电力电子技术及自动控制系统实训装置

一、概述

电力电子技术及自动控制系统实训装置是从加深学生对理论认知和培养学生的实际动手能力出发，并结合日常工作中典型的电力电子及其自动控制电路的要求研制的，适合各职业院校的电气工程、自动化、应用电子、供用电等各类专业的《电力电子技术》、《半导体变流技术》、《电机与电力拖动控制系统》、《自动控制原理与系统》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《运动控制系统》等多门课程实训教学，同时还适用于初、中、高级电工及电工技师的培训。

二、特 点

1）装置由单元模块组成，更换方便，维护容易；模块本身采用PCB烤漆工艺制成，正面为原理图和测试点，背面焊有对应的元件，避免了由于引线引起的干扰，大大降低故障率。

2）体现“工程环境”理念，模仿实际生产现场：这些系统基本上从相关工业产品移植而来，可很好实现对学生能力（波形分析和系统调试能力）的培养和技术知识的应用。

3）各个系统的配置精心设计，丰富多彩：各个系统采用的元件、触发（驱动）电路、主电路、控制方式、控制对象及保护环节等，基本上都不一样，它们概括了当前工业上的技术应用，内容丰富多样，体现了“典型性、先进性、实用性和可行性”的要求，能引起学生兴趣，能使学生获得很大的收获。

4）电力电子元件与单元电路性能实验，在小系统环境进行：这样有利于学生理解该元件和该单元用于何处、它们的性能对整个系统的影响，有利于学生知识的巩固和实际应用。

5）.装置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，确保操作者的人身安全；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。

三、技术性能

1.输入电压：三相四线（或三相五线）～380V±10% 50Hz

2.工作环境：环境温度为-10℃～+40℃ 相对湿度＜85%(25℃) 海拔＜4000m

3.装置容量：＜1.5kVA

4.外形尺寸: 1832mm×805mm×1570mm

5.安全性能：安全保护措施：实验台桌面采用高绝缘、高强度、耐高温的高密度板。 具有接地保护、漏电保护功能，安全性符合相关的国标标准。采用高绝缘的安全型插座及带绝缘护套的高强度安全型实验导线。

四、系统的配置

1. 电源控制屏

（1）FDK01交流电源 三相四线（或五线）电网输入经电源总开关漏电保护器（容量10A，漏电动作电流≤30mA，动作时间≤0.1S）和交流接触器再到三相隔离变压器给实训设备供电；通过起动、停止、急停按钮控制交流接触器，设有供电指示灯及缺相指示。 提供三相0～450V可调交流电源，同时可得到单相0～250V可调的交流电源，配有一台三相同轴联动自耦调压器（规格：1.5kVA、0～450V）。可调交流电源输出处设有过流保护装置，当相间、线间过电流及直接短路均能自动保护，克服了调换保险丝带来的麻烦，并具有过流声光告警。控制屏的供电由三相电网经三相漏电保护开关、电网电压指示表、熔断器、启/停按钮控制交流接触器输出，具有漏电声光告警、过流保护等功能，同时配有一只急停按钮，便于切断电源，还配有一只指针式交流电压表，通过切换和转换开关，可方便地指示三相电网和三相调压输出的每一相的线电压。

（2）同步变压器:一组三相同步变压器，380V/15V三只。

（3）直流励磁电源：220V/0.5A，具有输出短路保护。

（4）示波器支架:示波器支架设在电源箱的顶部，方便用户放置示波器。

（5）人身安全保护体系 ? 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。? 电压型漏电保护器1：对隔离变压器前的线路出现的漏电现象进行保护，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及实验过程中的接线等出现的漏电现象进行保护，发出声光报警信号并切断电源，确保人身安全。 ? 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。 ? 实验连接线及插座：强、弱电连接及插座分开，不能混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺，使用安全、可靠、防触电。 

（6）仪器、仪表保护体系 ? 设有交流过流、短路保护器，如果三相隔离变压器或三相调压器输出电流大于整定电流（用户可调整）或线路错接短路时，即能发出声光告警并切断输出电源；待用电线路故障排除后方可重新启动控制屏，对交流电源起到良好的保护作用。

2. FDK02实训桌 实训桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，形状似长方体封闭式结构，造型美观大方；设有抽屉、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。实训桌底部装有四个带刹车的万向轮，便于移动和固定。

3. DD03-1不锈钢电机导轨、1024光电编码器测速系统及智能数显转速表 包括固定电机的不锈钢导轨和1024光电编码器及智能数显转速表。 不锈钢导轨平整度好，无应力变形，加工精细，同心度好，互换性好，能保证电机与电机、电机与测功机之间连接的同心度不超过±5丝，电机运行噪声小，实验参数典型，能较好满足实验要求。导轨还带有便携式手柄和减振底脚。10241024增量式光电编码器，可以实现电机转速0～6000r/min的精确测量，并通过单片机实现转速数字信号与电压信号的线性转换V=f（n），能提供精确稳定的转速反馈电压信号，正反转输出电压对称性误差≤1‰，克服了采用测速发电机测速精度低、测量范围小、对称性差及非线性变化等缺点。

