海軍航空大學青島校區-TWDD-1型 電力電子技術及電機控製實驗裝置

一、概述

“TWDD-1型電力電子技術及電機控製實驗裝置”依據高等院校新統編教材《電力電子技術》(第四版)(西安交通大學王兆安編著)、《電力拖動自動控製係統》（第三版）(上海大學陳伯時編著)等實驗大綱的要求，吸收國內、外同類產品的優點，考慮了實驗室的現狀和發展趨勢，研製而成。在同類產品中結構合理、功能完善、可靠性好、性價比高。

二、特點
1、綜合性強 本裝置綜合了目前國內各類學校電力電子、半導體變流、交直流調速、交流變頻、電機控製、控製理論等實驗項目。
2、適應性強 能滿足各類學校相應課程的實驗教學，深度和廣度可根據需要作靈活調整，普及與提高可根據教學的進程作有機的結合，裝置采用積木式結構，更換便捷，如需要擴展功能或開發新實驗，隻需添加部件即可。
3、整套性強 從專用電源、電機及其它實驗部件到實驗連接專用導線配套齊全，配套部件的性能、規格等均密切結合實驗的需要進行配套。
4、直觀性強 各實驗掛件采用分隔結構形式，組件麵板示意、圖線分明，各掛件任務明確，操作、維護方便。
5、科學性強 裝置占地麵積少，節約實驗用房，減少基建投資；配套的小電機均經特殊設計，可模擬中小型電機的特性和參數；小電機耗電省，節約能源，實驗噪聲小，整齊美觀，改善實驗環境；實驗內容豐富，設計合理，除了加深理論知識外還可結合實際開設設計性實驗。
6、開放性強 控製屏供電采用三相隔離變壓器隔離，並設有電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保護裝置，確保操作者的安全；各電源輸出均有監示及短路保護等功能，各測量儀表均有可靠的保護功能，使用安全可靠；控製屏還設有定時器兼報警記錄儀，為學生實驗技能的考核提供一個統一的標準。由於整套裝置經過精心設計，加上可靠的元器件質量及可靠的工藝作為保障，產品性能優良，所有這些均為開放性實驗室，創造了條件。
7、先進性強 本裝置著重從新器件高度來考慮，在保留了晶閘管實驗的基礎上，加入了新器件的特性、新器件的驅動以及典型的新器件應用的大量現代電力電子技術實驗，讓學生對新器件有足夠的認識和了解，緊跟時代步伐。
三、適用範圍
本裝置涵蓋了各高等院校等所開設的“電力電子技術(或稱半導體變流技術)”、“直流調速”、“交流調速”、“電機控製”、“電力拖動自動控製係統”及“控製理論”等專業課程所要求的實驗項目。
四、技術性能
1、輸入電源: 三相四線(或三相五線 380V±10％ 50HZ)
2、工作環境: 溫度-10℃－+40℃　相對濕度＜85％（25℃） 海撥＜4000m
3、裝置容量：＜1.5KVA
4、外形尺寸：187.3×72.5×162.2 cm3
五、裝置的基本裝備
1、DK01電源控製屏（鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，鋁質麵板）
（1）交流電源（均帶有過流保護措施）
提供交流電源：直流調速檔為三相交流電 200V/3A
交流調速檔為三相交流電 240V/3A
（2）高壓直流電源
勵磁電源：220V（0.5A），具有輸出短路保護。

（3）數字式儀表
1．交流數字電壓表：可通過其下方的波段開關切換指示三相電網輸入線電壓，精度1.0級；
2．真有效值交流數字電壓表一隻：測量範圍0～500V，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，三位半數顯，為交流調速係統提供電壓指示；
3．真有效值交流數字電流表一隻：測量範圍0～5A，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，三位半數顯，具有超量程告警、指示及切斷總電源功能，為調速係統提供電流的指示；
4．直流數字電壓表一隻：測量範圍0～300V，三位半數顯，輸入阻抗為10MΩ，精度0.5級，為可逆調速係統提供電壓指示；
5．直流數字電流表一隻：測量範圍為0～5A，三位半數顯，精度0.5級，具有超量程報警、指示、切斷總電源等功能，為可逆調速係統提供電流指示。

