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電機系統(tǒng)教學(xué)實驗臺

6.1 總體要求

電機系統(tǒng)教學(xué)實驗臺主要依據(jù)《電機學(xué)》、《電機及電力拖動》等課程實驗大綱的要求設(shè) 計而成。實驗臺可完成直流電機、三相異步電機、電機拖動等相關(guān)實驗內(nèi)容，該實驗臺完全能滿足本科院校新實驗室建設(shè)需要。

6.2 要求能夠完成的實驗內(nèi)容

6.2.1 直流電機實驗

1）認識實驗

2）復(fù)勵直流發(fā)電機

3）直流他勵電動機

4）并勵直流電動機

6.2.2 異步電機實驗

1）三相籠型異步電動機的工作特性

2）三相異步電動機的起動與調(diào)速

3）異步電動機的M—S曲線的測繪

6.2.3 同步電機實驗

1）三相同步發(fā)電機的運行特性

2）三相同步發(fā)電機的并聯(lián)運行

3）三相同步電動機的并聯(lián)運行

4）三相同步發(fā)電機參數(shù)的測定

6.2.4 電動機機械特性的測定

1）直流他勵電動機特性實驗

① 直流他勵電動機工作（固有）特性和機械特性

② 直流他勵電動機人為機械特性（改變電樞電壓調(diào)速、改變勵磁電流調(diào)速）

③ 直流他勵電動機電動回饋制動特性

④ 直流他勵電動機電動反接制動特性

⑤ 直流他勵電動機能耗制動特性

2）三相異步電動機特性實驗

① 三相異步電動機工作（固有）特性和機械特性

② 三相異步電動機反接制動特性

③ 三相異步電動機再發(fā)電制動機械特性

④ 三相異步電動機電動回饋制動特性

⑤ 三相異步電動機能耗制動特性

6.2.5 電機控制實驗

1）三相異步電動機點動和自鎖控制線路實驗

2）三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路實驗

3）三相異步電動機Y/△降壓起動控制線路實驗

4）能耗制動控制實驗

5）兩臺三相異步電動機起動順序控制

6）兩地控制線路

6.2.6 電機虛擬仿真實驗（基于國內(nèi)國際上通用的Matlab軟件）

1）變壓器實驗

2）三相變壓器實驗

3）三相變壓器聯(lián)接組實驗

4）直流發(fā)電機實驗

5）直流電動機實驗

6）三相鼠籠異步電動機工作特性實驗

7）三相異步電機變頻調(diào)速實驗

8）三相同步發(fā)電機運行特性實驗

9）三相同步發(fā)電機的并聯(lián)運行實驗

6.2.7 電路虛擬仿真實驗（基于國內(nèi)國際上通用的Matlab、Multisim軟件）

1）基爾霍夫定律實驗

2）疊加原理的驗證實驗

3）戴維南定理的驗證

4）R、L、C串聯(lián)諧振

5）三相交流電路電壓、電流的測量

6.2.8 基于Matlab開發(fā)的數(shù)字電力電子實驗（可用于二次開發(fā)）（以下內(nèi)容只配置1套）

1）單端正激開關(guān)電源實驗研究

2）單端反激開關(guān)電源實驗研究

3）單相Boost型APFC有源功率因數(shù)校正實驗研究

6.2.9 基于XPC模式的數(shù)字電力電子實驗（可用于二次開發(fā)）（以下內(nèi)容只配置1套）

1）直流斬波實驗（Buck變換器）

2）直流斬波實驗（Boost變換器）

3）直流斬波實驗（Buck-Boost變換器）

4）單端反激式電路實驗（Flyback電路）

5）單端正激式電路實驗（Forward電路）

6）半橋開關(guān)電路變換器實驗(HB-PWM電路)

7）全橋開關(guān)電路變換器實驗(FB-PWM電路)

