一種現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、DSP控制技術(shù)、基于模型設(shè)計技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域，適合于本科院校高年級學(xué)生、研究生等的研究型電力電子實驗需求。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。上世紀(jì)八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體器件，表明電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經(jīng)過電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換的，預(yù)計十年后電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代電力電子技術(shù)在21世紀(jì)將起到更大作用。
[0003]傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程以可控硅為功率轉(zhuǎn)換器件，隨著MOSFET和IGBT器件的發(fā)展和應(yīng)用普及，電力電子技術(shù)課程內(nèi)容也隨之發(fā)生變化。特別是近年來各本科院校增加了大量的現(xiàn)代電力電子技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，有些院校在研究生教學(xué)計劃中將現(xiàn)代電力電子技術(shù)設(shè)置為專業(yè)主干課程，電力電子技術(shù)的重要性日益增加。
[0004]相比電力電子技術(shù)教學(xué)課程的發(fā)展，電力電子技術(shù)實驗教學(xué)的內(nèi)容相對滯后。目前大學(xué)本科實驗教學(xué)的內(nèi)容基本上還是以可控硅實驗占很大比例，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的實驗內(nèi)容以分列元件和專用集成電路為主。
[0005]現(xiàn)代電力電子技術(shù)主要包括整流電路、直流斬波電路、逆變電路、交流調(diào)壓和變頻電路，控制方式以脈寬調(diào)制(PWM)為主，脈寬調(diào)制頻率通常在幾十千赫以上。
[0006]由于電力電子電路的復(fù)雜性，常規(guī)的控制器(如分列元件或?qū)Ｓ眉呻娐?往往達(dá)不到理想的控制效果。當(dāng)采用微處理器進(jìn)行控制時，由于電力電子電路的快速性，對微處理器的響應(yīng)速度提出了很高的要求。
[0007]目前高校中已有的現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗裝置中，有采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器的實驗電路。其控制算法是由實驗裝置的制造商開發(fā)的，直接固化在處理器中了，學(xué)生只能觀察算法的控制效果，無法動手設(shè)計控制算法并通過實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證，控制器對學(xué)生來說相當(dāng)于一個黑箱，給學(xué)生的理解造成了困難，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提尚。
[0008]也有高校開發(fā)了基于半實物仿真技術(shù)的電力電子控制系統(tǒng)實驗裝置，采用多功能數(shù)據(jù)采集卡作為AD/DA接口，由KA3525集成電路產(chǎn)生PffM波形來控制功率器件的通斷，實現(xiàn)了控制算法對學(xué)生開放，學(xué)生可以自行設(shè)計控制算法并驗證控制效果。由于其只能產(chǎn)生一路PWM波形，不能滿足大部分現(xiàn)代電力電子實驗的要求；并由于其電路結(jié)構(gòu)的原因，無法產(chǎn)生與外部信號同步的PWM波形，以及多路在時序上同步的PWM波形，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗具有很大的局限性。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]本實用新型提出了一種全數(shù)字的現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗平臺，可以涵蓋現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程整流電路、直流斬波電路、逆變電路、交流調(diào)壓和變頻電路方面的所有典型實驗內(nèi)容，可以滿足大學(xué)本科或研究生現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)要求。本實用新型以全數(shù)字控制為實驗手段，采用基于模型設(shè)計的實驗方法使學(xué)生可以直觀地了解控制算法和各種信號變化過程，采用數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為控制器可以滿足現(xiàn)代電力電子電路的快速響應(yīng)要求和多路PWM信號同步協(xié)調(diào)的要求。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案:
[0011]—種現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗平臺，其包括公共系統(tǒng)平臺、直流斬波及軟開關(guān)電路、單端正激/反激及單相APFC整流電路、單三相可控整流電路、單三相逆變和變頻電機(jī)控制電路、上位機(jī)；
