SBDLZ-780D电力电子运动控制电机控制实验装置
一、概述
电力电子运动控制及电机控制实验装置主要承担《电力电子》《运动控制系统》等课程的实验教学、课程设计及毕业设计等任务。开设的实验包括基础性、综合性、设计性实验，旨在帮助学生加深巩固对所学电力电子技术、运动控制系统等课程理论知识的理解，培养学生独立思考和分析问题的能力，提高实际动手和设计能力。
电力电子运动控制及电机控制实验平台《电机学》以电力拖动系统中应用最广泛的电机及电力拖动为研究对象，对各种电机的原理、结构及其特性进行介绍，在此基础上结合实际的拖动系统介绍构建电力拖动系统的方法、内容，并通过实验验证原理，增强学生的动手能力和实践技巧，培养学生的系统观点及分析和解决问题的能力。针对该课程，可开设并励直流发电机实验、他励直流电动机工件特性实验、变压器的空载及短路试验和三相异步电动机工作特性实验等实验项目。电力电子运动控制及电机控制实验设备是电气工程及其自动化专业培养方案中的专业课，课程围绕工业常用的直流调速系统、交流调速系统等两个方面展开教学，使学生掌握交直流调速系统的组成、原理、工作特性等相关理论知识。针对该课程，可开设直流开环/单闭环/双闭环等实验项目。
(图1：实验设备结构参考图，具体以实物配置为准）
(图2：部分实验挂件及电机实物图片展示）
二、特点
1.综合性强：本装置综合了目前国内各类学校电力电子、半导体变流、交直流调速、交流变频、电机控制、控制理论等实验项目。
2.适应性强：能满足各类学校相应课程的实验教学，深度和广度可根据需要作灵活调整，普及与提高可根据教学的进程作有机的结合，装置采用积木式结构，更换便捷，如需要扩展功能或开发新实验，只需添加部件即可，永不淘汰。
3.整套性强：从专用电源、电机及其它实验部件到实验连接专用导线配套齐全，配套部件的性能、规格等均密切结合实验的需要进行配套。
4.直观性强：各实验挂件采用分隔结构形式，组件面板示意、图线分明，各挂件任务明确，操作、维护方便。
5.科学性强：装置占地面积少，节约实验用房，减少基建投资；配套的小电机均经特殊设计，可模拟中小型电机的特性和参数；小电机耗电省，节约能源，实验噪声小，整齐美观，改善实验环境；实验内容丰富，设计合理，除了加深理论知识外还可结合实际开设设计性实验。
6.开放性强：控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，并设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，确保操作者的安全；各电源输出均有监示及短路保护等功能，使用安全可靠；由于整套装置经过精心设计，加上可靠的元器件质量及可靠的工艺作为保障，产品性能优良，所有这些均为开放性实验室，创造了条件。
7.先进性强：本装置着重从新器件高度来考虑，在保留了晶闸管实验的基础上，加入了新器件的特性、新器件的驱动以及典型的新器件应用的大量现代电力电子技术实验，让学生对新器件有足够的认识和了解，紧跟时代步伐。
三、适用范围：电力电子运动控制及电机控制实验装置涵盖了各高等院校等所开设的“电力电子技术(或称半导体变流技术)”、“直流调速”、“交流调速”、“电机控制”、“电力拖动自动控制系统”及“控制理论”等专业课程所要求的实验项目。
四、技术性能
1.输入电源: 三相四线(或三相五线 380V±10％ 50HZ)
2.工作环境: 温度-10℃－+40℃ 相对湿度＜85％（25℃） 海拨＜4000m
3.装置容量：＜1.5KVA
4.外形尺寸：180×70×160 cm3
五、电力电子运动控制及电机控制实验装置的基本装备
1.DK01电源控制屏（铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板）
（1）交流电源（带有过流保护措施）
提供交流电源：三相交流电220V/3A，采用安全隔离变压器输出，带有短路保护措施。三相同步变压器一组，电压AC380V//3*15V 。
（2）高压直流电源：励磁电源：220V（0.5A），具有输出短路保护。
（3）指示及测量仪表
（4）交流数字电压表1只：可通过其下方的波段开关切换指示三相电网输入线电压；
（5）智能交流电压表1只:测量范围：0-1000V,设置1V/10V/100V/1000V四量程，六位数码显示测量值。仪表采用现代化技术，数码中文显示，具备智能化、数字化，上位机通讯功能，通过按键能够对仪表进行设置操作,量程手动、自动切换模式、校准、调零、滤波级数设置、通信地址设置、超量程自动报警提示及保护等功能。硬件部分整体性强，集成度高，采用表贴工艺制作，工业塑料外壳，面板嵌入安装，使用稳定，容易更换和升级维护。
