本實用新型嵌入式控制電力電子教學設備領域，具體涉及一種多電平可調(diào)的變頻教學實訓裝置。

背景技術：

嵌入式控制是高等院校中計算機與電子信息專業(yè)的一門重要學科，著重培養(yǎng)學生的動手能力和綜合運用能力，因而一套可供教師和學生直觀操作的實訓裝置顯得尤為重要。多電平變頻的實訓項目因其涵蓋了嵌入式系統(tǒng)、電力電子、DSP原理、FPGA開發(fā)技術和開關電源、模擬電路、數(shù)字電路等知識，是學生綜合提高的一項重要實踐課題。而且結(jié)合當前變頻化的用電環(huán)境，具有非常重要的現(xiàn)實意義。能夠完成該項目的實訓，可全面提高學生的各項素質(zhì)和業(yè)務技能，并具有一定的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗。目前教學實踐中，針對這一實訓項目往往需要采購多套硬件設備，舉例而言，若需要完成三電平、五電平、七電平這三種常見電平數(shù)的多電平變頻裝置的開發(fā)實訓，需要采購三套硬件設備，而且隨著電平數(shù)的增加，設備結(jié)構(gòu)復雜，所用的功率開關器件個數(shù)激增，導致設備可靠性下降，教學成本劇增，嚴重制約了實際教學效果和學生的實踐動手機會。本實用新型提供一種可調(diào)節(jié)的多電平變頻教學實訓裝置，通過在基礎電路結(jié)構(gòu)中插接不同數(shù)量的擴展模塊，即可實現(xiàn)五電平、七電平、九電平甚至是更多電平數(shù)的變頻輸出。不同實訓課題不再需要單獨采購配套設備，僅需插接由兩個功率開關器件組成的擴展模塊即可，不僅簡化了傳統(tǒng)多電平變頻裝置的結(jié)構(gòu)，同時大大降低了教學設備的成本。另外，本裝置采用的電路拓撲結(jié)構(gòu)新穎，控制芯片功能豐富，可供學員靈活使用，有助于創(chuàng)新能力的開發(fā)，具有廣泛的適用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型公開了一種多電平可調(diào)的變頻教學實訓裝置，解決了不同電平數(shù)的變頻實訓項目需要不同裝置的弊端，大大降低了成本，而且本實用新型中所用的功率開關器件個數(shù)也比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)少，減少了開關損耗，降低了復雜性提高了裝置的可靠性。

本實用新型通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

一種多電平可調(diào)的變頻教學實訓裝置，它包括：主逆變直流電源模塊(1)、#1電平擴展模塊(2)、#2電平擴展模塊(3)、#n電平擴展模塊(4)、H橋模塊(5)、電流傳感器(6)、電壓傳感器(7)、負載模塊(8)、嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)、擴展模塊1驅(qū)動單元(10)、擴展模塊2驅(qū)動單元(11)、擴展模塊n驅(qū)動單元(12)、H橋模塊驅(qū)動單元(13)、多通道示波器(14)、電流檢測信號處理單元(15)、電壓檢測信號處理單元(16)、多路開關電源(17)和PC上位機單元(16)，所述的教學實訓裝置通過插接不同數(shù)量的電平擴展模塊，可實現(xiàn)不同電平數(shù)的直流電壓逆變交流電壓，當直流側(cè)僅有主逆變直流電源模塊(1)時，裝置逆變給負載模塊(8)上的電壓呈三電平，當直流側(cè)有主逆變直流電源模塊(1)和#1電平擴展模塊(2)時，逆變出的電壓呈五電平，當直流側(cè)有主逆變直流電源模塊(1)和#1電平擴展模塊(2)、#2電平擴展模塊(3)時，逆變出的電壓呈七電平，依次類推，變頻出來的交流電的電平數(shù)和插接的電平擴展模塊個數(shù)呈2n+3的關系，其中n代表自然數(shù)。

優(yōu)選的，各電平擴展模塊的結(jié)構(gòu)完全一樣，采用兩個功率開關器件反并聯(lián)且在其中一個并聯(lián)支路上串聯(lián)一個電壓和主逆變直流電源模塊(1)電壓相等的直流電壓源，需要調(diào)整變頻輸出的交流電壓的電平數(shù)時只需要在直流電源側(cè)插接相應數(shù)量的電平擴展模塊。

優(yōu)選的，各電平擴展模塊中的功率開關器件和H橋模塊(5)中的四個功率開關器件協(xié)同開斷為負載模塊(8)提供不同電平數(shù)的交流電壓，功率開關器件的控制信號由嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)提供并經(jīng)相應的擴展模塊驅(qū)動單元以及H橋模塊驅(qū)動單元(13)輸入到功率開關器件的驅(qū)動端。

