电力电子技术及电机控制实验装置
电力电子技术与电机控制实验设备详解
一、装置整体概述
此电力电子技术与电机控制实验装置，严格依据《电力电子技术》以及《电力拖动自动控制系统》等课程的实验大纲要求精心打造。在研发过程中，广泛汲取国内外同类产品的优势，全面考量当下实验室的实际状况与未来发展走向。相较于市场上的同类产品，其在结构设计上更为合理，功能层面更为完备，具备极高的可靠性，性价比优势显著。
二、装置显著特点
高度综合性：该实验台整合了现阶段国内各院校在电力电子、半导体变流、交直流调速、交流变频、电机控制以及控制理论等多领域的实验项目。
强大适应性：能够契合各类院校相关课程的实验教学需求，在实验深度与广度方面可依据实际情况灵活调整。装置采用积木式构造，方便快捷地进行部件更换。若需拓展功能或开发全新实验，仅需增添相应部件即可，有效避免了设备淘汰问题。
完善整套性：从专用电源、电机到其他各类实验部件，再到实验连接专用导线，均配套齐全。且所有配套部件的性能、规格等，都紧密围绕实验需求进行精准匹配。
直观易操作性：各实验挂件采用分隔式结构，组件面板的示意图清晰明了，图线一目了然。每个挂件的功能与任务明确，极大地便利了操作与维护工作。
科学合理性：实验台占地面积较小，有效节省实验用房空间，降低基建投资成本。配套的小电机经过特殊设计，能够精准模拟中小型电机的特性与参数。这些小电机耗电量低，节能效果显著，实验过程中产生的噪声小，整体布局整齐美观，极大地改善了实验环境。同时，实验内容丰富多样，设计科学合理，不仅有助于学生深化理论知识理解，还能结合实际开展设计性实验。
安全开放性：控制屏供电采用三相隔离变压器进行隔离，并配备电压型漏电保护装置与电流型漏电保护装置，全方位保障操作者的人身安全。各电源输出均设有监示功能与短路保护功能，各类测量仪表也具备可靠的保护机制，确保使用过程安全无虞。此外，控制屏还设有定时器兼报警记录仪，为学生实验技能的考核提供统一标准，为开放性实验室的建设奠定了坚实基础。
前沿先进性：实验台在设计时高度关注新器件的应用，在保留晶闸管实验的基础上，融入了大量新器件特性、驱动以及典型应用的现代电力电子技术实验，使学生能够及时了解和掌握机电一体化新器件的相关知识，紧跟时代科技发展步伐。
三、技术性能指标
输入电源：三相四线（或三相五线），电压为 380V±10％，频率 50HZ。
工作环境：温度范围在 - 10℃至 + 40℃之间，相对湿度＜85％（25℃时），海拔高度＜4000m。
装置容量：＜1.5KVA。
外形尺寸：187.3×72.5×162.2cm³ 。
四、基本装备详情
DK01 电源控制屏（采用铁质双层亚光密纹喷塑工艺，铝质面板）
交流电源（均配备过流保护措施）：提供直流调速档三相交流电 200V/3A，交流调速档三相交流电 240V/3A 。
高压直流电源：励磁电源为 220V（0.5A），具备输出短路保护功能。
数字式仪表：
交流数字电压表：可通过下方波段开关切换，指示三相电网输入线电压，精度 1.0 级。
真有效值交流数字电压表：测量范围 0～500V，量程自动判断、自动切换，精度 0.5 级，三位半数显，用于交流调速系统电压指示。
真有效值交流数字电流表：测量范围 0～5A，量程自动判断、自动切换，精度 0.5 级，三位半数显，具有超量程告警、指示及切断总电源功能，为调速系统提供电流指示。
直流数字电压表：测量范围 0～300V，三位半数显，输入阻抗 10MΩ，精度 0.5 级，用于可逆调速系统电压指示。
直流数字电流表：测量范围 0～5A，三位半数显，精度 0.5 级，具有超量程报警、指示、切断总电源等功能，为可逆调速系统提供电流指示。
人身安全保护体系：
三相隔离变压器一组：三相电源先经三相漏电保护器，再通过钥匙开关、接触器接入隔离变压器，实现输出与电网隔离（浮地设计），保障人身安全。
电压型漏电保护器 1：对隔离变压器前线路漏电现象进行保护，使控制屏内接触器跳闸，切断电源。
电压型漏电保护器 2：对隔离变压器后线路及实验接线等漏电现象进行保护，发出报警信号并切断电源。
电流型漏电保护装置：当控制屏出现漏电且漏电流超过一定值时，立即切断电源。
实验连接线及插座：强、弱电连接及插座分开设置，无法混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺，安全可靠，有效防止触电。
实验管理器：可设定实验时间、定时报警、切断电源，还能自动记录并区分因接线或操作失误导致的漏电告警、仪表超量程告警等情况。
控制屏其它设施：控制屏正面大凹槽内设有两根不锈钢管，用于挂置实验部件，凹槽底部配备 12 芯、10 芯、4 芯、3 芯等插座，为挂件供电。控制屏两边设有单相三极 220V 电源插座及三相四极 380V 电源插座，还装有一盏 40W 日光灯用于实验台照明。
实验桌：采用铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨的高密度板，结构稳固，呈长方体封闭式设计，造型美观大方。设有两个大抽屉和柜门，用于存放工具、挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏，并提供宽敞舒适的工作台面。实验桌还配备四个万向轮和四个固定调节机构，便于移动与固定，有利于实验室合理布局。