（6）智能交流电流表1只：测量范围：0-5A,?设置10mA/500mA/5A三档量程，六位数码显示测量值。仪表采用现代化技术，数码中文显示，具备智能化、数字化，上位机通讯功能，通过按键能够对仪表进行设置操作,量程手动、自动切换模式、校准、调零、滤波级数设置、通信地址设置、超量程自动报警提示及保护等功能。硬件部分整体性强，集成度高，采用表贴工艺制作，工业塑料外壳，面板嵌入安装，使用稳定，容易更换和升级维护。
（7）直流数字电压表一只：测量范围0～500V，三位半数显，输入阻抗为10MΩ，精度0.5级，为调速系统提供电压指示；
（8）直流数字电流表一只：测量范围为0～5A，三位半数显，精度0.5级，为调速系统提供电流指示。
（9）人身安全保护体系
1）三相隔离变压器一组：三相电源首先通过三相漏电保护器，然后经钥匙开关、接触器到隔离变压器，使输出与电网隔离（浮地设计），对人身安全起到一定的保护作用。
2）电流型漏电保护装置：控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。
3）实验连接线及插座：强、弱电连接及插座分开，不能混插。
4）强电连接线及插座采用全封闭工艺，使用安全、可靠、防触电。
（10）控制屏其它设施：控制屏正面大凹槽内，设有两根钢管，可挂置实验部件，凹槽底部设有3芯插座， 挂件的供电由这些插座提供。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，还设有实验台照明用的40W日光灯一盏。
（11）实验室智慧用电安全控制系统：智能电源管理系统具有过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定；电源具有一键锁定功能，处理故障时，防止漏电保护器合闸，造成触电危险；电源具有故障锁定功能，发生故障导致跳闸时，不能人为上电，只能通过远程清除故障后，才能上电成功；能通过无线4G和有线以太网与手机APP和PC端云平台通讯，没有网络的情况下，教室整套智能电源管理系统可离线独立运行。
1）智能终端：智能电源管理系统以32位ARM为核心，采用4.3寸彩色触摸屏为人机交互界面，实时监控设备运行情况，提供Zigbee、CAN等多种通信模式，具备语音播报功能。能实时监测三相电压、电流、功率，功率因数、频率、电能等参数，液晶触摸屏监测数值。能监控实验室电源的故障类型和故障次数；用户通过刷卡方式请求开启设备，PC端进行授权之后，设备可启动使用，PC端可分时预约设备的启动和停止！设备时间管理包含年月日时间的显示。可设备相应过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定等7大保护功能数值。
2）手机APP：用电状态界面实时显示当前电压、电流、有无功功率、电能、设备温度、漏电电流值等；后台查看报警日志、操作日志、故障日志等。用户可进行远程在线报修，反应设备故障信息，编辑报修情况，后台可进行远程维护，及时跟进，以有效解决用户设备维护。
3）PC端软件：每个设备状态信息显示，具有多个子界面，具有故障分析，用电能效分析、集中管理、个人中心资料管理、用户定位跟踪与信息统计；具有管理员信息修改与权限管理等功能。可一键开启和关闭所有设备，可单独控制每台设备的开关！用电数据界面能智能查找近2年用电数据，设置界面能设置限定电能值、负载值、设备超温值、过欠压值、过欠压恢复时间值等。
2.DK02实验桌:实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，形状似长方体封闭式结构，造形美观大方；设有两个大抽屉、柜门，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个万向轮和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室的布局。
3.DQ03-1固定电机导轨、测速系统及智能数显转速表
4.DQ27三相可调电阻（每组900Ω×2/0.41A）
5.DK03晶闸管主电路:提供12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），可更好的完成设计性实验。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级各一只和平波电抗器一组。
6.DK04三相晶闸管触发电路:提供三相触发电路、功放电路，脉冲变压器等，与“DK03”配套使用。
7.DK05晶闸管触发电路实验:提供单结晶体管、锯齿波同步移向、正弦波同步移向触发电路，KC05单相交流调压，西门子TCA785集成触发电路等。
