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电机系统教学实验台

6.1 总体要求

电机系统教学实验台主要依据《电机学》、《电机及电力拖动》等课程实验大纲的要求设 计而成。实验台可完成直流电机、三相异步电机、电机拖动等相关实验内容，该实验台完全能满足本科院校新实验室建设需要。

6.2 要求能够完成的实验内容

6.2.1 直流电机实验

1）认识实验

2）复励直流发电机

3）直流他励电动机

4）并励直流电动机

6.2.2 异步电机实验

1）三相笼型异步电动机的工作特性

2）三相异步电动机的起动与调速

3）异步电动机的M—S曲线的测绘

6.2.3 同步电机实验

1）三相同步发电机的运行特性

2）三相同步发电机的并联运行

3）三相同步电动机的并联运行

4）三相同步发电机参数的测定

6.2.4 电动机机械特性的测定

1）直流他励电动机特性实验

① 直流他励电动机工作（固有）特性和机械特性

② 直流他励电动机人为机械特性（改变电枢电压调速、改变励磁电流调速）

③ 直流他励电动机电动回馈制动特性

④ 直流他励电动机电动反接制动特性

⑤ 直流他励电动机能耗制动特性

2）三相异步电动机特性实验

① 三相异步电动机工作（固有）特性和机械特性

② 三相异步电动机反接制动特性

③ 三相异步电动机再发电制动机械特性

④ 三相异步电动机电动回馈制动特性

⑤ 三相异步电动机能耗制动特性

6.2.5 电机控制实验

1）三相异步电动机点动和自锁控制线路实验

2）三相异步电动机的正反转控制线路实验

3）三相异步电动机Y/△降压起动控制线路实验

4）能耗制动控制实验

5）两台三相异步电动机起动顺序控制

6）两地控制线路

6.2.6 电机虚拟仿真实验（基于国内国际上通用的Matlab软件）

1）变压器实验

2）三相变压器实验

3）三相变压器联接组实验

4）直流发电机实验

5）直流电动机实验

6）三相鼠笼异步电动机工作特性实验

7）三相异步电机变频调速实验

8）三相同步发电机运行特性实验

9）三相同步发电机的并联运行实验

6.2.7 电路虚拟仿真实验（基于国内国际上通用的Matlab、Multisim软件）

1）基尔霍夫定律实验

2）叠加原理的验证实验

3）戴维南定理的验证

4）R、L、C串联谐振

5）三相交流电路电压、电流的测量

6.2.8 基于Matlab开发的数字电力电子实验（可用于二次开发）（以下内容只配置1套）

1）单端正激开关电源实验研究

2）单端反激开关电源实验研究

3）单相Boost型APFC有源功率因数校正实验研究

6.2.9 基于XPC模式的数字电力电子实验（可用于二次开发）（以下内容只配置1套）

1）直流斩波实验（Buck变换器）

2）直流斩波实验（Boost变换器）

3）直流斩波实验（Buck-Boost变换器）

4）单端反激式电路实验（Flyback电路）

5）单端正激式电路实验（Forward电路）

6）半桥开关电路变换器实验(HB-PWM电路)

7）全桥开关电路变换器实验(FB-PWM电路)

6.3 技术条件要求

6.3.1 整机容量：≤1.5kVA

6.3.2 工作电源：～3N/380V/50Hz/3A

6.3.3 尺寸：≤1.60m×0.75m×1.50m

6.3.4 重 量：≤300kg。

6.4 实验台的技术性能要求

6.4.1 主控制屏和实验桌要求

主控制屏采用铁质双层亚光密纹喷塑结构，面板采用铝质喷塑工艺。实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面采用高密度度防腐防火板。造型美观大方，设有两只抽屉，存放柜，用于置放工具，挂箱及资料等。实验桌设有四个轮子，便于移动和固定，有利于实验室布置。

鉴于安全考虑，要求实验装置的各挂箱及组件的面板均不采用金属制面板，须采用绝缘非金属材料面板，并在面板上印有各类标注符号或电路等。

6.4.2 实验台安全保护功能要求

1）设备和人身安全保护

要求本装置设 计了三相隔离变压器的浮地保护、电压型漏电保护、电流型漏电保护、安全实验导线等≥4种人身安全保护功能。

2）仪器仪表保护体系

要求设备中单、三相交流可调电源、直流稳压电源、同步电机励磁电源都设有短路、开路保护功能，交流电压、电流、功率表，数字直流电压、电流表等都设有过量程保护功能，设备的仪器仪表具有良好的保护功能。

