字电力电子实验）
2）．采用DSP控制的直流方波无刷电机调速系统
3）．采用DSP控制的直流方波无刷电机伺服系统
4）.在MATLAB研发环境下的变频调速系统
5）.采用FPGA控制的研究型交流伺服电机数字调速系统
以下是学校可选择的实验挂箱
序号
型号
名称
数量
价格
1
NMCL-14A
DSP控制的直流无刷电机调速系统和伺服系统
1
7300
2
无刷电机调速系统和伺服系统软件（含控制、波形采集）
1
5000
3
M15
直流方波无刷电机（与NMCL-14A配用）
1
1200
4
NMCL-13B
基于MATLAB环境下的研究型DSP控制的高性能变频调速实验系统
1
12000
5
基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统
1
11500
6
DPE-02
单端正激/反激开关电源及单相APFC整流电路实验箱：
6800
四、实验台技术条件
1．整机容量：
≤1.5kVA
2．工作电源：
AC3N/380V/50Hz/3A
3．尺寸：
1.60m×0.75m×1.50m
4．重量：
300kg。
五、实验台技术说明
1、控制屏及实验桌技术说明
1）设备的人身安全保护
◆三相隔离变压器的浮地保护,将实验用电与电网完全隔离，对人身安全起到有效的
保护作用；
◆三相电源输入端设有电流型漏电保护器，设备的漏电流大于30mA即可断开开关，
符合国家标准对低压电器安全的要求；
◆三相隔离变压器的输出端设有电压型漏电保护，一旦实验台有漏电压将会自动保护
跳闸。
◆强电实验导线采用全塑封闭型手枪式导线，导线内部为无氧铜抽丝而成发丝般细的
多股线，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，避免学生触摸到金属部分而引起的双手带电操作触电的可能。
2）设备的安全保护体系
◆三相交流电源输出设有过流保护功能，其输出电流大于2A即可断开电源，并告警指示；
◆晶闸管的门阴极和各触发电路的观察孔设有高压保护功能，避免学生误接线；
◆实验台采用三种实验导线，相互间不能互插，强电采用全塑型封闭安全实验导线，弱电采用金属裸露实验导线（其实芯铜直径大于强电导线），观察孔采用2＃实验导线，避免了学生误操作将强电接到弱点的可能；
◆由于示波器的接地端、2个通道的接地端和实验台的地线是相互连接的，为了使所有的实验台的地线独立，我公司在单相交流电源插座前设有单相隔离变压器，保证了整个实验室实验的正常进行。
否则必须折断示波器插头的接地端，如此又会造成人身安全得不到保障；
◆实验台交直流电源设有过流和短路保护功能。
3）控制屏和实验桌
实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面采用意大利进口生产设备和工艺生产的高密度度防腐防火板。
造型美观大方，设有两只抽屉和存放柜，用于置放工具，挂箱及资料等。
实验桌设有四个轮子和四个可调固定支撑脚，便于移动和固定，有利于实验室布置。
4）NMCL-31低压电源及仪表
◆仪表说明
该装置建议采用指针式仪表较为合理，由于指针式仪表瞬间响应较快，可以观察到电机起动的动态过程。
直流电压表：
提供0.5级精度、测量范围为±300V带镜面的指针电压表。
直流电流表：
提供0.5级精度、测量范围为±2A带镜面的指针电流表。
交流电压表：
提供0.5级精度、测量范围为300V带镜面的指针电压表。
交流电流表：
提供0.5级精度、测量范围为1A带镜面的指针电流表。
◆速度变换器，给定，零速封锁器；
提供速度变换器、给定、零速封锁器系统实验电路。
◆低压直流电源：
提供±15V/1A直流稳压电源。
5）NMCL-32电源控制屏
◆三相交流电源：
通过开关切换分别输出三相200V和230V交流电源，给直流调速和交流调速提供输入电源，带过流保护。
该电源经过电流型漏电保护、三相隔离变压器、电压型漏电保护等安全保护电路后供学生实验用电。
◆220V/0.5A直流励磁电源：
供直流电动机和直流发电机励磁绕组。
6）其它：
提供鸿雁牌多功能单相三芯电源插座2只。
2、实验模块的技术说明
1）NMCL-331电抗器
2）NMCL-35三相变压器
3）NMCL-22D单端反激/正激开关电源
4）NMCL-22E半桥型开关稳压电源的性能研究
5）NMCL-38直流调速计算机接口
