电力电子技术实验装置
电力电子技术实验装置功能详述
一、装置研发背景与概况
该电力电子技术实验装置，严格依照《电力电子技术》以及《半导体变流技术》教材所设定的实验大纲要求，精心打造而成。在研发过程中，广泛吸纳国内外同类产品的先进优势，深入考量当下实验室的实际情形与未来发展趋势。在对原 “电力电子技术及电机控制实验装置” 的外形设计与功能布局进行深度优化组合后，最终成功研制出此款性能卓越的实验装置。
二、适用领域说明
本实验台能够全面覆盖各高等院校所开设的 “电力电子技术”“半导体变流技术” 等专业课程中所要求的各类实验项目。无论是基础的理论验证实验，还是具有一定挑战性的拓展性实验，都能在该实验台上得以顺利开展。
三、关键技术性能指标
输入电源规格：支持三相四线（或三相五线）接入，电压为 380V±10％，频率为 50HZ，能够稳定适配各类常见的供电环境。
工作环境要求：可在温度处于 - 10℃至 + 40℃之间，相对湿度小于 85％（25℃环境下），海拔高度低于 4000m 的条件下稳定运行，具有较强的环境适应性。
装置容量限制：整体功率容量小于 1000W，在保证实验功能的同时，有效控制能耗。
外形尺寸参数：装置外形尺寸为 155×79.5×147cm³，紧凑的设计既不占用过多空间，又能合理布局内部结构，方便操作与使用。
四、核心基本装备介绍
电源控制屏（采用铁质双层亚光密纹喷塑工艺，搭配铝质面板）
交流电源供应（配备过流保护机制）：可输出三相交流电源，规格为 220V/1.5A，为各类交流实验提供稳定可靠的电力支持。
高压直流电源输出：能输出 220V/0.5A 的直流电源，并且具备输出短路保护功能，确保在实验过程中设备及人员的安全。
数字式仪表配置：
交流数字电压表：通过下方波段开关切换，能够精准指示三相电网输入线电压，精度达 1.0 级。
真有效值交流数字电压表：测量范围为 0～500V，量程可自动判断与切换，精度为 0.5 级，三位半数显，主要用于交流调速系统的电压指示。
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，具备超量程告警、指示及切断总电源的功能，为调速系统的电流监测提供保障。
直流数字电压表：测量范围 0～300V，三位半数显，输入阻抗为 10MΩ，精度 0.5 级，用于直流电压的精确测量。
直流数字电流表：测量范围 0～5A，三位半数显，精度 0.5 级，拥有超量程报警、指示及切断总电源等功能，确保直流电流测量的安全与准确。
带镜面指针表配备：
直流电压表：测量范围为 0～±300V，采用中零式设计，精度达 1.0 级。
直流电流表：测量范围 0～±2A，同样为中零式，精度为 1.0 级。
三相可调电阻设置：包含 90Ω×2/0.41A 规格的电阻一个，以及 900Ω×2/0.41A 规格的电阻两个，满足不同实验对电阻值的多样需求。
平波电抗器配置：提供 100mH、200mH、700mH 三种电感值的平波电抗器，在 1A 电流下保持良好的线性特性，有效提升电路的稳定性。
给定电压输出：可输出 ±15V 的可调电压，并带有数字显示功能，实时准确地指示输出电压值。
单相调压装置：配备一只 0～250V/0.5KVA 的单相交流自耦调压器，为相关实验提供可灵活调节的交流电源，同时具备过流保护功能，确保实验安全。
三相整流滤波电路：能够对单相及三相交流电源进行高效整流和滤波处理，并且具备输出短路保护功能，为后续实验提供稳定纯净的电源。
变压器配备：提供一台三相芯式变压器，该变压器拥有 2 套副边绕组，原、副边绕组的电压分别为 127V/63.6V/31.8V，主要用于三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验。
人身安全保护体系：
三相隔离变压器：三相电源首先经过三相漏电保护器，再通过钥匙开关、接触器接入隔离变压器，实现主电路输出与电网的有效隔离（浮地设计），为人身安全构筑起第一道防线。
电压型漏电保护器 1：对隔离变压器前的线路漏电情况进行实时监测与保护，一旦检测到漏电，立即使控制屏内的接触器跳闸，切断电源。
电压型漏电保护器 2：对隔离变压器后的线路以及实验过程中的接线等漏电现象进行全方位保护，及时发出报警信号并切断电源，全力确保人身安全。
电流型漏电保护装置：当控制屏出现漏电且漏电流超过设定值时，迅速切断电源，避免危险发生。
实验连接线及插座：强、弱电连接及插座严格分开，无法混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺，安全可靠，有效防止触电事故的发生。
实验管理器功能：具备设定实验时间、定时报警以及切断电源等实用功能。同时，还能够自动记录并区分由于接线不当或操作失误所引发的漏电告警、仪表超量程告警等情况，为实验的有序进行提供有力保障。
