CN105575237A - 可扩展型电力电子教学实验装置 - Google Patents

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许贺
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Abstract

一种可扩展型电力电子教学实验装置，属于电力电子教学实验装置。实验装置利用外部PC机安装的Labview软件，以Labview图形化开发环境作为NI？CompactRIO控制器的开发环境。可通过简单连线，完成多种电力电子和电机实验；包括有多个不同电路功能的模块，有IPM模块，信号调理模块，CompactRIO控制器模块、测速模块和电表模块；所述的组件包括有PC机、负载、电机、自耦调压器和隔离变压器；PC机与CompactRIO控制器模块连接，CompactRIO控制器模块与信号调理模块连接；IPM模块与信号调理模块连接，电机与IPM模块的输出端连接，电机的输出轴通过测速模块与信号调理模块连接；负载同时与IPM模块和电表模块连接。实验装置设计合理操作方便，帮助学生和科研人员快速掌握电力电子和电机控制的基本原理与方法。

Description

可扩展型电力电子教学实验装置
技术领域
本发明涉及一种电力电子教学实验装置，特别是一种可扩展型电力电子教学实验装置。
背景技术
目前国内高等院校和高职高专院校，为了配合学生对于电力电子技术、电力拖动和自动控制等课程的学习和理解，需要在教学仪器市场选择教学仪器，让学生通过实验来提高动手能力，同时加深对相关知识的理解。然而，国内的很多教学设备存在着可扩展性不强的缺点，无法为学生提供具有综合性、灵活性的实验和教学内容的教学实验装置。
现有的电力电子类的实验装置往往是专门定制的，常具有价格昂贵、实验单一，不同的实验之间的通用性、综合性较差的缺点。
发明内容
本发明的目的是要提供一种可扩展型电力电子教学实验装置，解决价格昂贵、实验单一，不同的实验之间的通用性、综合性较差的问题。
本发明的目的是这样实现的：可扩展型电力电子实验装置包括电源，开关，模块和组件；该实验装置的前面板有电子元器件标示和接线端子，电子元器件标示和接线端子在装置内部对应着相应的实体电路；
所述的模块包括有多个不同电路功能的模块，有IPM模块，信号调理模块，CompactRIO控制器模块、测速模块和电表模块；所述的组件包括有PC机、负载、电机、自耦调压器和隔离变压器；PC机与CompactRIO控制器模块连接，CompactRIO控制器模块与信号调理模块连接；IPM模块与信号调理模块连接，电机与IPM模块的输出端连接，电机的输出轴通过测速模块与信号调理模块连接；负载同时与IPM模块和电表模块连接；外接的单相交流电源通过隔离变压器和自耦调压器为IPM模块提供交流电压；IPM模块向信号调理模块提供5V直流电源；与交流侧连接的直流稳压电源，为CompactRIO控制器模块提供24V直流电源。
所述的电表模块包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表；电表模块和相应的接线端子设置在前面板上，无需外接电表，通过简单的连线能够测量出电路中的电信号的数值，前面板上有各主电路的空气开关，电阻、电感和电容元器件；测量信号输出接口，电子元件，电机和开关处的接线端子也引出到了前面板上；前面板左下角有自耦调压器旋钮，通过调节旋钮来调节输入到IPM模块的电压值；连接在前面板上的元器件旁边，都标示有相对应的文字和符号。
所述的IPM模块为智能功率模块，该模块使用内部的IGBT作为功率开关元件，采用6单元IPM封装，每个单元内部对应一个IGBT管；IPM模块有用户接口端子JP1和用户接口端子JP2两个接口端子；通过隔离变压器和自耦调压器引入的交流电，经IPM中的不控整流模块在端子P-N处产成直流电压；再通过控制信号来驱动六个IGBT管，进而组成Boost升压电路、Buck降压电路、单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路；用户接口端子JP1有26针接口；其中，12路接口与信号调理模块通信；6路信号对应驱动6个IGBT管；2路信号对应向信号调理模块提供5V直流电源；4路检测信号分别对应为温度检测信号、V相电流检测信号、U相电流检测信号和VDC直流电压采样信号；检测信号经过信号调理模块进入CompactRIO控制器，实现闭环控制。