4. DQ09直流他励电动机：220V、1.1A、185W、1600r/min。

5. DQ11三相鼠笼式异步电动机：220V/△、0.5A、100W、1420r/min。

6. DQ19校正直流测功机：220V、2.2A、 355W、1500r/min，电机经特殊设计，容量是被测电机的2～3倍，并经精密仪器校正，能很好的完成被测电机的加载和输出转矩的测试。

7. FDQ22直流数字电压、毫安、安培表 直流数显电压表1只，测量范围0～600V，分2V、20V、200V、600V四档，直键开关切换，三位半数显，精度为0.5级，输入阻抗为10MΩ，具有超量程声光报警、指示及切断总电源等功能。 直流数显毫安表1只，测量范围0～2000mA，分20mA、200mA、2000mA三档，直键开关切换,三位半数显,精度为0.5级，具有超量程声光报警、指示及切断总电源等功能。 直流数显安培表1只，测量范围0～5A，三位半数显，精度为0.5级，具有超量程声光报警、指示及切断总电源等功能。

8. FDQ29可变电阻器 提供阻值容量150W 、1.5A 、0～90Ω/×2连续可调的瓷盘电阻器1只及150W 、0.5A 0～900Ω/×2连续可调的瓷盘电阻1只，电阻接线端均已连接至操作面板上，可方便地组合串联、并联、串并联等多种方式使用，可在0.5A、1A、1.5A、3A不同电流要求的负载下使用。

9. FDQ23交流电参数表组件 真有效值交流数字电压表1只，测量范围0～500V，分2V、20V、200V、500V四档，直键开关切换，三位半数显，精度0.5级，输入阻抗10MΩ。 真有效值交流数字电流表2只，测量范围0～5A，分200mA、2000 mA、5A三档，直键开关切换，三位半数显，精度0.5级，具有超量程声光报警、指示及切断总电源等功能。

10. FPB-1交直流电源、变压器及二极管组件 提供～220V/24V、20V、±15V、±12V、±5V，100VA直流电源（具有短路及过载保护功能），不控整流元件，单相同步变压器（包括～220V/～60V、～30V、～15V、双～7V）、三相同步变压器（380V/15V），给定显示与0～±15V给定，直流300V/2.5级中零表一只、2A/2.5级中零表一只。同时组合可提供单相交流0～250V可调电源，直流0～300V可调电源。

11. FDK03晶闸管及电抗器组件 提供6只单向晶闸管，0～200mH带抽头电抗器。

12. FDK09新器件特性实训组件 提供MOSFET、IGBT、GTR新型电力电子器件，可测定其特性曲线；与新器件驱动与保护电路组件配套使用。 提供3只双向晶闸管,带阻容保护，用于交流调压电路、单相三相交流调功。

13. FDK04三相TCA785脉冲列触发电路组件 提供由西门子TCA785等专用的集成触发电路构成的三相触发电路、正反桥功放电路。

14. FDK05晶闸管触发电路组件 提供由分立元件构成的单结晶体管触发电路和正弦波同步移相触发电路，两路由分立元件构成的锯齿波同步移相触发电路I和Ⅱ，可完成单相晶闸管全控及半控整流实验；一路KC05集成锯齿波触发电路。 （1）提供由独立器件以BT33为核心的锯齿波触发电路，可完成单相锯齿波晶闸管触发电路实训内容； （2）提供由独立器件组成的典型正弦波同步移相触发电路，以原理性的形式，与晶闸管组合成同步触发实训电路。 （3）提供锯齿波同步移相触发电路Ⅰ、Ⅱ，与晶闸管组合，可完成单相晶闸管全控及半控整流实训内容。 （4）提供以KC05集成块为核心的锯齿波触发电路，与晶闸管组合，可完成单相全波半控整流电路及交流调压电路实训内容

15. FDK07直流斩波电路组件 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和构成六种典型直流斩波电路实训的元器件。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斩波电路六种典型电路的实训。

16. FDK13新器件驱动与保护电路 提供功率器件及功率器件的驱动与保护电路，以及PWM波形发生器。 （1）其中IGBT的驱动电路采用专用芯片EXB841，其他驱动电路由运放、门电路及分立元件组成。 （2）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档，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驱动电路提供PWM波形，频率调节范围400Hz～1kHz；占空比在各频率点上均能从0%调至100%。

17. FDK14单相SPWM控制(IGBT)H型交直交变频电路组件 提供单相SPWM控制(IGBT)H型交直交变频电路，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。能完成如下实训项目： （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。 SPWM发生器核心为两片ICL8038集成函数信号发生器，采用IR2110专用集成（IGBT）驱动芯片，载波频率调节范围50～10KHz，基波频率调节范围5～60Hz。