控制屏其他设施：控制屏正面的大凹槽内设置有两根方型不锈钢管，方便挂置实验部件。凹槽底部配备 7 芯、3 芯等插座，为挂件提供稳定的供电。控制屏两侧分别设有单相三极 220V 电源插座及三相四极 380V 电源插座，满足不同设备的用电需求。
实验桌设计：实验桌采用铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面选用防火、防水、耐磨的高密度板，结构坚固稳定，整体呈长方体造型，美观大方。设有两个大抽屉，可用于存放工具、挂件以及实验资料等物品。桌面主要用于安装电源控制屏，并为实验操作提供宽敞舒适的工作空间。此外，实验桌还配备了四个万向轮和四个固定调节机构，便于灵活移动和稳固固定，有助于实验室的合理布局规划。同时，还贴心地配有示波器搁板，方便放置示波器等实验仪器。
三相可控整流电路（一）：提供 6 只 5A/1000V 的晶闸管，每只晶闸管均配备 RC 吸收和保险丝保护装置，极大地提高了晶闸管的工作稳定性和安全性。晶闸管可通过外加触发信号进行触发（预留触发脉冲输入接口），为开展设计性实验提供了便利条件。三相触发电路由 KC04、KC41、KC42、4066 等集成电路构成，可通过钮子开关灵活选择双窄脉冲或宽脉冲，同时还提供六路触发脉冲功放电路，确保触发信号的稳定与可靠。
晶闸管触发电路（一）：可进行单结晶体管触发电路实验以及锯齿波同步移相触发电路实验，帮助学生深入理解晶闸管触发的基本原理和实现方式。
晶闸管触发电路（二）：提供正弦波同步移相触发电路实验、单相交流调压触发电路实验以及单相并联逆变触发电路实验共三种实验项目，进一步拓展学生对晶闸管触发技术的认知与应用能力。
功率器件驱动与保护电路（一）：主要为完成新器件特性实验提供所需的电源、驱动电路以及 PWM 波形发生器。
电源供应：为驱动电路提供 ±5V、±15V 和 + 20V 的直流电源，满足不同功率器件的驱动需求。
驱动电路配置：包含 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路。其中 IGBT 的驱动电路采用专用芯片 EXB841，其他驱动电路则由运放、门电路及分立元件组成，确保对不同功率器件的有效驱动。
PWM 波形发生器：以 SG3525 为核心的 PWM 波形发生器，主要为新器件驱动电路提供 PWM 驱动波形。可通过频率调节旋钮精准调节频率，通过占空比电位器灵活调节 PWM 波的占空比。频率范围分为 2 挡，通过钮子开关进行切换。高频档（4KHz～10KHz）主要为 MOSFET 和 IGBT 驱动电路提供 PWM 波形，低频档（400Hz～1KHz）则为 GTR 和 GTO 驱动电路提供 PWM 波形，且占空比可在 0% 至 100% 的范围内自由调节。
功率器件驱动与保护电路（二）：提供 GTO 和 GTR 的驱动保护电路，PWM 信号和直流电源均从 PE14 上获取，为 GTO 和 GTR 器件的实验提供了完善的驱动与保护支持。
单相交直交变频原理实验模块：依据普通高等教育 “九五” 重点教材王兆安、黄俊主编的《电力电子技术》（第四版）的相关内容进行精心开发。该模块主要用于展示交直交变频原理，帮助学生深入了解 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和使用方式。通过该模块，可完成以下实验项目：
SPWM 波形成的详细过程实验。
研究交直交变频电路在不同负载（电阻、电感或电机）条件下的工作情况和波形变化，并探究工作频率对电路工作波形的影响。
深入分析 IGBT 管专用集成驱动芯片的工作特性。
DC/DC 变换电路实验模块：提供了 DC/DC 变换电路实验所需的主电路和控制电路。电力电子器件选用 IGBT，控制电路采用 PWM 控制集成电路 SG3525，挂箱面板上还贴心地设置了所需的观测孔，方便学生进行电路观测与分析。
半桥型开关稳压电源实验模块：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，并采用恒频脉宽调制控制方案。通过该模块，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，让学生全面了解半桥型开关稳压电源的工作原理与性能特点。
直流斩波实验模块：根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) 中的相关内容进行设计。该模块提供组成直流斩波电路所需的全部元器件，并采用专用的 PWM 控制集成电路 SG3525。通过该模块，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，帮助学生系统掌握直流斩波技术。