陈伯时教授已将直流调速的数字调速作为必讲的教学内容，我公司与之配套的直流调速计算机接口可完成此功能。
该功能由台湾研华带有PCI插槽的A/DD/A板卡和计算机接口控制板以及相应的软件组成。
其主要可实现直流调速速度单闭环、不可逆双闭环和直流脉宽调速等系统的数字调速，上位机软件采用VC和Matlab编制，每一种实验项目在界面上都由对应的数字模型和原理框图，学生只要点击框图，就会弹出需修改参数的对话框，供学生进行操作。
同时可以通过计算机实时检测各种动态波形
3、实验箱技术说明
1）NMCL-33三相触发电路及主回路实验箱
触发电路：
采用数字集成电路，抗干扰能力强，三相脉冲间隔均匀，一直性好，产生双窄脉冲，脉冲移相范围为0－160°。
在面板上可观察三相同步电压和六个脉冲波形，并通过“Uct”端对a教进行控制。
面板还装以六路琴键开关，可分别对每一路脉冲进行“通”、“断”控制，可模拟三相整六电路丢脉冲或逆变电路颠覆的故障现象。
另有两脉冲控制端“Ublr”、和”Ublf”，分别对I、II组脉冲放大电路进行控制，在进行“逻辑武环六可逆直流调速系统”实验中，通过对“Ublr”、和”Ublf”的点平进行控制以实验电机的正反转。
主回路：
由12只可孔硅，6只二极管以及平波电抗器，RC吸收回路组成。
可孔硅采用上海整离器厂生产的6A800V金属封装，过载能力强、可靠性高、干扰能力强，平波电抗器采用中心抽头方式，分别为50mH、100mH、200Mh/700Mh.在电流小于1.5A时保持线性。
2）NMCL-18转速调节器、电流调节器、逻辑无环流控制器、可变电容
提供交、直流调速闭环控制系统的模拟PID转速调节器和电流调节器、逻辑无环流可逆双闭环调速系统的逻辑控制器以及4组可变电容器。
3）NMCL-07C电力电子器件实验箱
此实验箱实验项目除含GTR、MOSFEF、IGBT、GTO等器件的驱动电路和开关特性研究外，还可对快恢复二极管，高速光耦、电感等电力电子的常用元件进行分析。
面板设计时，留有较多的波形观察孔，便于学生分析各工作点的情况。
线路设计时，遵循先易后难，先分离后集成的原则，挑选了几种常见的比较具有实用价值的驱动电路，使学生可学以致用。
整个实验箱精心设计了各种保护电路，例如短路、du/dtdi/dt等保护。
4）NMCL-13ADSP控制的高性能变频调速系统
变频调速系统由主回路和控制电路组成。
主电路利用交—直—交电源型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM
控制系统由DSP、信号检测电路、驱动与保护电路等组成。
DSP采用美国TI公司的16位数字信号处理器TMS320F240。
该芯片是专门为电机的数字化控制而设计的，它集DSP的信号高速处理能力及适用与电机控制的优化外围电路与一体，为电动机数字控制系统应用提供了一个理想的解决方案。
DSP控制的高性能变频调速系统可完成SPWM、空间矢量、磁场定向以及直接转矩控制方式的实验，可观察电动机线电压、线电流、气隙磁通分量以及突加与突减给定以及突加与突减负载时的iu＝f（t）与n＝f（t）动态波形。
并可测量系统开环、闭环机械特性n=f（M_）
5）NMCL-22现代电力电子电路和直流脉宽调速实验箱
此实验箱可完成直流斩波电路、交流调压电路、单相交频电路以及直流脉宽调速等实验项目。
直流斩波电路：
面板上提供若干的电源、功率场效应晶体管、电抗器、电阻、二极管、电容等，并画有常见的六种斩波电路（Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost、Zeta）原理示意图。
学生根据示意图可以自行搭建不同的电路进行分析、比较、斩控式交流调压：
主回路由IGBT管组成，驱动电路由SG3525、运放等构成，通过示波器可观察输入的电压、输出电压以及电流波形。
单相交直流变频电路：
主回路中间直流电压由交流电整流而得，逆变部分采用单相桥式PWM电路，功率器件采用600V14A的MOSFET。
6）NMEL-03A可调电阻器
提供可调电阻900Ω/0.41A二组，90Ω/1.3A一组，供发电机负载电阻和其它实验阻性负载用。
4、实验电机及电机导轨
1）M01直流复励发电机
2）M03直流并励电动机
3）M04A三相笼型异步电动机和编码器