優(yōu)選的，所述電流傳感器(6)和電壓傳感器(7)檢測負載模塊(8)的電流和電壓通過電流檢測信號處理單元(15)、電壓檢測信號處理單元(16)輸入到嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)中，裝置中的各驅(qū)動電源、控制電源的供給由多路開關電源(17)提供，PC上位機單元(16)和嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)通信完成所需實訓項目的選擇，通過多通道示波器(14)進行變頻多電平輸出電壓的直觀觀察。

優(yōu)選的，所述嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)由TMS320F28335DSP和EP3C25Q240C8FPGA構(gòu)成，DSP用于裝置中的浮點運算控制，F(xiàn)PGA用于處理PWM生成模塊以及外部D/A芯片的控制邏輯，多路開關電源(17)采用UC3844專用電源芯片，用以產(chǎn)生裝置需要的+5V、+15V、-15V、+24V等電壓。各功率開關器件的驅(qū)動單元采用集成驅(qū)動芯片，功率開關器件選用IGBT或MOSFET等全控型器件。

本實用新型的有益效果為：

本實用新型通過在傳統(tǒng)H橋逆變電路的基礎上插接不同數(shù)量的擴展模塊即可實現(xiàn)五電平、七電平等多電平結(jié)構(gòu)的變頻輸出，改變了傳統(tǒng)多電平變頻器教學實訓中一個實訓項目需要一套裝置的局面，大大節(jié)約了教學設備采購和維護成本。同時，該裝置提供的電路結(jié)構(gòu)所需功率開關器件個數(shù)少，插接擴展模塊簡單，結(jié)構(gòu)新穎，靈活多用，可為電力電子、嵌入式系統(tǒng)、開關電源等多種學科的教學實訓內(nèi)容提供平臺，適用范圍廣，利于激發(fā)拓展學員的開發(fā)和創(chuàng)新精神。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型的主電路圖；

圖2是本實用新型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖中的標號分別代表：

1、主逆變直流電源模塊；2、#1電平擴展模塊；3、#2電平擴展模塊；4、#n電平擴展模塊；5、H橋模塊；6、電流傳感器；7、電壓傳感器；8、負載模塊；9、嵌入式控制系統(tǒng)單元；10、擴展模塊1驅(qū)動單元；11、擴展模塊2驅(qū)動單元；12、擴展模塊n驅(qū)動單元；13、H橋模塊驅(qū)動單元；14、多通道示波器；15、電流檢測信號處理單元；16、電壓檢測信號處理單元；17、多路開關電源；18、PC上位機單元。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

一種多電平可調(diào)的變頻教學實訓裝置，它包括：主逆變直流電源模塊(1)、#1電平擴展模塊(2)、#2電平擴展模塊(3)、#n電平擴展模塊(4)、H橋模塊(5)、電流傳感器(6)、電壓傳感器(7)、負載模塊(8)、嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)、擴展模塊1驅(qū)動單元(10)、擴展模塊2驅(qū)動單元(11)、擴展模塊n驅(qū)動單元(12)、H橋模塊驅(qū)動單元(13)、多通道示波器(14)、電流檢測信號處理單元(15)、電壓檢測信號處理單元(16)、多路開關電源(17)和PC上位機單元(16)，所述的教學實訓裝置通過插接不同數(shù)量的電平擴展模塊，可實現(xiàn)不同電平數(shù)的直流電壓逆變交流電壓，當直流側(cè)僅有主逆變直流電源模塊(1)時，裝置逆變給負載模塊(8)上的電壓呈三電平，當直流側(cè)有主逆變直流電源模塊(1)和#1電平擴展模塊(2)時，逆變出的電壓呈五電平，當直流側(cè)有主逆變直流電源模塊(1)和#1電平擴展模塊(2)、#2電平擴展模塊(3)時，逆變出的電壓呈七電平，依次類推，變頻出來的交流電的電平數(shù)和插接的電平擴展模塊個數(shù)呈2n+3的關系，其中n代表自然數(shù)。