8.DK06电机调速控制实验（Ⅰ）提供以下模块：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）等。
9.DK06-1 电机调速控制电路（II）提供以下模块：零电平检测（DPZ）、转矩极性鉴别（DPT）、逻辑控制（DLC）。
10.DK07直流斩波实验: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》(第五版)中相关的直流斩波内容而设计的；提供组成直流斩波电路所需的元器件和采用专用的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。
11.DK09新器件特性实验:提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，可完成电力电子新器件特性实验。
12.DK10可调电阻、电容箱:提供耐压AC63V的可调电容三组，调节范围为0.1～11.37μF，0～999kΩ十进制可调电阻两组；供电流调节器，速度调节器反馈回路使用，可灵活改变调节器的放大倍数及积分时间。
13.DK11单相调压与可调负载:提供了一只0～250V/0.5KVA单相交流自耦调压器，为相应的实验提供可调电源；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，为相应的实验提供一个可调的阻性负载。
14.DK12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、副边绕组的电压为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等模块。
15.DK13功率器件驱动与保护电路:主要是为完成新器件特性实验提供电源、驱动电路及PWM波形发生器。
（1）电源：为驱动电路提供电源，包括±5V、±15V和+20V直流电源。
（2）驱动电路：包括GTO 和 GTR， MOSFET和IGBT的驱动电路。其中IGBT的驱动电路采用专用芯片EXB841，其它的由运放、门电路及分立元件组成。
（3）PWM波形发生器：以SG3525为核心的PWM波形发生器主要是为新器件驱动电路提供PWM驱动波形，可以通过频率调节旋钮进行频率调节；通过占空比电位器来调节PWM波的占空比。频率范围分为2挡，通过钮子开关切换，高频档是为MOSFET和IGBT驱动电路提供PWM波形，频率调节范围4KHz～10KHz；低频档是为GTR和GTO驱动电路提供PWM波形，频率调节范围400Hz～1KHz；占空比可从 0%调至100%。
16.DK14单相交直交变频原理:根据普通高等教育"九五"国家级重点教材王兆安，黄俊主编的《电力电子技术》（第四版）的内容进行开发。用于展示交直交变频原理，主要让学生了解SPWM正弦波脉宽调制信号的形成方法，了解IGBT管专用集成驱动芯片的特点及其使用，能完成如下实验项目：
（1）SPWM波形成的过程；
（2）交直交变频电路在不同负载（电阻，电感）时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响；
（3）IGBT管专用集成驱动芯片的工作特性。
17.DK17双闭环H桥DC/DC变换直流脉宽调速系统：通过对四个桥臂上IGBT管的触发控制，来实现对可逆直流他励电机进行调速的目的，主要由三大部分组成，即主回路部分、控制电路部分和调节部分。主回路由直流电源、四种IGBT管组成；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，并通过速度环、电流环构成的反馈回路使电机的转速稳定运行在给定的转速下。
本实验箱可完成的实验项目有：
（1）全桥DC/DC变换电路实验
（2）双闭环可逆直流脉宽调速实验。
18.DK19半桥型开关稳压电源:提供了半桥型开关稳压电源的主电路和控制电路，主电路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。
19.DK21斩控式交流调压电路: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》（第五版）相关内容而设计，采用全控型器件 IGBT 管实现 “ 斩控式交流调压实验 ” 。
20.DQ07-1直流复励发电机（Un=DC200V，IN=0.5A，PN=100W，n=1500RPM，绝缘等级E）
21.DQ09直流并励电动机 （Un=DC220V ， IN=1.1A ， PN=185W ， n=1500RPM ，绝缘等级E ）
22.DQ11三相线绕式异步电动机（AC220V，接法 Y，转速 1380RPM，功率100W ,电流0.6A，绝缘等级E）