（4）人身安全保護體係
三相隔離變壓器一組：三相電源首先通過三相漏電保護器，然後經鑰匙開關、接觸器到隔離變壓器，使輸出與電網隔離（浮地設計），對人身安全起到保護作用。
電壓型漏電保護器1：對隔離變壓器前的線路出現的漏電現象進行保護，使控製屏內的接觸器跳閘，切斷電源。
電壓型漏電保護器2：對隔離變壓器後的線路及實驗過程中的接線等出現的漏電現象進行保護，發出報警信號並切斷電源，確保人身安全。
電流型漏電保護裝置：控製屏若有漏電現象，漏電流超過一定值，即切斷電源。
實驗連接線及插座：強、弱電連接及插座分開，不能混插。強電連接線及插座采用全封閉工藝，使用安全、可靠、防觸電。
（5）實驗管理器
具有設定實驗時間、定時報警、切斷電源等功能；還可以自動記錄與區分由於接線或操作錯誤所造成的漏電告警、儀表超量程告警等。
（6）控製屏其它設施
控製屏正麵大凹槽內，設有兩根不鏽鋼管，可掛置實驗部件，凹槽底部設有12芯、10芯、4芯、3芯等插座， 掛件的供電由這些插座提供。控製屏兩邊設有單相三極220V電源插座及三相四極380V電源插座，還設有實驗台照明用的40W日光燈一盞。
2、DK02實驗桌
實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌麵為防火、防水、耐磨高密度板,結構堅固，形狀似長方體封閉式結構，造形美觀大方；設有兩個大抽屜、櫃門，用於放置工具、存放掛件及資料等。桌麵用於安裝電源控製屏並提供一個寬敞舒適的工作台麵。實驗桌還設有四個萬向輪和四個固定調節機構，便於移動和固定，有利於實驗室的布局。
3、DQ03－1不鏽鋼電機導軌、光碼盤測速係統（日本歐姆龍1024光電編碼器）及數顯轉速表
4、DQ27三相可調電阻（每組900Ω×2/0.41A）
5、DK03晶閘管主電路
提供12隻5A/1000V的晶閘管，分成正、反橋兩組，每隻晶閘管均設有保護裝置，正、反橋晶閘管可通過外加信號進行觸發（留有觸發脈衝輸入接口），可完成設計性實驗；設有帶鏡麵精密指針式直流電壓表±300V，精度1.0級帶鏡麵直流電流表±2A，精度1.0級各一隻和平波電抗器一組。
6、DK04三相晶閘管觸發電路
提供三相觸發電路、功放電路等，與“DK03”配套使用。
7、DK05晶閘管觸發電路實驗
提供單結晶體管觸發電路、正弦波同步移相觸發電路、鋸齒波同步移相觸發電路、單相交流調壓觸發電路及單相並聯逆變觸發電路共五種觸發電路。
8、DK06電機調速控製實驗（Ⅰ）
提供以下模塊：電流反饋與過流保護（FBC+FA）、給定器（G）、轉速變換器（FBS）、速度調節器（ASR）、反號器（AR）、電流調節器（ACR）、轉矩極性鑒別（DPT）、零電平檢測（DPZ）及邏輯控製器（DLC）。
9、DK07直流斬波電路
主要由斬波器觸發電路及斬波主電路兩大部分組成。
10、DK08給定及實驗器件
提供給定（±15V可調電壓輸出）、壓敏電阻（作為過壓保護元件，內部已連成三角形接法）、二極管、24V電源及電感。
11、DK09新器件特性實驗
提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，與DJK06配套使用，可測定其特性曲線；與DJK12配套使用，可完成電力電子新器件的驅動特性實驗。
12、DK10可調電阻、電容箱
提供耐壓AC63V的可調電容三組，調節範圍為0.1～11.37uF，0～999KΩ十進製可調電阻兩組。
13、DK11單相調壓與可調負載
提供了一隻0～250V/0.5KVA單相交流自耦調壓器，為相應的實驗提供可調電源；一個整流濾波電路以及0～90Ω/1.3A（串聯）或0～45Ω/2.6A（並聯）瓷盤可調電阻，為相應的實驗提供一個可調的阻性負載。
14、DK12變壓器實驗
提供三相芯式變壓器一個（該變壓器有2套副邊繞組，原、副邊繞組的電壓為127V/63.6V/31.8V），用於異步電機串級調速實驗和三相橋式、單相橋式有源逆變電路實驗；還設有三相不控整流電路和逆變變壓器各一組。
15、DK13功率器件驅動電路實驗箱
主要是為完成新器件特性實驗提供驅動和保護電路，使學生了解電力電子新器件的驅動特性。主要包括電源、驅動電路、PWM波形發生器。