18. FDK19 PWM控制（MOSFET）开关型稳压电源电路组件 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”等实训内容。直流输出0～30V/2A，具有短路及过载保护功能。

19. FDK22单相交流(过零触发)调功电路组件 采用专用KC08晶闸管过零集成触发电路，导通周期由555时钟电路的电位器控制输出触发脉冲。配合双向晶闸管构成的主电路，完成交流调功特性的实训内容。

20. FDK05-1 GTR单相并联逆变电路组件 提供555时基电路作为逆变触发电路，工作频率可以从45Hz～55Hz之间调节，功率主回路采用GTR功率三极管作为开关器件，完成单相并联逆变电路实训内容。

21. FDK06直流调速组件（一） 提供用于调速系统的速度、电流调节器（调节器I、II）、转速变换器(FBS)、电流反馈和保护电路（FBC+FA）及电压反馈的电压隔离器(TVD)、反号器（AR），实训时可以灵活改变系统的控制参数，观测不同的参数对系统的动态性能、稳态性能稳定性及相应时间等影响；更可以让学生从调速系统的各种参数(如电机的机电时间常数等)出发对调节器的放大倍数及积分时间的参数分别设计，同时进行实际结果的验证。系统无静差精度高达0.3%以上。

22. FDK31 SG3731专用 PWM 集成电路控制直流位置随动系统 提供以SG3731为核心的专用PWM控制的直流电机电源电路，与电机及反馈装置结合，可完成如下实训内容: （1）SG3731控制的不可逆PWM直流调速系统，可完成直流电机工作在Ⅰ、Ⅱ象限时的开环机械特性测试实训，闭环控制的直流电机在Ⅰ、Ⅱ象限时的机械特性测试实训。 （2）SG3731控制的可逆PWM直流调速系统，可完成直流电机的四象限运行实训，及闭环控制的直流电机四象限运行实训。 （3）SG3731控制的PWM直流电机位置随动系统，可完成闭环位置随动系统的性能研究实训内容。

23. FDK32 小容量晶闸管直流调速系统组件 提供工业上常用的典型小容量晶闸管直流调速系统KZD-II控制电路，可完成KZD-II型小容量晶闸管直流调速系统的电压负反馈、电流正反馈闭环的相关实训内容。

24. FDK33灯组负载 提供三只丝口型220V/ 25W彩色灯泡负载，可作为单、三相负载，实训结果直观。

25. PAC05 实训连接线及配件 根据不同实训项目的特点，配备两种不同的实训联接线，强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线，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，这样大大提高了实训的安全及合理性。

五、实训项目

1.电力电子器件特性（参数、性能与波形的测定） （1）晶闸管（SCR） （2）双向晶闸管（TRIAC） （3）电力晶体管（GTR） （4）场效应管（MOSFET） （5）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

2.触发（驱动）单元电路的测试 （1）单结晶体管触发电路（分列元件） （2）正弦波同步移相触发电路（分列元件） （3）锯齿波移相触发电路（分列元件） （4）KC05锯齿波触发电路 （5）KC08过零触发电路 （6）EXB841大规模集成（绝缘栅双极型晶体管IGBT）驱动与保护电路 （7）电力晶体管（GTR）驱动与保护电路 （8）功率场效应管（MOSFET）驱动与保护电路 （9）三相TCA785脉冲列触发电路 （10）SG3525触发模块 （11）SG3731专用PWM控制电路 （12）IR2110专用集成（IGBT）驱动电路

3.电力电子电路 （1）单相晶闸管可控半波整流电路 （2）单相晶闸管半控桥式整流电路 （3）单相晶闸管全控桥式整流电路 （4）三相晶闸管可控半波整流电路 （5）三相晶闸管半控桥式整流电路 （6）三相晶闸管全控桥式整流电路 （7）GTR单相并联逆变电路 （8）单相双向晶闸管交流调功电路 （9）直流（IGBT）斩波电路的性能研究（降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuｋ斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路六种典型线路） （10）单相（双向晶闸管）交流调压电路 （11）三相（反并联晶闸管）交流调压电路 （12）单相SPWM控制(IGBT)H型交直交变频电路 （13）PWM控制（MOSFET）开关型稳压电源电路 （14）SG3731 专用 PWM 集成电路控制的直流PWM系统（GTR）H型可逆供电电路

4.自动控制系统 （1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验(SCR) （2）晶闸管直流调速系统主要单元的调试(SCR) （3）电压负反馈、电流正反馈直流调速系统 （4）转速负反馈单闭环直流调速系统 （5）电流单闭环直流调速系统 （6）电压单闭环直流调速系统 （7）转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 （8）V-M转速、电流双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统 （9）转速、电流双闭环交流调压调速系统的研究 （10）SG3731直流脉宽不可逆调速系统（PWM系统） （11）SG3731直流脉宽可逆调速系统（PWM系统） （12）SG3731专用PWM集成电路控制的直流位置随动系统

5.电机特性 （1）直流电动机特性的测试 （2）三相异步电机特性的测试