6.4.3 实验台交、直流电源

1）单、三相可调交流电源

提供三相0～430V连续可调的交流电源，同时可得到0～250V单相可调电源。配有一台1.5kVA的三相电动自耦调压器，三相输出电压可以联调，也可以单独调节。带有电源输出监视仪表，并有断相指示。

2）直流电压、电流表及220V直流可调稳压电源

直流稳压电源调节范围为50V—250V/2.5A连续可调，具有过流和短路保护功能。电源可通过计算机控制。

提供220V/0.5A的直流电源，供直流电机励磁绕组使用。

提供300V、200mA、5A的三个直流测量仪表，既可以作监视仪表，也可作测量仪表。三个仪表均具有计算机接口。

3）同步电机励磁电源

同步电机励磁电源输出电流为0-2.5A连续可调，带三位半数显监视，可通过计算机程控输出。

6.4.4 实验台的仪表

1）数字式交流仪表

数字交流电压表（3只）：测量范围0～450V，精度≤0.5级，4位数字显示；

数字交流电流表（3只）：测量范围0～3A，精度≤0.5级，4位数字显示；

数字功率、功率因素表：（3只）：测量范围0～450V，0～3A，精度≤0.5级，≥4位数字显示；

仪表采用高性能的≥16位单片机设 计，量程自动切换，带具有计算机接口。

2）数字直流电压、电流表

数字直流电压表：测量范围0～300V，有2V、20V、300V≥三档量程。

数字直流毫安表：测量范围0～200mA，有2mA、20mA、200mA≥三档量程。

数字直流电流表：测量范围0～5A。

具有计算机通讯接口。由直键开关切换量程，三位半数显，精度≤0.5级

均有超量程告警并切断总电源的功能。

6.4.5 实验台的转速转矩测量

1）电机导轨及测功机

含有编码器、涡流测功机及固定电机的安装导轨，保证电机与电机之间、电机与涡流测功机之间，同轴的同心度不超过±5丝。

涡流测功机采用高精度传感器，一致性和线性度好，可靠性高。

采用涡流测功机测功，比采用传统的直流发电机作校正电机测功方式更为方便、直观，转矩可直接读出，可大大提高实验效率和精度。

2）转矩、转速测量组件

该组件包含了电机的直接手动加载功能，还可通过计算机程控加载。

转矩表：3位半数字显示，测量范围0～2N.m，可测量正负转矩值，带有计算机接口。

转速表：5位数字显示，测量范围0～2000rpm，可测量正负转速值，带有计算机接口。

6.4.6 单端正激/反激开关电源及APFC电路（基于Matlab开发的数字电力电子实验）（以下内容只配置1套）

提供单端正激/反激开关电源电路及负载、BOOST型APFC电路及负载、DSP控制系统。

采用TI32位高性能TMS320F2812(DSP2812) DSP最新产品做为控制核心芯片，利用DSP仿真器将C、C++、Matlab语言编写算法或者用Simulink库搭建控制算法下载到DSP2812芯片，通过USB接口将DSP2812与上位机之间进行实时通讯，将DSP2812中CMPR寄存器的数实时据传送到PC上的上位机进行监控，利用DSP2812的EV单元输出PWM波形。DSP2812与上位机之间通过高速中断进行交互数据。上位机软件采用LabVIEW软件进行编写，对DSP芯片中寄存器的数据进行实时监控，用户不仅可在上位机的监控界面上观察到电路的驱动波形，电路中的电流、电压波形，也能够通过上位机对DSP进行控制。