（1）電源：為驅動電路提供電源，包括±5V、+20V、±15V直流電源。
（2）驅動電路：包括MOSFET、IGBT、GTR和GTO的驅動電路。其中IGBT的驅動電路采用了專用芯片EXB841。
（3）PWM波形發生器：由SG3525為核心的PWM波形發生器主要為新器件驅動電路提供PWM驅動波形；可以通過頻率調節旋鈕進行頻率調節；通過占空比電位器來調節PWM波的占空比；頻率範圍分為2擋，通過鈕子開關切換，高頻檔是為MOSFET和IGBT驅動電路提供PWM波形，頻率調節範圍4KHz～10KHz；低頻檔是為GTR和GTO驅動電路提供PWM波形，頻率調節範圍400Hz～1KHz；占空比均能從0%調至100%。
16、DK14單相交直交變頻原理
根據普通高等教育“九五”重點教材，王兆安、黃俊主編的《電力電子技術》(第四版)的相關內容進行開發，用於展示交直交變頻原理，主要讓學生了解SPWM正弦波脈寬調製信號的形成方法，了解IGBT管專用集成驅動芯片的特點及其使用。能完成如下實驗項目：1、SPWM波形成的過程；2、交直交變頻電路在不同負載（電阻，電感和電機）時的工作情況和波形，並研究工作頻率對電路工作波形的影響；3、IGBT管專用集成驅動芯片的工作特性。
17、DK15自控原理實驗
提供穩壓電源、交/直流數字電壓表、低頻函數信號發生器、六位數顯頻率計、階躍信號發生器及典型的控製環節（比例環節、慣性環節、積分環節、超前滯後校正環節，還可以組成微分、延遲等各種電路）等。
18、DK16自控原理實驗
提供穩壓電源、階躍信號發生器、典型的控製環節（比例環節、慣性環節、積分環節、超前滯後校正環節，還可以組成微分、延遲等各種電路）及自由布線區（以便自由組合實驗線路進行實驗）
19、DK17雙閉環H橋DC/DC變換直流調速係統
通過對四個橋臂上IGBT管的觸發控製，來實現對可逆直流他勵電機進行調速的目的，主要由三大部分組成，即主回路部分、控製電路部分和調節部分。主回路由直流電源、四種IGBT管組成；控製回路部分由專用芯片產生PWM脈衝波，PWM波脈衝發生器產生的四路控製脈衝，分別驅動四個橋臂的IGBT管；調節部分由兩個PI調節器組成，並通過速度環、電流環構成的反饋回路使電機的轉速穩定運行在給定的轉速下。本實驗箱可完成的實驗項目有：（1）、全橋DC/DC變換電路實驗（2）、雙閉環可逆直流脈寬調速實驗。
20、DK18電機調速控製實驗（Ⅱ）
提供以下模塊：觸發選擇器（TS）、絕對值放大器（GAB）、電流符號選擇器（CSS）、電壓調節器（AVR）、零速封鎖器（DZS）及電壓隔離器（TVD）。與“DK06”配合使用完成“三閉環錯位選觸無環流可逆直流調速係統實驗”。
21、DK19半橋型開關穩壓電源
提供了半橋型開關穩壓電源的主電路和控製電路，主電路中的電力電子器件為電力MOSFET管；控製電路采用專用PWM控製集成電路SG3525，采用恒頻脈寬調製控製方案。可完成“開關電路在開環與閉環下負載特性的測試”以及“電源電壓波動對輸出的影響”等實驗內容。
22、DK20直流斬波實驗
根據西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術》(第四版)中相關的直流斬波內容而設計的；提供組成直流斬波電路所需的元器件和采用專用的PWM控製集成電路SG3525。可完成教材中降壓斬波電路（Buck Chopper）、升壓斬波電路（Boost Chopper）、升降壓斬波電路（Boost -Buck Chopper）、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路六種典型實驗。
23、DK21斬控式交流調壓電路
根據西安交大王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術》(第四版)中相關的內容而設計的，采用全控型器件IGBT管實現“斬控式交流調壓實驗”。
24、DK22單相調壓/調功電路
根據西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的相關內容而設計的，實現