23.GDQ12线绕式异步电机起动与调速电阻箱:提供0、2、5、15的三相绕线异步电动机转子起动、调速电阻一组。
24.KC06实验连接线：根据不同实验项目的特点，配备两种不同的实验联接线，强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触安全可靠；弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线，两种导线都只能配合相应内孔的插座，这样大大提高了实验的安全及合理性。
★25.透明型电力电子应用创新实训模块：(全室配1套，便于学生对电力电子器件及电路的直观认识）电力电子应用创新实训模块底盒使用190mm×145mm，124mm×145mm两种开模有机透明封闭塑料底盒，模块面板采用蓝色印制电路板PCB工艺，可以直观看到器件的实物及相关的原理图。对于高压电路安装在面板背面，或者通过双圈接线柱引出接口，透过透明底盒能够看到器件实物，方便感性认识。包含三相同步信号电路单元模块、TC787AP三相集成脉冲触发电路模块（设有单双脉冲切换开关，封锁及输出开关，移相电位器等）、六路功率三极管BU406及灌封脉冲变压器隔离的脉冲输出电路，PWM脉冲发生器及四路功率桥功率输出电路、二极管整流电路、四路IGBT功率桥电路及LEM电流传感器检测电路、三相晶闸管整流电路、基于DSP的三相异步电机IPM逆变调速模块电路（矢量控制）、变频调速按键与LED显示电路模块，交流电压检测仪表、交流电流检测仪表、直流电压和电流检测仪表等。
本套件可完成单相半波不控整流电路实训，单相全桥不控整流电路实训，三相晶闸管触发电路实训，三相半波整流电路实训，三相半控桥式整流电路实训，三相桥式整流电路实训，三相交流调压电路实训，DC/DC 全桥IGBT整流电路实训，直流电机H桥IGBT可逆调速电路实训，交流电机矢量变频调速电路实训等。
★ 26.智慧课堂教学互动系统（全室共配1套，用于教师与学生对波形的更深入研究）
（该系统采用一体化设计，要求所有功能集中在一块核心控制器上，不接受采用多种模块拼装，确保使用人员的人身安全及设备安全的性能指标）
功能要求如下：
（1）示波器功能：双通道12位100MSPS实时采样模拟输入通道，输入范围±25V，可通过x10探头扩展到±250V，带宽50MHz；可配置为双通道100MSPS示波器。
（2）信号源功能：双通道函数信号发生器/信号源，可输出正弦、方波、三角波和任意波形，最高支持频率25MHz，频率步进1Hz，波形幅度范围1mVpp?-?10?Vpp，调节步进1mV。
（3）频谱图仪功能：DC-20MHz，可选带宽和窗函数、平均模式。
（4）电源功能：提供一组正负可调输出，输出电压±3V至±15V，调节步进50mV，输出电流700mA，提供输出限流调节和输出电流监测功能；一组固定±5V输出，输出电流700mA/100mA；一组固定3.3V输出，输出电流600mA；所有电源均带有短路保护功能。
（5）波特图分析仪功能：频率范围为1Hz至20MHz。
（6）数字万用表功能：6000读数，3?5/6位，提供交直流电压（0.1mV–36V（安全电压））、交直流电流（0.1uA–10A）、电阻（0.1Ω–40MΩ）、电容（10pF–4000uF）测量。
（7）逻辑分析仪功能，独立16通道，最高采样率100MSPS，支持单次、连续和实时采样模式。
（8）静态输入（与逻辑分析仪复用）功能，16通道，可配置为带译码的4位数码管，或16路LED。
（9）脉冲信号发生器功能，独立16通道，最高刷新率10MSPS，可输出自定义的脉冲序列。
（10）静态输出（与脉冲信号发生器复用）功能，可输出时钟、正负脉冲、单次边沿、电平开关等时序。
六、本装置能开设的实验项目
（一）电力电子技术（晶闸管部分）
1．单结晶体管触发电路
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．西门子TCA785集成触发电路实验
5．单相半波可控整流电路实验
6．单相桥式半控整流电路实验
7．单相桥式全控整流电路实验
8．单相桥式有源逆变电路实验
9．三相半波可控整流电路的研究
10．晶闸管三相半波有源逆变电路的研究
11．三相桥式半控整流电路实验
12．三相桥式全控整流及有源逆变电路实验
13．单相交流调压电路实验
14．三相交流调压电路实验
（二） 电力电子技术（器件特性与驱动保护部分）
1. 单向晶闸管（ SCR ）特性实验
2. 功率场效应管（ MOSFET ）特性实验?
3. 功率晶体管（ GTR ）特性实验?
4. 绝缘双极性晶体管（ IGBT ）特性实验?
5. 功率场效应管（ MOSFET ）驱动与保护电路实验?