6.3 技術(shù)條件要求

6.3.1 整機容量：≤1.5kVA

6.3.2 工作電源：～3N/380V/50Hz/3A

6.3.3 尺寸：≤1.60m×0.75m×1.50m

6.3.4 重 量：≤300kg。

6.4 實驗臺的技術(shù)性能要求

6.4.1 主控制屏和實驗桌要求

主控制屏采用鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，面板采用鋁質(zhì)噴塑工藝。實驗桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，桌面采用高密度度防腐防火板。造型美觀大方，設(shè)有兩只抽屜，存放柜，用于置放工具，掛箱及資料等。實驗桌設(shè)有四個輪子，便于移動和固定，有利于實驗室布置。

鑒于安全考慮，要求實驗裝置的各掛箱及組件的面板均不采用金屬制面板，須采用絕緣非金屬材料面板，并在面板上印有各類標注符號或電路等。

6.4.2 實驗臺安全保護功能要求

1）設(shè)備和人身安全保護

要求本裝置設(shè) 計了三相隔離變壓器的浮地保護、電壓型漏電保護、電流型漏電保護、安全實驗導(dǎo)線等≥4種人身安全保護功能。

2）儀器儀表保護體系

要求設(shè)備中單、三相交流可調(diào)電源、直流穩(wěn)壓電源、同步電機勵磁電源都設(shè)有短路、開路保護功能，交流電壓、電流、功率表，數(shù)字直流電壓、電流表等都設(shè)有過量程保護功能，設(shè)備的儀器儀表具有良好的保護功能。

6.4.3 實驗臺交、直流電源

1）單、三相可調(diào)交流電源

提供三相0～430V連續(xù)可調(diào)的交流電源，同時可得到0～250V單相可調(diào)電源。配有一臺1.5kVA的三相電動自耦調(diào)壓器，三相輸出電壓可以聯(lián)調(diào)，也可以單獨調(diào)節(jié)。帶有電源輸出監(jiān)視儀表，并有斷相指示。

2）直流電壓、電流表及220V直流可調(diào)穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)范圍為50V—250V/2.5A連續(xù)可調(diào)，具有過流和短路保護功能。電源可通過計算機控制。