6.4.7 基于xPC模式的数字电力电子技术实验箱要求（以下内容只配置1套）

1)实时采集控制板要求

a. ≥6路模拟量输入：输入电压0-5V、0-10V、0-±10V可选；≥6路独立AD转换，转换速率300KHz。

b. ≥2路模拟量输出：输出电压0-10V、0-±10V可选；≥2路独立DA转换，转换速率1MHz。

c. ≥8路PWM输出：TTL电平；最高调制频率≥50KHz；占空比最小时间调节≤5ns。

d. ≥6路开关量输入信号：TTL电平。

e. ≥6路开关量输出信号：TTL电平。

f. ≥1个位置检测接口：可用于无刷电机、开关磁阻电机位置检测信号的输入。

g. ≥1个光电编码器接口：可用于异步电机、交流伺服电机等光电编码器信号的输入。

2)PCI-FPGA-CARD实时板卡

实时板卡安装在目标机的PCI接口上，作采集控制板和目标机之间数据通信用。xPC-Target实时快速控制系统I/O板卡的组成。模拟量输入进行AD转换后的数据、模拟量输出进行DA转换前的数据、以及光电编码器的≥3路信号都通过低压差分数据线进行数据交换，可减少数据传输路径引起的干扰。数字量输入、输出、位置检测信号相对速度较慢、数据较少，不需要用差分数据通信。PWM信号作为信号输出，也不需要差分数据通信。实时板卡PCI-FPGA-CARD和实时采集控制板MCL-1501-330-A之间所有数据信号均经过了ISO高速数字隔离电路，杜绝了PCI实时板卡受物理对象的干扰，大大提高系统的可靠性和控制精度、降低了实时板卡损坏的几率。

针对PCI-FPGA-CARD实时板卡，在Matlab环境开发了基于xPC Target 的Simulink模块库，模块库包含有脉宽调制(xPc PWMs)模块 ，模拟量输入(AD)模块，模拟量输出(DA)模块，定时器(Timer)模块，正交编码电路（QEP）模块,捕获（CAP）模块,异步中断请求模块,数字量输入/输出模块等。提供利用此板卡和实验平台开发了实验项目中的一些实验例程（以后可扩展）。用户也可以利用基于xPC Target的Simulink模块库搭建自己的控制算法，然后借助本实验平台完成硬件在回路仿真，达到快速原型化设 计的目的。

3)直流斩波电路（一）

a. 直流电源采用≥24V/4.5A开关电源，有过流保护功能，输出电压稳定。直流电源是六种直流斩波电路、零电压准谐振软开关电路、零电流准谐振软开关电路以及移相全桥零点压软开关电路的主电源。

b. 斩波电路功率器件采用的是≥18A/200V的MOSFET管，导通电阻0.18Ω，开关功耗小。MOSFET管所需的驱动功率很小，驱动电路简单，采用了专用集成驱动芯片,内部带有光耦隔离，绝缘电压高达≥2500V，输出采用推挽结构，有大电流图腾柱式输出能力。

c. Buck变换器，输入直流电压24V，输出电压0-20V，输出电流2A，变换器具有电压调整率小、负载调整率小、纹波电压低、效率高等优点。实验面板设置了多个观测点，可以观测驱动波形，MOSFET的电压、电流，电感的电压、电流，二极管的电压、电流，输出电压等波形。通过波形观察，可使学生加深对Buck电路工作原理的理解。

d. Boost变换器，输入直流电压24V，输出电压24-48V，输出电流1A。其余功能与与Buck变换器类似。

e. Buck-Boost变换器，输入直流电压24V，输出电压0-48V，输出电流1A。其余功能与与Buck变换器类似。

4）直流斩波电路（二）

a. 本实验电路的直流输入电源和驱动电路均在MCL-20A-330-A上，选择此实验部件时，同时需选择MCL-20A-330-A。

b. CuK变换器，输入直流电压24V，输出电压0-48V，输出电流1A。其余功能与与Buck变换器类似。

c. Sepic变换器，输入直流电压24V，输出电压0-48V，输出电流1A。其余功能与与Buck变换器类似。

d. Zeta变换器，输入直流电压24V，输出电压0-48V，输出电流1A。其余功能与与Buck变换器类似。

5）单端正激、反激变换器

隔离型单端正激开关电源输入AC 220V±20%/50Hz,控制频率24KHz，额定输出DC 48V/1A，效率80%以上，具有电压调整率小、负载调整率小、纹波电压低等特点。实验电路由EMI滤波及整流电路，PWM驱动电路、MOSFET、正激变压器、吸收电路、输出整流滤波电路等组成。实验面板上可以观测驱动波形，MOSFET两端、变压器原、副边两端，输出整流二极管，续流二极管、输出滤波电感等电压波形。通过波形观察，可使学生加深对单端正激开关电源工作原理的理解。

隔离型单端反激开关电源输入AC 220V±20%/50Hz,控制频率≥24KHz，额定输出DC 48V/1A。其余功能、电路组成、可观测实验波形参照单端正激开关电源。

6）半桥、全桥变换器

隔离型半桥开关电源输入AC 220V±20%/50Hz,控制频率≥24KHz，额定输出DC 48V/1A。其余功能、电路组成、可观测实验波形参照单端正激开关电源。