所述的信号调理模块内部含有光耦和信号调理电路，光耦避免了控制电路和主电路的电气连接；信号调理电路有与IPM通信的26针端口，还有以下端口：IPM采样信号端口，将IPM中的采样信号，输入到CompactRIO控制器的NI9215模拟输入采集板卡；25针井口公头端子，端子接口连接示波器来观测相应信号的波形等信息，同时作为信号输入端口，与其他实验装置连接；发波信号接收端子，接收CompactRIO控制器发出的6路PWM信号；测速模块信息的接收端子。
所述的CompactRIO控制器模块内置有NI9215模拟输入采集板卡和NI9401发波板卡；NI9215模拟输入采集板卡为16位模拟输入采集板卡，用于接收IPM的采样信号；发波板卡NI9401有8路数字量IO口，输出6路PWM信号到信号调理模块；实验装置上设有网线接口，可通过网线将PC机与CompactRIO控制器模块相连接，将PC机中的电力电子程序下载到控制器中，然后进行相关的电力电子实验。
有益效果及优点，由于采用了上述方案，
本实验装置对于帮助学生或科研人员掌握基本实验方法和加强实验技能训练而言，具有设计合理，简单直观，便于操作的特点，由此而来的优异效果体现在以下几个方面：
本实验装置体积较小，外部只需要单向的交流电源即可，因此可以节约实验室的空间。
本实验装置内部的实体电路，在开关和电子元器件的附近均串联有保险丝，可以有效的对电路和电路器件进行过电流保护。同时，保险丝价格便宜，易于更换。
本实验装置将多项实验所需设备进行了模块化的汇集，不仅扩展性强而且成本适中，可以节约设备购置资金。
在LabView图形化开发环境中对CompactRIO控制器模块进行编程，Labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，其具有直观、易学易用的特点，图形化编程工具LabView产生的程序是框图的形式，代替了传统的程序代码，因而可以在短时间内被学生和科研人员掌握并应用到实验和实际工程中去。
解决了价格昂贵、实验单一，不同的实验之间的通用性、综合性较差的问题，达到了本发明的目的。
附图说明：
图1为本发明的实验装置结构示意图。
图2为本发明的装置前面板示意图。
图3为本发明的IPM模块中的用户接口端子JP2接口端子内部结构简图。
图4为本发明的电力电子实验示意图。
图5为本发明的电机实验示意图。
图6为本发明的实验操作流程图。
图中，1、PC机；2、CompactRIO控制器模块；3、采集板卡NI9215；4、信号调理模块；5、负载；6、电表模块；7、发波板卡NI9401；8、测速模块；9、用户接口端子JP1；10、用户接口端子JP2；11、IPM模块；12、电机；13、自耦调压器；14、隔离变压器；15、单相外接交流电源。
具体实施方式
可扩展型电力电子实验装置包括电源，开关，模块和组件；该实验装置的前面板有电子元器件标示和接线端子，电子元器件标示和接线端子在装置内部对应着相应的实体电路；
所述的模块包括有多个不同电路功能的模块，有IPM模块11，信号调理模块4，CompactRIO控制器模块2、测速模块8和电表模块6；所述的组件包括有PC机1、负载5、电机12、自耦调压器13和隔离变压器14；PC机1与CompactRIO控制器模块2连接，CompactRIO控制器模块2与信号调理模4块连接；IPM模块11与信号调理模块4连接，电机12与IPM模块11的输出端连接，电机12的输出轴通过测速模块8与信号调理模块4连接；负载5同时与IPM模块11和电表模块6连接；外接的单相交流电源15通过隔离变压器14和自耦调压器13为IPM模块11提供交流电压；IPM模块11向信号调理模块4提供5V直流电源；与交流侧连接的直流稳压电源，为CompactRIO控制器模块2提供24V直流电源。
电源采用外接交流电源，外接交流电源通过自耦调压器13和隔离变压器14接入，通过调节自耦调压器13为各模块提供不同等级的电压。