單相交流調壓和交流調功的實驗內容。采用的電力電子器件為雙向晶閘管，在交流調壓實驗中采用由雙向觸發二極管構成觸發控製電路；在交流調功實驗中采用由555時基電路組成觸發控製電路。
25、DK23單端反激式隔離開關電源
輸入交流電壓範圍為50V～200V，輸出為三組直流電源，分別為+5V、5A；+12V、1A；-12V、1A，在輸入交流電壓和直流輸出負載變化時輸出電壓的變化率小於0.3%。
26、DK24　PS-ZVS-PWM軟開關技術
主要包括H橋電路、控製電路和穩壓反饋電路。用於展現移相零電壓開關的電路結構和工作原理。H橋電路有四隻MOSFET管組成，控製電路采用全橋軟開關電源移相PWM控製芯片UCC3895和驅動芯片HIP4081，穩壓反饋電路由TL431等元件組成。
27、DK25整流電路有源功率因數校正
主要有整流電路、升壓變換器、控製電路三部分組成。控製電路采用功率因數控製芯片UCC3817N和外圍元器件組成,最大輸出功率為100W（200V±5%，0.5A），工作頻率為100KHz。采用模塊化設計，通過適當的連線可以完成下列實驗項目：
(1) 無濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試
(2) 有濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試
(3) 整流電路有源功率因數校正的測試
(4) 控製電路的波形測試，功率柵極控製信號觀察
(5) 整流電路有源功率因數校正電路的性能測試
28、DK26單端電流反饋他激式隔離開關電源
采用專用集成電路UC3844作PWM控製器，可直接驅動MOSFET功率場效應管。通過與直流可調電源、負載的配合可展示電路原理，各點波形測試，輸入電壓和負載改變時的波形變化和性能測試等項目。
29、DK27升、降壓與複合斬波電路
通過PWM控製器與兩個IGBT三極管，兩個二極管的簡單聯結，配以發電機、電動機的組合負荷，用雙蹤示波器能展示降壓電路的第一象限電壓-電流圖，升壓電路的第二象限電壓-電流圖，複合電路的第一、第二象限電壓－電流圖。同時能展示以上三種狀態下的續流、臨界斷流、斷流時的電壓、電流波形(改變輸入電壓、改變PWM脈寬、改變負荷電機力矩)。並可簡單的聯結成升、降壓與複合電路，由於結構上的特點，實驗還可演示斬波電路電機負荷能耗製動、回饋製動等的實驗效果。
30、DK28三相異步電機變頻調速控製
針對目前工業用變頻器隻能對輸入信號及輸出的結果進行觀測，無法得知其內部的詳細工作過程的缺點，開發本實驗裝置，著重從“變頻原理”出發，通過實驗讓學生了解整個變頻的過程。
提供三相正弦波脈寬調製（SPWM）、馬鞍波（PWM）、三相空間電壓矢量脈寬調製（SVPWM）三種變頻實驗方式，麵板上設有相應的測試點，可方便地用示波器進行觀測。此外，麵板上設計有計算機接口，可與計算機聯機進行實驗，還留有可編程控製器（PLC）接口。
31、DK29單相智能功率、功率因數表
由24位專用DSP、16位高精度AD轉換器和高速MPU單元設計爾成，通過鍵控、數顯窗口實現人機對話功能控製模式。軟件上采用RTOS設計思路，同時配有PC監控軟件來加強分析能力。能測量電路的功率、功率因數。功率測量精度為1.0級，功率因數測量範圍0.3-1.0，電壓電流量程為450V和5A，能自動判別負載性質（感性顯示“L”，容性顯示“C”，純電阻不顯示），並可存儲測量數據，供隨時查閱。
32、DQ07-1直流發電機(220W)
33、DQ09直流並勵電動機
34、DQ11三相線繞式異步電動機
35、DK30線繞式異步電機轉子專用箱
36、DQ17單相電阻啟動異步電動機
37、DQ20三相鼠籠異步電動機
38、實驗連接線：根據不同實驗項目的特點，配備兩種不同的實驗聯接線，強電部分采用高可靠護套結構手槍插連接線（不存在任何觸電的可能），裏麵采用無氧銅抽絲而成頭發絲般細的多股線，達到超軟目的，外包丁晴聚氯乙烯絕緣層，具有柔軟、耐壓高、強度大、防硬化、韌性好等優點，插頭采用實芯銅質件外套鈹輕銅彈片，接觸安全可靠；弱電部分采用彈性鈹輕銅裸露結構聯接線，兩種導線都隻能配合相應內孔的插座，這樣大大提高了實驗的安全及合理性。