[0012]所述的公共系統(tǒng)平臺由三相交流電源、負(fù)載、交直流儀表、低壓直流電源組成；
[0013]所述的直流斬波及軟開關(guān)電路、單端正激/反激及單相APFC整流電路、單三相可控整流電路、單三相逆變和變頻電機(jī)控制電路分別包括DSP核心板TMS320F2812和相應(yīng)的實驗電路，各實驗電路連接公共系統(tǒng)平臺，各實驗電路輸出經(jīng)電壓電流信號隔離電路連接數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)采集電路的信號經(jīng)核心板處理后，控制信號依次經(jīng)PWM信號輸出電路、PWM信號隔離驅(qū)動電路輸入到實驗電路中；各DSP核心板經(jīng)通信模塊連接上位機(jī)。
[0014]本實用新型的TMS320F2812核心板為DSP核心板，板上包含有TMS320F2812處理器、JTAG接口、RAM芯片、開關(guān)量輸入輸出接口、模擬量輸入接口、PWM信號輸出接口、232通信接口、485通信接口和USB通信接口。
[0015]優(yōu)選地，所述的單三相逆變和變頻電機(jī)控制電路的實驗電路包括整流電路、可控全橋逆變電路、負(fù)載電感和電壓電流檢測電路，整流電路的輸入端與公共系統(tǒng)平臺的三相交流電源連接，整流電路的輸出端與可控全橋逆變電路連接，PWM信號隔離驅(qū)動電路連接可控全橋逆變電路，電壓電流檢測電路分別與可控全橋逆變電路和電壓電流信號隔離電路連接。
[0016]優(yōu)選地，所述的直流斬波及軟開關(guān)電路包括:
[0017]系統(tǒng)保護(hù)模塊，用于實現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)和死區(qū)保護(hù)，使系統(tǒng)工作更安全和穩(wěn)定；
[0018]直流斬波控制模塊，用于檢測電壓電流，生成控制信號開關(guān)波形；
[0019]軟開關(guān)控制模塊，通過AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓、電流的測量，分析檢測信號計算出當(dāng)前控制脈寬初始位置及寬度，利用PID算法實現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)；
[0020]電壓電流檢測模塊，采用定時器觸發(fā)中斷采樣被測信號，并計算當(dāng)前電壓、電流和實時功率數(shù)據(jù)，通過一階慣性濾波器濾除干擾信號，得到穩(wěn)定的測量值；
[0021]USB通信模塊，使核心板與上位機(jī)之間通過高速中斷的方式進(jìn)行交互數(shù)據(jù)；
[0022]人機(jī)界面模塊，用于選擇功能和下傳控制命令及顯示電壓、電流、功率數(shù)據(jù)，實時波形采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、恢復(fù)及分析。
[0023]優(yōu)選地，所述的單端正激/反激及單相APFC整流電路包括:
[0024]系統(tǒng)保護(hù)模塊，用于實現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、死區(qū)延時、軟啟動、過載保護(hù)；
[0025]單端正/反激模塊，根據(jù)給定的電壓值啟動軟啟動模塊，檢測當(dāng)前電壓的反饋值，由PID控制器控制當(dāng)前電壓，實現(xiàn)閉環(huán)電壓控制，同時采用電流截止負(fù)反饋的限制系統(tǒng)的最大輸出電流，防止系統(tǒng)過載損壞；
[0026]APFC整流模塊，通過檢測當(dāng)前整流電路的輸出電流和系統(tǒng)電源的相位進(jìn)行判斷，開通整流功率管的占空比，使系統(tǒng)的整流電流接近正弦值，得以提高整流電路的功率因數(shù)，實現(xiàn)綠色電源的功能；
[0027]數(shù)據(jù)采集模塊，采用定時器觸發(fā)中斷采樣被測信號，并計算當(dāng)前電壓、電流數(shù)據(jù)，通過一階慣性濾波器濾除干擾信號，得到穩(wěn)定的測量值；
[0028]USB通信模塊，使核心板與上位機(jī)之間通過高速中斷的方式進(jìn)行交互數(shù)據(jù)；
[0029]人機(jī)界面模塊，用于選擇功能和下傳控制命令及顯示電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，實時波形采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、恢復(fù)及分析。
[0030]優(yōu)選地，所述的單三相可控整流電路包括:
[0031]系統(tǒng)保護(hù)模塊，用于實現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)和死區(qū)保護(hù)，使系統(tǒng)工作更安全和穩(wěn)定；
[0032]單相可控整流模塊，通過檢測單相交流電源的相位，確定控制脈沖的起始時刻，通過給定信號與檢測電壓的比較確定脈沖的寬度，控制整流電壓的大小；
[0033]三相可控整流模塊，通過檢測三相交流電源的相位，確定控制脈沖的起始時刻，通過給定信號與檢測電壓的比較確定脈沖的寬度，控制整流電壓的大??；
[0034]電壓電流檢測模塊，采用定時器觸發(fā)中斷采樣被測信號，并計算當(dāng)前電壓、電流和實時功率數(shù)據(jù)；通過一階慣性濾波器濾除干擾信號，得到穩(wěn)定的測量值；
[0035]USB通信模塊，使核心板與上位機(jī)之間通過高速中斷的方式進(jìn)行交互數(shù)據(jù)；
[0036]人機(jī)界面模塊，用于選擇