所述的电表模块包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表；电表模块和相应的接线端子设置在前面板上，无需外接电表，通过简单的连线能够测量出电路中的电信号的数值，前面板上有各主电路的空气开关，电阻、电感和电容元器件；测量信号输出接口，电子元件，电机和开关处的接线端子也引出到了前面板上；前面板左下角有自耦调压器旋钮，通过调节旋钮来调节输入到IPM模块的电压值；连接在前面板上的元器件旁边，都标示有相对应的文字和符号。
所述的IPM模块采用的是三菱公司的智能功率模块，该模块使用内部的IGBT作为功率开关元件，采用6单元IPM封装，每个单元内部对应一个IGBT管；IPM模块有用户接口端子JP1和用户接口端子JP2两个接口端子；通过隔离变压器和自耦调压器引入的交流电，经IPM中的不控整流模块在端子P-N处产成直流电压；再通过控制信号来驱动六个IGBT管，进而组成Boost升压电路、Buck降压电路、单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路；用户接口端子JP1有26针接口；其中，12路接口与信号调理模块通信；6路信号对应驱动6个IGBT管；2路信号对应向信号调理模块提供5V直流电源；4路检测信号分别对应为温度检测信号、V相电流检测信号、U相电流检测信号和VDC直流电压采样信号；检测信号经过信号调理模块进入CompactRIO控制器，实现闭环控制。
所述的IPM模块既可以实现Boost升压电路、Buck降压电路、单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路，也可以经过扩展，在逆变后的交流侧接电机，用PC机中下载到CompactRIO控制器模块中的程序实现控制电机的调速实验。
所述的信号调理模块内部含有光耦和信号调理电路，光耦起到隔离电路的作用，避免了控制电路和主电路的电气连接；信号调理电路有与IPM通信的26针端口，还有以下端口：IPM采样信号端口，将IPM中的采样信号，输入到CompactRIO控制器的NI9215模拟输入采集板卡；25针井口公头端子，端子接口连接示波器来观测相应信号的波形等信息，同时作为信号输入端口，与其他实验装置连接；发波信号接收端子，接收CompactRIO控制器发出的6路PWM信号；测速模块信息的接收端子。
所述的CompactRIO控制器模块采用的NI公司的CompactRIO控制器9030；该控制器内部配置有接收采样信号的采集板卡NI9215和发送PWM脉冲波的发波板卡NI9401；NI9215模拟输入采集板卡为16位模拟输入采集板卡，用于接收IPM中的采样信号；NI9401发波板卡有8路数字量IO口，输出6路PWM信号到信号调理模块；实验装置上设有网线接口，可通过网线将PC机与CompactRIO控制器模块相连接，将PC机中的电力电子程序下载到控制器中，然后进行相关的电力电子实验。
下面结合附图，进一步详细描述本发明的实施例。
实施例1：可扩展型电力电子教学实验装置，如图1所示，包括PC机1，CompactRIO控制器2，信号调理模块4，IPM模块11和电表模块6。装置前面板有电子元器件标示和接线端子，电子元器件标示和接线端子在装置内部对应着相应的实体电路。电表可以测量出实验中所要测量点的电压和电流。利用PC机1安装的Labview软件，为NICompactRIO控制器2提供开发环境。IPM模块11的供电由外接的单相交流电源15通过自耦调压器13和隔离变压器14接入，通过调节自耦调压器13为IPM模块11提供不同等级的交流电压。
将在PC机1的Labview软件开发环境中编写好的程序通过网线下载到NICompactRIO控制器2中，PC机1和CompactRIO控制器2采用TCP通信协议连接。CompactRIO控制器2配置NI9030实时控制器和四槽可扩展机箱，其中1槽配置NI9401板卡7，8路数字I/O口，2槽配置NI9215模拟输入采集板卡3，4路16位模拟输入口。信号调理模4将传感器采集到的电机转速、直流侧电压、V相电流、W相电流信号，转化为相应的电压信号后输入到NI9215采集板卡3。控制器对采样信号进行处理后，从NI9401发波板卡7，发出6路PWM脉冲，脉冲信号经过调理模块4上的光耦隔离后，通过IPM模块11的用户接口端子JP1接口端子进入到IGBT驱动电路,并且分别控制对应的IGBT。IPM模块11的用户接口端子JP2接口，不但可以接电子元件实现电力电子实验，而且也可以外接电机12，进而通过控制器控制电机运行。与此同时，测速模块8将由传感器采集到的转速信号传递给信号调理模块4。