不锈钢电机导轨、光码盘测速系统（搭配日本欧姆龙 1024 光电编码器）及数显转速表。
三相可调电阻（每组 900Ω×2/0.41A）。
晶闸管主电路：提供 12 只 5A/1000V 的晶闸管，分为正、反桥两组，每只晶闸管均设有保护装置。正、反桥晶闸管可通过外加信号触发（预留触发脉冲输入接口），便于完成设计性实验。还设有带镜面精密指针式直流电压表 ±300V，精度 1.0 级，带镜面直流电流表 ±2A，精度 1.0 级各一只，以及平波电抗器一组。
三相晶闸管触发电路：提供三相触发电路、功放电路等，与 “DK03” 协同使用。
晶闸管触发电路实验：涵盖单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路、单相交流调压触发电路及单相并联逆变触发电路共五种触发电路。
电机调速控制实验（Ⅰ）：提供电流反馈与过流保护（FBC+FA）、给定器（G）、转速变换器（FBS）、速度调节器（ASR）、反号器（AR）、电流调节器（ACR）、转矩极性鉴别（DPT）、零电平检测（DPZ）及逻辑控制器（DLC）等模块。
直流斩波电路：主要由斩波器触发电路和斩波主电路两大部分构成。
给定及实验器件：提供给定（±15V 可调电压输出）、压敏电阻（作为过压保护元件，内部已连成三角形接法）、二极管、24V 电源及电感。
新器件特性实验：提供 SCR、MOSFET、IGBT、GTO、GTR 新器件，可与 DJK06 配套测定其特性曲线，与 DJK12 配套完成电力电子新器件的驱动特性实验。
可调电阻、电容箱：提供耐压 AC63V 的可调电容三组，调节范围 0.1～11.37uF，以及 0～999KΩ 十进制可调电阻两组。
单相调压与可调负载：配备一只 0～250V/0.5KVA 单相交流自耦调压器，为相关实验提供可调电源；还有一个整流滤波电路以及 0～90Ω/1.3A（串联）或 0～45Ω/2.6A（并联）瓷盘可调电阻，为实验提供可调阻性负载。
变压器实验：提供三相芯式变压器一个（该变压器有 2 套副边绕组，原、副边绕组电压为 127V/63.6V/31.8V），用于异步电机串级调速实验和三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验；还设有三相不控整流电路和逆变变压器各一组。
功率器件驱动电路实验箱：旨在为新器件特性实验提供驱动和保护电路，助力学生了解电力电子新器件的驱动特性。主要包含电源、驱动电路、PWM 波形发生器。
电源：为驱动电路提供 ±5V、+20V、±15V 直流电源。
驱动电路：涵盖 MOSFET、IGBT、GTR 和 GTO 的驱动电路，其中 IGBT 的驱动电路采用专用芯片 EXB841。
PWM 波形发生器：以 SG3525 为核心，为新器件驱动电路提供 PWM 驱动波形。可通过频率调节旋钮调节频率，通过占空比电位器调节 PWM 波占空比。频率范围分为 2 挡，通过钮子开关切换，高频档（4KHz～10KHz）为 MOSFET 和 IGBT 驱动电路提供 PWM 波形，低频档（400Hz～1KHz）为 GTR 和 GTO 驱动电路提供 PWM 波形，占空比均可在 0% 至 100% 范围内调节。
单相交直交变频原理：依据普通高等教育 “九五” 重点教材《电力电子技术》(第四版，王兆安、黄俊主编) 相关内容开发，用于展示交直交变频原理，使学生了解 SPWM 正弦波脉宽调制信号的形成方法，以及 IGBT 管专用集成驱动芯片的特点与使用。可完成 SPWM 波形成过程、交直交变频电路在不同负载（电阻、电感和电机）下的工作情况和波形研究，以及 IGBT 管专用集成驱动芯片工作特性等实验项目。
自控原理实验：提供稳压电源、交 / 直流数字电压表、低频函数信号发生器、六位数显频率计、阶跃信号发生器及典型的控制环节（比例环节、惯性环节、积分环节、超前滞后校正环节，还可组成微分、延迟等各种电路）等。
自控原理实验：提供稳压电源、阶跃信号发生器、典型的控制环节（比例环节、惯性环节、积分环节、超前滞后校正环节，还可组成微分、延迟等各种电路）及自由布线区，方便自由组合实验线路进行实验。
双闭环 H 桥 DC/DC 变换直流调速系统：通过对四个桥臂上 IGBT 管的触发控制，实现对可逆直流他励电机的调速。主要由主回路、控制电路和调节部分组成。主回路由直流电源、四种 IGBT 管构成；控制回路部分由专用芯片产生 PWM 脉冲波，PWM 波脉冲发生器产生的四路控制脉冲分别驱动四个桥臂的 IGBT 管；调节部分由两个 PI 调节器组成，通过速度环、电流环构成的反馈回路，使电机转速稳定运行在给定转速。该实验箱可完成全桥 DC/DC 变换电路实验和双闭环可逆直流脉宽调速实验。
电机调速控制实验（Ⅱ）：提供触发选择器（TS）、绝对值放大器（GAB）、电流符号选择器（CSS）、电压调节器（AVR）、零速封锁器（DZS）及电压隔离器（TVD）等模块。与 “DK06” 配合完成 “三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验”。
