JSDL-2型电力电子及电力拖动技术实验台

一、概述

“JSDL-2型电力电子技术实验装置”依据高等院校统编教材《电力电子技术》(第五版)(西安交通大学王兆安编著)、《电力拖动自动控制系统》（第三版）(上海大学陈伯时编著)等实验大纲的要求，并考虑了实验室的现状和发展趋势研制。
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、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。
  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，各测量仪表均有可靠的保护功能，使用安全可靠；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。
  7、本装置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。

三、实验台基本结构及综合保护功能

实验台壳体全部采用钢板制作、激光下料、数控折弯，经喷砂除油后喷塑处理，面板采用铝板印字工艺，美观耐用、永不变色。实验台设计时充分考虑了使用群体的特殊性，在人身安全设备安全方面设置了多种保护措施、形成一套完整的保护系统，如漏电、电源短路及过载、仪表超量程等等都具有保护功能。能满足开展电力电子、电工电子、电机调速、电气控制等多学科教学实验的开放性要求。实验台控制屏采用铁质双面亚光密纹喷塑结构，2mm厚铝面板，采用铝板印字工艺。实验桌采用全钢结构，桌面采用1.5mm厚钢板机制而成，强度和寿命是高密度板的几十倍，桌体设有两个大抽屉，无声导轨安装，用于放置工具及资料，实验桌联体设计，实验桌下方设有元件储存柜、可以放置多余的实验模块，底层设有四个带刹车的轮子，便于移动和固定，造型美观大方。

 整机综合保护装置：这是我公司研制的一款实验台专用的综合保护装置，能够对实验台的过压、漏电、过流、短路做到100%的有效保护。能够实时监测实验台内部是否存在故障，如有涉及人身安全或损坏设备的故障发生，系统会马上保护并发出相应的保护报警信息。

综合保护装置主要具有以下几项功能：

1、过压保护：实验台电源经电源线、实验台总电源开关、进入实验台综合保护装置。当电网电压出现过压时（例如零火线接错、三相电不平衡等因素）系统能够及时发出保护指令，切断各种用电设备的电源，包括实验台内部的用电设备（例如智能仪表、信号源、调压器等等）和插在实验台上的示波器、电脑等设备。并在控制面板上输出相应的声光报警信号，过压消除后自动恢复正常工作。

2、双重漏电保护：实验台配置电流型漏电保护装置，采用零序电流互感器实时监测剩余电流（即漏电电流），一旦超过设定值，装置能在0.1S内断开电源，符合IEC61009-1国家标准。实验台配置电压型漏电保护装置，该装置实时监测机壳电压，一旦电压超过设定值，系统会立刻切断输出电源，并在控制面板上输出相应的声光报警信号，漏电消除后自动恢复正常工作。

3、过流、短路保护：实验台上都配有三相电源，其特点是电压高、电压可调、电流输出能力强，在实验过程中不可避免的会发生过载、短路，若果没有一个有效的保护装置，就会造成设备损坏甚者引起火灾。保险丝具有低成本、高可靠性、一次性的特点，但是用在实验台上更换是个很大的麻烦，尤其是实验台数量多、人员多，有时玻璃管保险丝还会碎在保险管座内，给实验带来很大的麻烦。电流互感器更够隔离强电，采集电流信号，但是在做半波整流输出时，电源输出的是直流电流，互感器只能耦合交流信号，此时保护失效。断路保护器在低压时保护失效。为此我公司研制了“电子保险”，结合综合保护装置，能够在任何电压值、任何形式的电流（交流、直流、半波等），只要达到设定值系统会立刻切断电源，保护100%有效，并在控制面板上输出相应的声光报警信号，故障消除后，按复位按键恢复正常工作。