六、本裝置能開設的實驗項目（所列器材全部配置時）

（一）電力電子技術實驗項目

1．單結晶體管觸發電路

2．正弦波同步移相觸發電路實驗

3．鋸齒波同步移相觸發電路實驗

4．單相半波可控整流電路實驗

5．單相橋式半控整流電路實驗

6．單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗

7．三相半波可控整流電路實驗

8．三相橋式半控整流電路實驗

9．三相半波有源逆變電路實驗

10．三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗

11．單相並聯逆變電路實驗

12．單相交流調壓電路實驗

13．單相交流調功電路實驗

14．三相交流調壓電路實驗

15．直流斬波電路原理實驗

16．單向晶閘管（SCR）特性實驗

17．可關斷晶閘管（GTO）特性實驗

18．功率場效應管（MOSFET）特性實驗

19．電力晶體管（GTR）特性實驗

20．絕緣雙極型晶體管（IGBT）特性實驗

21．可關斷晶閘管（GTO）驅動與保護電路實驗

22．功率場效應管（MOSFET）驅動與保護電路實驗

23．電力晶體管（GTR）驅動與保護電路實驗

24．絕緣雙極型晶體管（IGBT）驅動與保護電路實驗

（二）典型電力電子器件線路實驗
1．單相正弦波脈寬調製（SPWM）逆變電路實驗
2．全橋DC/DC變換電路實驗
3．半橋型開關穩壓電源的性能研究
4．單端反激式隔離開關電源實驗
5．單端電流反饋他激式隔離開關電源實驗
6．直流斬波電路的性能研究（降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波的電路、Cuｋ斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路）
7．升、降壓與複合斬波電路實驗
8．單相斬控式交流調壓電路實驗
9．整流電路有源功率因數校正實驗
10．軟開關技術實驗
（三）直流電機調速實驗
1．晶閘管直流調速係統參數和環節特性的測定實驗
2．晶閘管直流調速係統主要單元的調試
3．單閉環不可逆直流調速係統實驗
4．雙閉環不可逆直流調速係統實驗
5．邏輯無環流可逆直流調速係統實驗
6．三閉環錯位選觸無環流可逆直流調速係統實驗
7．雙閉環控製的直流脈寬調速係統（H橋、IGBT）
（四）變頻原理實驗
1．三相正弦波脈寬調製（SPWM）變頻原理實驗
2．三相馬鞍波（三次諧波注入）脈寬調製變頻原理實驗
3．三相空間電壓矢量SVPWM變頻原理實驗
4．SPWM調製方式下V/F曲線測定
5．馬鞍波調製方式下V/F曲線測定
6．空間電壓矢量調製方式下V/F曲線測定
7．不同的變頻模式下磁通軌跡觀測實驗
（五）交流電機調速係統實驗
1．雙閉環三相異步電機調壓調速係統實驗
2．雙閉環三相異步電機串極調速係統實驗
3．單相正弦波脈寬調製SPWM變頻調速係統實驗
4．三相正弦波脈寬調製（SPWM）變頻調速係統實驗
——可聯計算機進行實驗，還留有可編程控製器（PLC）接口
5．三相馬鞍波脈寬調製變頻調速係統實驗
——可聯計算機進行實驗，還留有可編程控製器（PLC）接口
6．三相空間電壓矢量SVPWM變頻調速係統實驗
——可聯計算機進行實驗，還留有可編程控製器（PLC）接口
(六) 自控原理實驗項目

1．控製係統典型環節的模擬

2．一階係統的時域響應及參數測定

3．二階係統的瞬態響應分析

4．三階係統的瞬態響應及穩定性分析

5．PID控製器的動態性能

6．控製係統的動態校正

7．典型環節頻率特性的測試

8．線性係統頻率特性的測試

9．信號的采樣與恢複

10．典型的非線性環節的模擬

11．非線性係統的相平麵分析

七、裝置的結構和價格：

注：*為基本配置選擇項，其他項目根據學校需要完成的實驗內容自行選擇。