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電機系統教學實驗臺

6.1 總體要求

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

6.2 要求能夠完成的實驗內容

6.2.1 直流電機實驗

1）認識實驗

2）復勵直流發電機

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）三相同步發電機的運行特性

2）三相同步發電機的并聯運行

3）三相同步電動機的并聯運行

4）三相同步發電機參數的測定

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（改變電樞電壓調速、改變勵磁電流調速）

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）三相變壓器聯接組實驗

4）直流發電機實驗

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速實驗

8）三相同步發電機運行特性實驗

9）三相同步發電機的并聯運行實驗

6.2.7 電路虛擬仿真實驗（基于國內國際上通用的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串聯諧振

5）三相交流電路電壓、電流的測量

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

1）單端正激開關電源實驗研究

2）單端反激開關電源實驗研究

3）單相Boost型APFC有源功率因數校正實驗研究

6.2.9 基于XPC模式的數字電力電子實驗（可用于二次開發）（以下內容只配置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）半橋開關電路變換器實驗(HB-PWM電路)

7）全橋開關電路變換器實驗(FB-PWM電路)

6.3 技術條件要求

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

主控制屏采用鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，面板采用鋁質噴塑工藝。實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面采用高密度度防腐防火板。造型美觀大方，設有兩只抽屜，存放柜，用于置放工具，掛箱及資料等。實驗桌設有四個輪子，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）設備和人身安全保護

要求本裝置設 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、安全實驗導線等≥4種人身安全保護功能。

2）儀器儀表保護體系

要求設備中單、三相交流可調電源、直流穩壓電源、同步電機勵磁電源都設有短路、開路保護功能，交流電壓、電流、功率表，數字直流電壓、電流表等都設有過量程保護功能，設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、三相可調交流電源

提供三相0～430V連續可調的交流電源，同時可得到0～250V單相可調電源。配有一臺1.5kVA的三相電動自耦調壓器，三相輸出電壓可以聯調，也可以單獨調節。帶有電源輸出監視儀表，并有斷相指示。

2）直流電壓、電流表及220V直流可調穩壓電源

直流穩壓電源調節范圍為50V—250V/2.5A連續可調，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連續可調，帶三位半數顯監視，可通過計算機程控輸出。

6.4.4 實驗臺的儀表

1）數字式交流儀表

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

數字交流電流表（3只）：測量范圍0～3A，精度≤0.5級，4位數字顯示；

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

儀表采用高性能的≥16位單片機設 計，量程自動切換，帶具有計算機接口。

2）數字直流電壓、電流表

數字直流電壓表：測量范圍0～300V，有2V、20V、300V≥三檔量程。

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

數字直流電流表：測量范圍0～5A。

具有計算機通訊接口。由直鍵開關切換量程，三位半數顯，精度≤0.5級

均有超量程告警并切斷總電源的功能。

6.4.5 實驗臺的轉速轉矩測量

1）電機導軌及測功機

含有編碼器、渦流測功機及固定電機的安裝導軌，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，比采用傳統的直流發電機作校正電機測功方式更為方便、直觀，轉矩可直接讀出，可大大提高實驗效率和精度。

2）轉矩、轉速測量組件

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。

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

轉速表：5位數字顯示，測量范圍0～2000rpm，可測量正負轉速值，帶有計算機接口。

6.4.6 單端正激/反激開關電源及APFC電路（基于Matlab開發的數字電力電子實驗）（以下內容只配置1套）

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

采用TI32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新產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寄存器的數實時據傳送到PC上的上位機進行監控，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據。上位機軟件采用LabVIEW軟件進行編寫，對DSP芯片中寄存器的數據進行實時監控，用戶不僅可在上位機的監控界面上觀察到電路的驅動波形，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模式的數字電力電子技術實驗箱要求（以下內容只配置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轉換，轉換速率300KHz。

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

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

d. ≥6路開關量輸入信號：TTL電平。

e. ≥6路開關量輸出信號：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據通信用。xPC-Target實時快速控制系統I/O板卡的組成。模擬量輸入進行AD轉換后的數據、模擬量輸出進行DA轉換前的數據、以及光電編碼器的≥3路信號都通過低壓差分數據線進行數據交換，可減少數據傳輸路徑引起的干擾。數字量輸入、輸出、位置檢測信號相對速度較慢、數據較少，不需要用差分數據通信。PWM信號作為信號輸出，也不需要差分數據通信。實時板卡PCI-FPGA-CARD和實時采集控制板MCL-1501-330-A之間所有數據信號均經過了ISO高速數字隔離電路，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環境開發了基于xPC Target 的Simulink模塊庫，模塊庫包含有脈寬調制(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,數字量輸入/輸出模塊等。提供利用此板卡和實驗平臺開發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 計的目的。

3)直流斬波電路（一）

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

b. 斬波電路功率器件采用的是≥18A/200V的MOSFET管，導通電阻0.18Ω，開關功耗小。MOSFET管所需的驅動功率很小，驅動電路簡單，采用了專用集成驅動芯片,內部帶有光耦隔離，絕緣電壓高達≥2500V，輸出采用推挽結構，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，變換器具有電壓調整率小、負載調整率小、紋波電壓低、效率高等優點。實驗面板設置了多個觀測點，可以觀測驅動波形，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，具有電壓調整率小、負載調整率小、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動波形，MOSFET兩端、變壓器原、副邊兩端，輸出整流二極管，續流二極管、輸出濾波電感等電壓波形。通過波形觀察，可使學生加深對單端正激開關電源工作原理的理解。

隔離型單端反激開關電源輸入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電源。

6）半橋、全橋變換器

隔離型半橋開關電源輸入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電源。

隔離型全橋開關電源輸入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調節模塊，PWM脈寬調制器模塊，示波器等。該系統通過Switch開環切換可進行Buck電路開環、閉環的硬件再回路仿真。閉環控制時，給定電壓的值減去AD采集到的實際輸出電壓值的差值，經過果PI調節器后輸出，PI調節器額輸出值送到PWM脈寬調制器模塊，可調節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，電機的轉軸的同心度與測功機導軌的轉軸的同心度小于等于5絲，所有電機E級絕緣。

1）M01復勵直流發電機（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：三相可調電阻≥900Ω、三相可調電阻90Ω、波形測試及開關板、旋轉指示燈及開關、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 計，厚度不大于90mm,節省更多的桌面空間，功率不高于18Ｗ，超安靜設 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40M；

6)最大波形刷新率不低于70000次/秒

7)內置WIFI模塊，支持手機、平板app與示波器直連遠程監控；

8)內置雙通道≥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、協議解碼儀、3位半精確度高頻毫伏表、≥12位連續數據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邊沿等觸發類型，支持邏輯觸發，總線觸發（I2C、SPI、RS232、CAN）及解碼功能；