4、浪涌保护：系统在多处设有TVS管，能够有效吸收电网或自身生产的浪涌电压或电流，能够有效保护自身电路正常有效工作。

5、自我诊断功能：系统在接通电源的第一刻，就会检测是否有漏电、过压及内部故障，若果有问题会发出报警信息，并切断相应的供电，以保证设备和人员安全。

6、系统预留接口：系统预留无线、远程控制接口，可以我公司实验室无线控制系统直接连接，可以和网络控制系统连接，各种报警信号均可以输出给第二系统。

7、 三相隔离变压器一组：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。
四、适用范围
    本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。
五、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：187×70×158 cm³
六、装置的基本装备
  1、DL01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
       A、提供交流电源：直流调速档为三相交流电 200V/3A(单相115V）
                     交流调速档为三相交流电 240V/3A（单相139V）

B、电压输出指示：采用三个指针式电压表，分别指示三相电压的输出状态。

C、过流、短路保护：实验台上都配有三相电源，其特点是电压高、电压可调、电流输出能力强，在实验过程中不可避免的会发生过载、短路，若果没有一个有效的保护装置，就会造成设备损坏甚者引起火灾。保险丝具有低成本、高可靠性、一次性的特点，但是用在实验台上更换是个很大的麻烦，尤其是实验台数量多、人员多，有时玻璃管保险丝还会碎在保险管座内，给实验带来很大的麻烦。电流互感器更够隔离强电，采集电流信号，但是在做半波整流输出时，电源输出的是直流电流，互感器只能耦合交流信号，此时保护失效。断路保护器在低压时保护失效。为此我公司研制了“电子保险”，结合综合保护装置，能够在任何电压值、任何形式的电流（交流、直流、半波等），只要达到设定值系统会立刻切断电源，保护100%有效，并在控制面板上输出相应的声光报警信号，故障消除后，按复位按键恢复正常工作。
（2） 励磁电源：
     采用IGBT及PWM脉宽调制控制方式，输出稳压值：220V连续调节设定，输出电流:0.5A，具有恒压输出、,过流保护,过压保护,过温保护。安装有数字表头实时显示输出电流。

（3）数字式仪表
A、智能交直流（两用）电压表：（两块或根据用户数量安装）

六位LED（默认红色）数码管显示（第一位显示测量性质，正/负/交流，后五位显示测量数值），输入阻抗≥10MΩ。量程分别为10V（最大显示9.9999）、100V（最大显示99.999）、500V（最大显示500.00），通过人机界面可以设置换档模式（手动或自动）、具有软件调零、软件校准功能、通讯地址设置、滤波级数设置、显示按键检测、测量性质设置（交流、直流、自动判断）、超量程报警等功能。带有标准双向串行通讯接口：RS485；采用标准MODBUS－RTU通讯协议。工业塑料外壳、嵌入式安装，交流220V直接供电。

B、智能交直流（两用）电流表：（两块或根据用户数量安装）

     六位LED（默认红色）数码管显示（第一位显示测量性质，正/负/交流，后五位显示测量数值），输入阻抗≤100mΩ。量程分别为50.000mA、500.00mA、5000.0 mA，通过人机界面可以设置换档模式（手动或自动）、具有软件调零、软件校准功能、通讯地址设置、滤波级数设置、显示按键检测、测量性质设置（交流、直流、自动判断）、超量程报警等功能。带有标准双向串行通讯接口：RS485；采用标准MODBUS－RTU通讯协议。工业塑料外壳、嵌入式安装，交流220V直接供电。

（4）指针式仪表

设有带镜面精密指针式直流电压表±300V一块，精度1.0级带镜面直流电流表±3A一块。
（5）控制屏其它设施
    控制屏正面大凹槽内，设有一根钢管，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。
  2、DL47－1固定电机导轨、测速系统及智能数显转速表
  3、DL09三相可调电阻（每组900Ω×2/0.41A）
  4、DL08晶闸管主电路
    提供12只5A/1000V的晶闸管，分成正、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进行触发（实验箱内含有三相触发电路、功放电路，并留有多种波形观察专用孔），可更好的完成各种实验；还配有一个单相调功触发电路和平波电抗器一组。
  5、DL09晶闸管触发电路实验
    提供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TC785集成触发电路共五种触发电路。
  8、DL05电机调速控制实验
  提供以下模块：给定（带指示）、(ASR)速度调节器、(DPZ)零电流检测、(AR)反号器、(DPT)转矩极性鉴别、(FBS)转速变换、(DLC)逻辑变换。(ACR)电流调节器