6. 功率晶体管（ GTR ）驱动与保护电路实验?
7. 绝缘双极性晶体管（ IGBT ）驱动与保护电路实验?
（三） 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．SPWM单相交直交变频电路的性能研究
3. 半桥型稳压电源的性能研究
4.斩控式交流调压电路?
5. 全桥DC/DC变换
（四） 直流调速实验
1．晶闸管直流调速主要单元的调试
2．不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
3．带电流截止负反馈的转速单闭环不可逆直流调速系统
4．转速，电流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（H桥、IGBT）
（五）交流电机调速系统实验（交流电机运动控制系统）
1．双闭环三相绕线异步电机调压调速系统实验
2．双闭环三相绕线异步电机串极调速系统实验
（六）、电力电子透明元件盒创新实训：本套件可完成单相半波不控整流电路实训，单相全桥不控整流电路实训，三相晶闸管触发电路实训，三相半波整流电路实训，三相半控桥式整流电路实训，三相桥式整流电路实训，三相交流调压电路实训，DC/DC 全桥IGBT整流电路实训，直流电机H桥IGBT可逆调速电路实训，交流电机矢量变频调速电路实训等。
（七）电机与变压器教学仿真软件实验：包括功率电机、控制电机、信号电机和变压器 4 个实训单元。
1.功率电机包括：单相异步电动机、三相异步电动机、直线电机、直流电动机、交直流两用电动机 5 个实训项目。
2.控制电机：包括步进电机、伺服电机、直流无刷电机、开关磁阻电机 4 个实训项目。
3.信号电机：信号电机包括测速发电机、自整角机、旋转变压器 3 个实训项目。
4.变压器：单相变压器、三相变压器、电流互感器、电压互感器、自耦变压器、电焊变压器 6 个实训项目。
5.电力拖动3D仿真教学实训
七、 电力电子运动控制及电机控制实验平台配置清单
|
序号 |
编号 |
名称 |
数量 |
|
1 |
DK01 |
电源控制屏 |
1件 |
|
2 |
DK02 |
实验桌 |
1张 |
|
3 |
DQ03-1 |
电机导轨、测速系统及数显转速表 |
1件 |
|
4 |
DQ27 |
三相可调电阻（每组900Ω*2/0.41A） |
1件 |
|
5 |
DK03 |
晶闸管主电路 |
1件 |
|
6 |
DK04 |
三相晶闸管触发电路 |
1件 |
|
7 |
DK05 |
晶闸管触发电路 |
1件 |
|
8 |
DK06 |
电机调速控制实验（Ⅰ） |
1件 |
|
9 |
DK06-1 |
电机调速控制系统（Ⅱ） |
1件 |
|
10 |
DK07 |
直流斩波实验 |
1件 |
|
11 |
DK09 |
新器件特性实验 |
1件 |
|
12 |
DK10 |
可调电阻、电容器 |
1件 |
|
13 |
DK11 |
单相调压与可调负载 |
1件 |
|
14 |
DK12 |
变压器实验 |
1件 |
|
15 |
DK13 |
电力电子器件驱动与保护电路实验箱 |
1件 |
|
16 |
DK14 |
单相交直交变频原理 |
1件 |
|
17 |
DK17 |
双闭环H桥DC/DC变换PWM直流脉宽调速系统 |
1件 |
|
18 |
DK19 |
半桥型开关稳压电源 |
1件 |
|
19 |
DK21 |
斩控式交流调压电路 |
1件 |
|
20 |
DQ09 |
直流他（并)励电动机（185W） |
1台 |
|
21 |
DQ11 |
三相线绕式异步电动机（220V，Y接法） |
1台 |
|
22 |
GDQ12 |
线绕式异步电机转子启动调速电阻箱 |
1件 |
|
22 |
实验导线 |
高可靠护套结构手枪插实验连接线及配件 |
1套 |
|
23 |
学生凳子 |
提供铁质四脚方凳 |
2只 |
|
24 |
智慧课堂教学互动系统 |
智慧课堂教学互动系统（全室共配1套，用于教师与学生对波形的更深入研究） |
1套 |
|
25 |
透明型电力电子应用创新实训模块 |
透明型电力电子应用创新实训模块：(全室配1套，便于学生对电力电子器件及电路的直观认识） |
1套 |
|
26 |
指导书 |
实验指导书 |
1套 |