4）M09三相绕线式异步电动机
5）MEL-14电机导轨
5、实验导线技术说明
实验连接导线采用高可靠全封闭手枪插型式，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
6、可扩展的实验内容（学校可以选择）
1）NMCL-14ADSP控制的直流方波无刷电机调速系统伺服系统
本调速系统由方波无刷电机、电机转子位置传感器、转速传感器、由功率管构成的逆变器、以DSP为核心的数字控制器等构成。
系统可工作在无转子位置传感器状态，此时转子位置通过观测器获得两种工作状态，通过开关K切换，系统也可以不用转速传感器，而利用转子位置信号即可检测电机的转速。
主要实验内容包括有：
◆有与无转子位置传感器情况下，测量电动机转子位置信号
◆有与无转子位置传感器情况下，研究电动机的起动特性
◆功率晶体管基极驱动波形，电机定子线电压波形
2）NMCL-13B基于MATLAB环境下的研究型DSP控制的高性能变频调速实验系统
本实验系统，利用TI公司32位高性能TMS320F2812（DSP2812）DSP最新产品做为控制核心芯片，并设计成为基于PCI总线的DSP2812运动控制器，利用超高速度的PC实现电机控制算法，本系统解决了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。
利用本运动控制卡和接口软件，可以完成交流感应电机的实时控制实验，直接在Windows系统上使用C、C++或者Basic语言编写电机控制算法，无须了解任何DSP电机控制相关技术。
利用VisualC++开发的交流感应电机控制算法软件和Matlab程序可以轻易完成以下实验内容，并且提供C语言电机控制算法源代码，用户可以在很方便进行修改。
◆SPWM调制方式下V/F曲线测定
◆马鞍波调制方式下V/F曲线测定
◆空间电压矢量调制方式下V/F曲线测定
◆开环正弦波调制（SPWM）的高性能变频调速实验
◆开环马鞍波调制（SPWM）的高性能变频调速实验
◆开环空间矢量控制（SVPWM）的高性能变频调速实验
◆磁场定向控制（FOC）的高性能变频调速实验
◆直接转矩控制（DTC）的高性能变频调速实验
3）基于FPGA开发的研究型三相永磁同步交流伺服电机系统
本交流伺服实验系统，首创性地使用XILINX公司高性能FPGA作为控制核心芯片。
交流伺服闭环控制算法采用硬件描述语言编写，开环控制算法采用Simulink建模，直接生成硬件描述语言。
本系统的上位机控制软件具有操作简单、可设置参数丰富和界面生动等特色，非常适合教学使用和研究所系统验证。
使用本系统，学生可修改各种控制参数观看控制结果，利用Simulink也可动手编程电机算法并进行实验，以及利用Matlab进行电机数据分析和处理。
因此学习VHDL语言与使用FPGA验证先进电机控制设计为未来研究方向。
实验内容
◆交流伺服永磁同步电机的速度伺服实验
◆交流伺服永磁同步电机的转矩伺服控制实验
◆利用SystemGenerator基于Simulink开发伺服电机开环SPWM控制算法实验
变频调速系统由主回路和控制电路组成。
主回路采用交—直—交电源型工作电路，功率器件采用大功率IGBT模块。
控制系统由FPGAXILINX公司的XC3S700A的开发板、信号检测电路、驱动与保护电路、过流保护电路等模块组成。
软件示例
4）DPE-02单端正激/反激开关电源及单相APFC整流电路实验箱
DPE-02单端正激/反激开关电源及单相APFC整流电路实验箱包括单端正激/反激开关电源的主电路、单相APFC整流电路的主电路和DSP控制系统（TMS320F2812）三部分。
单端正激/反激开关电源由构成正激开关电源和反激开关电源的若干单元电路和DSP控制系统组成。
DSP控制系统产生开关电源功率管的PWM信号，并采集开关电源的输出电压值，实现开关电源的恒压输出，同时在实验控制软件中实时显示开关电源的运行参数。
单相APFC整流电路由整流主电路和DSP控制系统组成。
DSP控制系统采集整流电路输入的交流电压和电流信号以及输出直流电压信号，经过运算后控制功率管的PWM信号，完成单相APFC整流电路的正常工作。
并在实验控制软件中实现控制参数的设置和实时参数的显示。
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