9、DL23直流斩波电路
    主要由斩波器触发电路及斩波主电路两大部分组成。
 10、DL11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）、二极管等。
 11、DL10新器件特性实验
 提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，与DL22配套使用，可测定其特性曲线；与DJK12配套使用，可完成电力电子新器件的驱动特性实验。
  12、DL04可调电阻、电容箱
    提供耐压AC63V的可调电容三组，调节范围为0.1～11.37uF。

  12、DL03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220V/110V），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一组。
  13、DL22功率器件驱动电路实验箱
    主要是为完成新器件特性实验提供驱动和保护电路，使学生了解电力电子新器件的驱动特性。主要包括电源、驱动电路、PWM波形发生器。
  （1）电源：为驱动电路提供电源，包括±5V、+20V、±15V直流电源。
  （2）驱动电路：包括MOSFET、IGBT、GTR和GTO的驱动电路。其中IGBT的驱动电路采用了专用芯片EXB841。
  （3）PWM波形发生器：由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；占空比均能从0%调至100%。
  14、DL17单相交直交变频原理
    根据普通高等教育“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，电感和电机）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。
  15、DL14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，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。

16、DL13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。
   17、直流发电机(240W)
   18、直流并励电动机（180W )
   19、三相线绕式异步电动机
   20、线绕式异步电机转子专用箱

21、 三相异步电机变频调速系统

提供三菱变频器D720-0.4KW变频器1只，设有调速电位器一只，接线端子引出到面板。
 22、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。
六、本装置能开设的实验项目

（一）基本实验

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、单相半波可控整流电路实验

5、单相桥式半控整流电路实验；

6、单相桥式全控整流及有源逆变电路实验；

7、三相半波可控整流电路的研究；

8、三相桥式半控整流电路实验；

9、三相半波有源逆变电路的实验；

10、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验；

11、单相交流调压实验电路；

12、单相交流调功电路；

13、三相交流调压实验电路；

14、晶闸管直流斩波电路实验；

15、单向晶闸管（SCR）特性研究；

16、可关断晶闸管（GTO）特性研究；

17、场效应管（MOSFET）特性研究；

18、电力晶体管（GTR）特性研究；

19、绝缘双极型晶体管(IGBT)特性研究；

20、功率场效应管(MOSFET)驱动电路研究；

21、电力晶体管(GTR)驱动电路研究；

22、绝缘双极型晶体管(IGBT)驱动电路研究；

23、可关断晶闸管（GTO）驱动电路研究；

（二）电力电子器件典型线路实验 
       1、半桥型脉宽调制开关稳压电源电路研究；
       2、直流斩波电路(六种电路)性能的研究；
       3、采用自关断器件的单相交流调压实验；
       4、单相正弦波脉宽调制(SPWM)逆变电路实验；
       5、全桥DC／DC变换电路实验；
       6、半桥DC/DC变换电路实验

 （三）直流调速实验项目
       1、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定的研究；
       2、晶闸管直流调速系统各主要单元的研究；
       3、单闭环晶闸管不可逆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、逻辑无环流可逆直流调速系统；

（四）变频调速实验
       1、三相异步电机变频调速实验；
       2、单相交-直-交变频原理实验

（五）交流调速实验项目
1、双闭环三相异步电动机电动机调压调速；
2、双闭环三相异步电动机串级调速；
3、单相交-直-交变频调速控制实验
4、三相空间电压矢量SVPWM电机控制实验

①变频器的参数设定与操作

②变频器的面板控制

③变频器的电位器控制

④变频器的电压控制

⑤变频器的多段速控制