提供220V/0.5A的直流電源，供直流電機勵磁繞組使用。

提供300V、200mA、5A的三個直流測量儀表，既可以作監(jiān)視儀表，也可作測量儀表。三個儀表均具有計算機接口。

3）同步電機勵磁電源

同步電機勵磁電源輸出電流為0-2.5A連續(xù)可調(diào)，帶三位半數(shù)顯監(jiān)視，可通過計算機程控輸出。

6.4.4 實驗臺的儀表

1）數(shù)字式交流儀表

數(shù)字交流電壓表（3只）：測量范圍0～450V，精度≤0.5級，4位數(shù)字顯示；

數(shù)字交流電流表（3只）：測量范圍0～3A，精度≤0.5級，4位數(shù)字顯示；

數(shù)字功率、功率因素表：（3只）：測量范圍0～450V，0～3A，精度≤0.5級，≥4位數(shù)字顯示；

儀表采用高性能的≥16位單片機設(shè) 計，量程自動切換，帶具有計算機接口。

2）數(shù)字直流電壓、電流表

數(shù)字直流電壓表：測量范圍0～300V，有2V、20V、300V≥三檔量程。

數(shù)字直流毫安表：測量范圍0～200mA，有2mA、20mA、200mA≥三檔量程。

數(shù)字直流電流表：測量范圍0～5A。

具有計算機通訊接口。由直鍵開關(guān)切換量程，三位半數(shù)顯，精度≤0.5級

均有超量程告警并切斷總電源的功能。

6.4.5 實驗臺的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量

1）電機導(dǎo)軌及測功機

含有編碼器、渦流測功機及固定電機的安裝導(dǎo)軌，保證電機與電機之間、電機與渦流測功機之間，同軸的同心度不超過±5絲。

渦流測功機采用高精度傳感器，一致性和線性度好，可靠性高。

采用渦流測功機測功，比采用傳統(tǒng)的直流發(fā)電機作校正電機測功方式更為方便、直觀，轉(zhuǎn)矩可直接讀出，可大大提高實驗效率和精度。

2）轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量組件

該組件包含了電機的直接手動加載功能，還可通過計算機程控加載。

轉(zhuǎn)矩表：3位半數(shù)字顯示，測量范圍0～2N.m，可測量正負轉(zhuǎn)矩值，帶有計算機接口。

轉(zhuǎn)速表：5位數(shù)字顯示，測量范圍0～2000rpm，可測量正負轉(zhuǎn)速值，帶有計算機接口。

6.4.6 單端正激/反激開關(guān)電源及APFC電路（基于Matlab開發(fā)的數(shù)字電力電子實驗）（以下內(nèi)容只配置1套）

提供單端正激/反激開關(guān)電源電路及負載、BOOST型APFC電路及負載、DSP控制系統(tǒng)。

采用TI32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新產(chǎn)品做為控制核心芯片，利用DSP仿真器將C、C++、Matlab語言編寫算法或者用Simulink庫搭建控制算法下載到DSP2812芯片，通過USB接口將DSP2812與上位機之間進行實時通訊，將DSP2812中CMPR寄存器的數(shù)實時據(jù)傳送到PC上的上位機進行監(jiān)控，利用DSP2812的EV單元輸出PWM波形。DSP2812與上位機之間通過高速中斷進行交互數(shù)據(jù)。上位機軟件采用LabVIEW軟件進行編寫，對DSP芯片中寄存器的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，用戶不僅可在上位機的監(jiān)控界面上觀察到電路的驅(qū)動波形，電路中的電流、電壓波形，也能夠通過上位機對DSP進行控制。

6.4.7 基于xPC模式的數(shù)字電力電子技術(shù)實驗箱要求（以下內(nèi)容只配置1套）

1)實時采集控制板要求

a. ≥6路模擬量輸入：輸入電壓0-5V、0-10V、0-±10V可選；≥6路獨立AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率300KHz。

b. ≥2路模擬量輸出：輸出電壓0-10V、0-±10V可選；≥2路獨立DA轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率1MHz。

c. ≥8路PWM輸出：TTL電平；最高調(diào)制頻率≥50KHz；占空比最小時間調(diào)節(jié)≤5ns。

d. ≥6路開關(guān)量輸入信號：TTL電平。

e. ≥6路開關(guān)量輸出信號：TTL電平。

f. ≥1個位置檢測接口：可用于無刷電機、開關(guān)磁阻電機位置檢測信號的輸入。

g. ≥1個光電編碼器接口：可用于異步電機、交流伺服電機等光電編碼器信號的輸入。

2)PCI-FPGA-CARD實時板卡

實時板卡安裝在目標機的PCI接口上，作采集控制板和目標機之間數(shù)據(jù)通信用。xPC-Target實時快速控制系統(tǒng)I/O板卡的組成。模擬量輸入進行AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)、模擬量輸出進行DA轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)、以及光電編碼器的≥3路信號都通過低壓差分數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)交換，可減少數(shù)據(jù)傳輸路徑引起的干擾。數(shù)字量輸入、輸出、位置檢測信號相對速度較慢、數(shù)據(jù)較少，不需要用差分數(shù)據(jù)通信。PWM信號作為信號輸出，也不需要差分數(shù)據(jù)通信。實時板卡PCI-FPGA-CARD和實時采集控制板MCL-1501-330-A之間所有數(shù)據(jù)信號均經(jīng)過了ISO高速數(shù)字隔離電路，杜絕了PCI實時板卡受物理對象的干擾，大大提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度、降低了實時板卡損壞的幾率。

針對PCI-FPGA-CARD實時板卡，在Matlab環(huán)境開發(fā)了基于xPC Target 的Simulink模塊庫，模塊庫包含有脈寬調(diào)制(xPc PWMs)模塊 ，模擬量輸入(AD)模塊，模擬量輸出(DA)模塊，定時器(Timer)模塊，正交編碼電路（QEP）模塊,捕獲（CAP）模塊,異步中斷請求模塊,數(shù)字量輸入/輸出模塊等。提供利用此板卡和實驗平臺開發(fā)了實驗項目中的一些實驗例程（以后可擴展）。用戶也可以利用基于xPC Target的Simulink模塊庫搭建自己的控制算法，然后借助本實驗平臺完成硬件在回路仿真，達到快速原型化設(shè) 計的目的。