具體的，各電平擴展模塊的結(jié)構(gòu)完全一樣，采用兩個功率開關器件反并聯(lián)且在其中一個并聯(lián)支路上串聯(lián)一個電壓和主逆變直流電源模塊(1)電壓相等的直流電壓源，需要調(diào)整變頻輸出的交流電壓的電平數(shù)時只需要在直流電源側(cè)插接相應數(shù)量的電平擴展模塊，各電平擴展模塊中的功率開關器件和H橋模塊(5)中的四個功率開關器件協(xié)同開斷為負載模塊(8)提供不同電平數(shù)的交流電壓，功率開關器件的控制信號由嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)提供并經(jīng)相應的擴展模塊驅(qū)動單元以及H橋模塊驅(qū)動單元(13)輸入到功率開關器件的驅(qū)動端，電流傳感器(6)和電壓傳感器(7)檢測負載模塊(8)的電流和電壓通過電流檢測信號處理單元(15)、電壓檢測信號處理單元(16)輸入到嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)中，裝置中的各驅(qū)動電源、控制電源的供給由多路開關電源(17)提供，PC上位機單元(16)和嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)通信完成所需實訓項目的選擇，通過多通道示波器(14)進行變頻多電平輸出電壓的直觀觀察，嵌入式控制系統(tǒng)單元(9)由TMS320F28335DSP和EP3C25Q240C8FPGA構(gòu)成，DSP用于裝置中的浮點運算控制，F(xiàn)PGA用于處理PWM生成模塊以及外部D/A芯片的控制邏輯，多路開關電源(17)采用UC3844專用電源芯片，用以產(chǎn)生裝置需要的+5V、+15V、-15V、+24V等電壓。各功率開關器件的驅(qū)動單元采用集成驅(qū)動芯片，功率開關器件選用IGBT或MOSFET等全控型器件。

本實施方式中，以單相五電平變頻的教學實訓項目為例，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于本裝置變頻輸出的交流電的電平數(shù)和插接的擴展模塊個數(shù)呈2n+3的關系，所以本實施例中需要插接一個電平擴展模塊，即#1電平擴展模塊，并將其他插接槽短接。主逆變直流電源模塊中的電壓源V0等于#1電平擴展模塊中的電壓源V1，即V0＝V1＝Vdc。為便于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可將Vdc設為多路開關電源輸出的24V。通過PC上位機單元選擇單相五電平的變頻實訓項目，即可通過嵌入式控制系統(tǒng)單元輸出PWM調(diào)制脈沖通過擴展模塊1驅(qū)動單元、H橋模塊驅(qū)動單元控制裝置中的功率開關器件的導通和關斷，進而輸出到負載端的電壓呈多電平的交流電。通過負載端的電流傳感器和電壓傳感器進行采樣和信號調(diào)制處理并輸送到嵌入式控制系統(tǒng)單元中的DSP芯片中用于控制計算，F(xiàn)PGA芯片用于處理PWM生成模塊以及外部D/A芯片的控制邏輯，通過D/A輸出便可在多通道示波器上直觀觀察到期望的各物理量波形。多路開關電源單元輸出的5V電源供嵌入式系統(tǒng)單元使用，±15V電源供驅(qū)動單元使用。

下面進一步闡述裝置實現(xiàn)多電平變頻輸出的過程，仍以五電平變頻為例，當嵌入式控制系統(tǒng)單元輸出PWM調(diào)制脈沖控制功率開關器件導通關斷時候，負載端電壓呈不同電平形式。具體而言，當E1_a關斷，E1_b導通，H_S1和H_S4導通，H_S2和H_S3關斷時候負載端電壓為2Vdc；當E1_a導通，E1_b關斷，H_S1和H_S4導通，H_S2和H_S3關斷時候負載端電壓為Vdc；當E1_a關斷，E1_b導通，H_S1和H_S4關斷，H_S2和H_S3導通時候負載端電壓為-2Vdc；當E1_a導通，E1_b關斷，H_S1和H_S4關斷，H_S2和H_S3導通時候負載端電壓為Vdc；當H_S1和H_S4關斷，H_S2和H_S3關斷時候負載端電壓為0。綜上所述，負載端電壓可呈現(xiàn)±Vdc、0、±2Vdc這五種電平形式，逆變輸出電壓的頻率取決于PWM脈沖調(diào)制的載波信號頻率，這樣本裝置便可利用六個功率開關器件的導通關斷實現(xiàn)五電平交流電壓變頻輸出。

本實用新型通過在傳統(tǒng)H橋逆變電路的基礎上插接不同數(shù)量的擴展模塊即可實現(xiàn)五電平、七電平等多電平結(jié)構(gòu)的變頻輸出，改變了傳統(tǒng)多電平變頻器教學實訓中一個實訓項目需要一套裝置的局面，大大節(jié)約了教學設備采購和維護成本。同時，該裝置提供的電路結(jié)構(gòu)所需功率開關器件個數(shù)少，插接擴展模塊簡單，結(jié)構(gòu)新穎，靈活多用，可為電力電子、嵌入式系統(tǒng)、開關電源等多種學科的教學實訓內(nèi)容提供平臺，適用范圍廣，利于激發(fā)拓展學員的開發(fā)和創(chuàng)新精神。

以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。