半桥型开关稳压电源：提供半桥型开关稳压电源的主电路和控制电路，主电路中的电力电子器件为电力 MOSFET 管；控制电路采用专用 PWM 控制集成电路 SG3525，采用恒频脉宽调制控制方案。可完成 “开关电路在开环与闭环下负载特性的测试” 以及 “电源电压波动对输出的影响” 等实验内容。
直流斩波实验：依据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第四版) 中直流斩波相关内容设计，提供组成直流斩波电路所需的元器件，并采用专用的 PWM 控制集成电路 SG3525。可完成教材中降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper）、升降压斩波电路（Boost - Buck Chopper）、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路、Zeta 斩波电路六种典型实验。
斩控式交流调压电路：根据西安交大王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第四版) 相关内容设计，采用全控型器件 IGBT 管实现 “斩控式交流调压实验”。
单相调压 / 调功电路：依据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的相关内容设计，实现单相交流调压和交流调功的实验内容。采用双向晶闸管，在交流调压实验中采用由双向触发二极管构成的触发控制电路；在交流调功实验中采用由 555 时基电路组成的触发控制电路。
单端反激式隔离开关电源：输入交流电压范围 50V～200V，输出为三组直流电源，分别为 + 5V、5A；+12V、1A； - 12V、1A，在输入交流电压和直流输出负载变化时，输出电压变化率小于 0.3%。
PS - ZVS - PWM 软开关技术：主要包括 H 桥电路、控制电路和稳压反馈电路。用于展示移相零电压开关的电路结构和工作原理。H 桥电路由四只 MOSFET 管组成，控制电路采用全桥软开关电源移相 PWM 控制芯片 UCC3895 和驱动芯片 HIP4081，稳压反馈电路由 TL431 等元件组成。
整流电路有源功率因数校正：主要由整流电路、升压变换器、控制电路三部分组成。控制电路采用功率因数控制芯片 UCC3817N 和外围元器件组成，最大输出功率为 100W（200V±5%，0.5A），工作频率为 100KHz。采用模块化设计，通过适当连线可完成无滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试、有滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试、整流电路有源功率因数校正的测试、控制电路的波形测试、功率栅极控制信号观察以及整流电路有源功率因数校正电路的性能测试等实验项目。
单端电流反馈他激式隔离开关电源：采用专用集成电路 UC3844 作 PWM 控制器，可直接驱动 MOSFET 功率场效应管。通过与直流可调电源、负载配合，可展示电路原理、各点波形测试、输入电压和负载改变时的波形变化和性能测试等项目。
升、降压与复合斩波电路：通过 PWM 控制器与两个 IGBT 三极管、两个二极管的简单连接，配以发电机、电动机的组合负荷，利用双踪示波器可展示降压电路的第一象限电压 - 电流图、升压电路的第二象限电压 - 电流图、复合电路的第一、第二象限电压－电流图。同时能展示以上三种状态下的续流、临界断流、断流时的电压、电流波形（改变输入电压、改变 PWM 脉宽、改变负荷电机力矩）。并可简便连接成升、降压与复合电路，由于结构特点，实验还可演示斩波电路电机负荷能耗制动、回馈制动等实验效果。
三相异步电机变频调速控制：针对目前工业用变频器只能观测输入信号及输出结果，无法了解其内部详细工作过程的弊端，开发此实验装置。着重从 “变频原理” 出发，通过实验让学生了解整个变频过程。提供三相正弦波脉宽调制（SPWM）、马鞍波（PWM）、三相空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）三种变频实验方式，面板上设有相应测试点，便于用示波器观测。此外，面板设计有计算机接口，可与计算机联机实验，还预留可编程控制器（PLC）接口。
单相智能功率、功率因数表：由 24 位专用 DSP、16 位高精度 AD 转换器和高速 MPU 单元设计而成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。软件采用 RTOS 设计思路，同时配有 PC 监控软件增强分析能力。能测量电路的功率、功率因数。功率测量精度为 1.0 级，功率因数测量范围 0.3 - 1.0，电压电流量程为 450V 和 5A，能自动判别负载性质（感性显示 “L”，容性显示 “C”，纯电阻不显示），
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