3)直流斬波電路（一）

a. 直流電源采用≥24V/4.5A開關(guān)電源，有過流保護功能，輸出電壓穩(wěn)定。直流電源是六種直流斬波電路、零電壓準諧振軟開關(guān)電路、零電流準諧振軟開關(guān)電路以及移相全橋零點壓軟開關(guān)電路的主電源。

b. 斬波電路功率器件采用的是≥18A/200V的MOSFET管，導(dǎo)通電阻0.18Ω，開關(guān)功耗小。MOSFET管所需的驅(qū)動功率很小，驅(qū)動電路簡單，采用了專用集成驅(qū)動芯片,內(nèi)部帶有光耦隔離，絕緣電壓高達≥2500V，輸出采用推挽結(jié)構(gòu)，有大電流圖騰柱式輸出能力。

c. Buck變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓0-20V，輸出電流2A，變換器具有電壓調(diào)整率小、負載調(diào)整率小、紋波電壓低、效率高等優(yōu)點。實驗面板設(shè)置了多個觀測點，可以觀測驅(qū)動波形，MOSFET的電壓、電流，電感的電壓、電流，二極管的電壓、電流，輸出電壓等波形。通過波形觀察，可使學(xué)生加深對Buck電路工作原理的理解。

d. Boost變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓24-48V，輸出電流1A。其余功能與與Buck變換器類似。

e. Buck-Boost變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓0-48V，輸出電流1A。其余功能與與Buck變換器類似。

4）直流斬波電路（二）

a. 本實驗電路的直流輸入電源和驅(qū)動電路均在MCL-20A-330-A上，選擇此實驗部件時，同時需選擇MCL-20A-330-A。

b. CuK變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓0-48V，輸出電流1A。其余功能與與Buck變換器類似。

c. Sepic變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓0-48V，輸出電流1A。其余功能與與Buck變換器類似。

d. Zeta變換器，輸入直流電壓24V，輸出電壓0-48V，輸出電流1A。其余功能與與Buck變換器類似。

5）單端正激、反激變換器

隔離型單端正激開關(guān)電源輸入AC 220V±20%/50Hz,控制頻率24KHz，額定輸出DC 48V/1A，效率80%以上，具有電壓調(diào)整率小、負載調(diào)整率小、紋波電壓低等特點。實驗電路由EMI濾波及整流電路，PWM驅(qū)動電路、MOSFET、正激變壓器、吸收電路、輸出整流濾波電路等組成。實驗面板上可以觀測驅(qū)動波形，MOSFET兩端、變壓器原、副邊兩端，輸出整流二極管，續(xù)流二極管、輸出濾波電感等電壓波形。通過波形觀察，可使學(xué)生加深對單端正激開關(guān)電源工作原理的理解。

隔離型單端反激開關(guān)電源輸入AC 220V±20%/50Hz,控制頻率≥24KHz，額定輸出DC 48V/1A。其余功能、電路組成、可觀測實驗波形參照單端正激開關(guān)電源。

6）半橋、全橋變換器

隔離型半橋開關(guān)電源輸入AC 220V±20%/50Hz,控制頻率≥24KHz，額定輸出DC 48V/1A。其余功能、電路組成、可觀測實驗波形參照單端正激開關(guān)電源。

隔離型全橋開關(guān)電源輸入AC 220V±20%/50Hz,控制頻率≥24KHz，額定輸出DC 48V/1A。其余功能、電路組成、可觀測實驗波形參照單端正激開關(guān)電源。

7)基于xPC Target下的直流降壓斬波電路程序說明

在Buck降壓斬波電路Simulink框圖中可以看到，其主要組成模塊有AD采集模塊，PID調(diào)節(jié)模塊，PWM脈寬調(diào)制器模塊，示波器等。該系統(tǒng)通過Switch開環(huán)切換可進行Buck電路開環(huán)、閉環(huán)的硬件再回路仿真。閉環(huán)控制時，給定電壓的值減去AD采集到的實際輸出電壓值的差值，經(jīng)過果PI調(diào)節(jié)器后輸出，PI調(diào)節(jié)器額輸出值送到PWM脈寬調(diào)制器模塊，可調(diào)節(jié)PWM占空比的大小，進而控制Buck電路的輸出電壓值。