隔离型全桥开关电源输入AC 220V±20%/50Hz,控制频率≥24KHz，额定输出DC 48V/1A。其余功能、电路组成、可观测实验波形参照单端正激开关电源。

7)基于xPC Target下的直流降压斩波电路程序说明

在Buck降压斩波电路Simulink框图中可以看到，其主要组成模块有AD采集模块，PID调节模块，PWM脉宽调制器模块，示波器等。该系统通过Switch开环切换可进行Buck电路开环、闭环的硬件再回路仿真。闭环控制时，给定电压的值减去AD采集到的实际输出电压值的差值，经过果PI调节器后输出，PI调节器额输出值送到PWM脉宽调制器模块，可调节PWM占空比的大小，进而控制Buck电路的输出电压值。

6.4.8 电机技术要求

实验用的电机功率采用功率小于200W的模拟电机，其特性能模拟中小型电机的特性，电机的转轴的同心度与测功机导轨的转轴的同心度小于等于5丝，所有电机E级绝缘。

1）M01复励直流发电机（PN=100W,nN=1500r/min,IN=1.1A,UN=220V）

2）M03 并励直流电动机（PN=185W,nN=1600r/min,IN=1.1A,UN=220V）

3）M04三相鼠笼式异步电动机（PN=100W,nN=1420r/min,IN=0.48A,UN=220V(D)）

4）M08 三相同步电机

额定容量≥SN 170VA，额定电压≥UN 220V，额定电流≥IN=0.45A，额定转速nN=1500r/min，额定功率因素≥cosφN=0.8，额定励磁电压UfN=14V，额定励磁电流≥IfN=1.2A，Y接法。E级绝缘。

5）M09 三相绕线式异步电动机(PN=100W,nN=1420r/min,IN=0.55A,UN=220V(D))

6.4.9 其他组件、挂箱要求

除以上部件外还包含：三相可调电阻≥900Ω、三相可调电阻90Ω、波形测试及开关板、旋转指示灯及开关、电机起动箱、继电接触控制箱等及满足以上实验功能的其他组件或挂箱。鉴于安全考虑，要求实验装置的各挂箱及组件的面板均不采用金属制面板，须采用绝缘非金属材料面板，并在面板上印有各类标注符号或电路等。

6.4.10 数字示波器1（教师机）（整个实验室只配1套）

1) ≥100M带宽，≥500M Sa/s　≥12位硬件AD, 1G Sa/s　8位AD双模式的采样率；

2)硬件≥12位AD的高精度示波器，幅度测量精确度≥3位半，波形垂直放大10倍后无量化噪声；

3)体积不大于340mm*177mm*90mm，超薄设 计，厚度不大于90mm,节省更多的桌面空间，功率不高于18Ｗ，超安静设 计；

4)≥8寸高清液晶屏，分辨率不小于800*600，多点触控电容屏，能像智能手机一样移动波形，手动缩放，水平放大和垂直放大，快速找到要观察的波形，操作更便捷；

5)存储深度（每次采集波形的记录长度）不低于40M点，即使采集的是12位比特的点，也可以实现40M；

6)最大波形刷新率不低于70000次/秒

7)内置WIFI模块，支持手机、平板app与示波器直连远程监控；

8)内置双通道≥25M任意波信号源，具备一键波形克隆功能，可以一键直接把示波器采集的波形选取局部后用自带任意波输出。  

9)内置3（3/4）位万用表，支持电压，电流，电阻，电容，二极管，通断等测试；

10)支持小信号测量，在无信号输入的情况下，示波器本机底噪不超过0.4mV；

11)内置锂电池，≥13200mAH，使用时间不小于4小时，方便户外测试。同时可以浮地测量，直接观察220V民用电。

12)带VGA功能，方便教学演示，同时有USB Device & Host、LAN、Pass/Fail接口；

13)时基精度不低于1ppm，可做≥6位1ppm精确度频率计；

14) ≥12位示波器、≥25M信号源、≥3位半万用表、≥1ppm精确度频率计、协议解码仪、3位半精确度高频毫伏表、≥12位连续数据记录仪的七合一带电池多功能工作站；

15)具备不少于边沿、视频、脉宽、斜率、欠幅、窗口、Timeout、第N边沿等触发类型，支持逻辑触发，总线触发（I2C、SPI、RS232、CAN）及解码功能；