斩控式交流调压电路实验模块：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）中的相关内容进行设计，采用全控型器件 IGBT 管实现 “斩控式交流调压实验”，让学生深入了解交流调压的先进技术与实现方式。
单相交流调压 / 调功电路实验模块：根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）中的相关内容进行设计，能够实现单相交流调压和交流调功的实验内容。采用的电力电子器件为双向晶闸管，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，为学生提供了丰富的实验手段来研究单相交流调压与调功技术。
单端反激式隔离开关电源实验模块：输入交流电压范围为 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发生变化时，输出电压的变化率小于 0.3%，具有良好的稳定性和可靠性。
PS - ZVS - PWM 软开关技术实验模块：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，帮助学生探索软开关技术的前沿知识。
整流电路有源功率因数校正实验模块：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。通过适当的连线，可完成以下实验项目：
无滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试实验。
有滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试实验。
整流电路有源功率因数校正的测试实验。
控制电路的波形测试，以及功率栅极控制信号观察实验。
整流电路有源功率因数校正电路的性能测试实验。
实验元器件配备：提供晶闸管（均设有 RC 吸收和保险丝保护）、压敏电阻（作为过压保护元件，内部已连成三角形接法）、二极管及灯座、RC 吸收电路等丰富的实验元器件，满足各类实验的需求。
单端电流反馈他激式隔离开关电源实验模块：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、负载的配合，可展示电路原理，进行各点波形测试，以及研究输入电压和负载改变时的波形变化和性能测试等项目，为学生深入理解相关电路提供了有力支持。
升、降压与复合斩波电路实验模块：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，利用双踪示波器能够清晰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，还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（通过改变输入电压、改变 PWM 脉宽、改变负荷电机力矩等方式）。并且可简便地连接成升、降压与复合电路，由于其独特的结构特点，该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，让学生全面了解斩波电路的工作特性。
三相可控整流电路（二）：提供 6 只 5A/1000V 的晶闸管，每只晶闸管均设有 RC 吸收和保险丝保护装置，晶闸管可通过外加触发信号进行触发（留有触发脉冲输入接口），有利于更好地完成设计性实验。三相触发电路由专用晶闸管新型集成触发电路 Tc787 组成，充分体现了现代晶闸管触发技术的应用成果；同时还提供六路触发脉冲功放电路等，确保触发的稳定性和可靠性。
晶闸管触发电路（三）：由西门子专用晶闸管集成触发电路 Tca785 组成，可完成单相集成触发电路实验，展现了现代晶闸管触发技术的先进性和实用性。
单相智能功率、功率因数表：由微电脑、高精度 A/D 转换芯片和全数显电路构成。通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。在硬、软件上均划分为八档区域，能够自动判断、自动换档，功率测量精度达 1.0 级，电压、电流量程分别为 450V、5A，并且还可储存数据，方便随时查阅，为实验数据的测量与分析提供了极大的便利。
不锈钢电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表：配备不锈钢电机导轨、光码盘测速系统（采用日本欧姆龙 1024 光电编码器）以及数显转速表，为电机相关实验提供了精确的速度测量与监测手段。
直流复励发电机：提供直流复励发电机，为相关电力电子实验提供稳定的直流电源输出。
直流并励电动机：配备直流并励电动机，用于开展电机控制与电力电子相关的综合性实验。
单相电阻启动异步电动机：提供单相电阻启动异步电动机，丰富了实验的电机类型，满足不同实验需求。
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