6.4.8 電機技術(shù)要求

實驗用的電機功率采用功率小于200W的模擬電機，其特性能模擬中小型電機的特性，電機的轉(zhuǎn)軸的同心度與測功機導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)軸的同心度小于等于5絲，所有電機E級絕緣。

1）M01復(fù)勵直流發(fā)電機（PN=100W,nN=1500r/min,IN=1.1A,UN=220V）

2）M03 并勵直流電動機（PN=185W,nN=1600r/min,IN=1.1A,UN=220V）

3）M04三相鼠籠式異步電動機（PN=100W,nN=1420r/min,IN=0.48A,UN=220V(D)）

4）M08 三相同步電機

額定容量≥SN 170VA，額定電壓≥UN 220V，額定電流≥IN=0.45A，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，額定功率因素≥cosφN=0.8，額定勵磁電壓UfN=14V，額定勵磁電流≥IfN=1.2A，Y接法。E級絕緣。

5）M09 三相繞線式異步電動機(PN=100W,nN=1420r/min,IN=0.55A,UN=220V(D))

6.4.9 其他組件、掛箱要求

除以上部件外還包含：三相可調(diào)電阻≥900Ω、三相可調(diào)電阻90Ω、波形測試及開關(guān)板、旋轉(zhuǎn)指示燈及開關(guān)、電機起動箱、繼電接觸控制箱等及滿足以上實驗功能的其他組件或掛箱。鑒于安全考慮，要求實驗裝置的各掛箱及組件的面板均不采用金屬制面板，須采用絕緣非金屬材料面板，并在面板上印有各類標注符號或電路等。

6.4.10 數(shù)字示波器1（教師機）（整個實驗室只配1套）

1) ≥100M帶寬，≥500M Sa/s　≥12位硬件AD, 1G Sa/s　8位AD雙模式的采樣率；

2)硬件≥12位AD的高精度示波器，幅度測量精確度≥3位半，波形垂直放大10倍后無量化噪聲；

3)體積不大于340mm*177mm*90mm，超薄設(shè) 計，厚度不大于90mm,節(jié)省更多的桌面空間，功率不高于18Ｗ，超安靜設(shè) 計；

4)≥8寸高清液晶屏，分辨率不小于800*600，多點觸控電容屏，能像智能手機一樣移動波形，手動縮放，水平放大和垂直放大，快速找到要觀察的波形，操作更便捷；

5)存儲深度（每次采集波形的記錄長度）不低于40M點，即使采集的是12位比特的點，也可以實現(xiàn)40M；

6)最大波形刷新率不低于70000次/秒

7)內(nèi)置WIFI模塊，支持手機、平板app與示波器直連遠程監(jiān)控；

8)內(nèi)置雙通道≥25M任意波信號源，具備一鍵波形克隆功能，可以一鍵直接把示波器采集的波形選取局部后用自帶任意波輸出。  

9)內(nèi)置3（3/4）位萬用表，支持電壓，電流，電阻，電容，二極管，通斷等測試；

10)支持小信號測量，在無信號輸入的情況下，示波器本機底噪不超過0.4mV；

11)內(nèi)置鋰電池，≥13200mAH，使用時間不小于4小時，方便戶外測試。同時可以浮地測量，直接觀察220V民用電。

12)帶VGA功能，方便教學(xué)演示，同時有USB Device & Host、LAN、Pass/Fail接口；

13)時基精度不低于1ppm，可做≥6位1ppm精確度頻率計；

14) ≥12位示波器、≥25M信號源、≥3位半萬用表、≥1ppm精確度頻率計、協(xié)議解碼儀、3位半精確度高頻毫伏表、≥12位連續(xù)數(shù)據(jù)記錄儀的七合一帶電池多功能工作站；

15)具備不少于邊沿、視頻、脈寬、斜率、欠幅、窗口、Timeout、第N邊沿等觸發(fā)類型，支持邏輯觸發(fā)，總線觸發(fā)（I2C、SPI、RS232、CAN）及解碼功能；