如图2所示，实验装置的前面板上分布有交流电压表16，交流电流表17，直流电压表18和直流电流表19，各电表下都设有两排接线端子，用于测量实验中的电压、电流数值。前面板上有两个不同阻值的电阻21和22、电感23和电容24的标志和对应的接口端子，在电力电子实验中，可以通过简单的连线应用这些电力电子元件进行实验。另外还有测速模块输出端口接口端子25、电机线接口端子27，外部单相交流电接口端子28，接地端子29。前面板左下角是自耦调压器的旋钮26。
前面板分布有电表模块6，并且有相应的接线端子，无需外接电表，通过简单的连线就可以测量出电路中的相应电信号的数值。通过前面板上的空气开关20控制各主电路的通断。前面板上的负载模块5包括负载电阻21、负载电阻22、电感23和电容元件24，且各负载均有接线端子，方便在实验时选用负载。测量信号输出端口26可外接示波器或其他实验装置。前面板上提供的器件旁都标有相对应的文字和符号，可视性强。
如图3所示是IPM模块5的JP2接口端子内部结构简图，外部的220V/50Hz单相交流电，经过自耦调压器13输出0-125V交流可调电压，再经过220V/380V隔离变压器14升压得到0-220V的交流可调电压。该0-220V交流可调电压，经过JP2接口中的ACL-ACN端子28接入，经过二极管不控整流、电容滤波后得到直流电压。该直流电压源串联10欧姆100瓦的电阻作为限流电阻。三组IGBT桥臂共有6个IGBT组成，每个桥臂上下各有一个IGBT，且每个IGBT均并联一个二极管，起到续流和反馈能量的作用。JP2接口的U、V、W作为输出端口，可以外接电力电子元件，也可以外接电机12。
CompactRIO控制器模块采用NI公司的CompactRIO控制器，CompactRIO控制器配置实时控制器和四槽可扩展机箱；1槽配置板卡NI94017，8路数字I/O口，用于发出6路IGBT的PWM控制信号；2槽配置板卡NI92153，4路16位模拟输入口，用于接收电机转速、电压、电流等由传感器采集后经过调理板转化的电压信号。
在LabView图形化开发环境中对CompactRIO控制器进行编程。Labview是一种基图形化编程语言的开发环境。
CompactRIO控制器2发出的6路脉冲，经过信号调理模块上的光耦隔离后进入IPM模块11，通过IPM模块11的IGBT驱动电路控制对应的IGBT通断，IPM模块的用户接口端子JP2接口的U、V、W端，可以外接前面板上对应的电子元器件，实现如图4所示的Boost升压电路32、Buck降压电路33、单相半桥逆变电路34、单相全桥逆变电路35和三相全桥逆变电路36。
IPM模块11的用户接口端子JP2接口U、V、W端，也可以如图5所示通过电机线接线端子27外接电机12，进而可以完成CompactRIO控制器2控制电机运行的实验。
测速模块8将测得的电机实时的转速信号，经过信号调理模块4调理后，反馈给CompactRIO控制器2。
如图6所示，为实验实施过程的流程图。首先在对实验装置进行通电前检查，将所有空气开关20关闭(开关拨向下)，将自耦调压器旋钮32调到0。检查无误后对实验台上电，ACL-ACN端子28接入220V/50Hz交流电压。此时控制器自动上电，各电表启动就绪。正确上电后，用网线将PC机1和CompactRIO控制器NI9030的网口相连，在Labview开发环境中连接控制器。然后对主电路上电，将实验平台前面板上的主电路空开打开(推上去)。轻轻旋动自耦调压器调压旋钮31，根据特定的实验要求来调节电压以及各个空开的闭合与断开。接着下载程序和运行，进行电力电子实验或电机实验。最后停止实验：在Labview程序的前面板上，按下“停止”按钮，跳出大循环结束程序，关闭主电路空开(推下来)，将自耦变压器旋钮31调到0。
单相交流电经端子ACL-ACN28引入实验装置，通过自耦调压器13和隔离变压器14调压，在端子P-N30处产成不同等级的直流电压，然后通过CompactRIO控制器发出的6路PWM信号，经过信号调理模块4后控制IPM中的IGBT开关，进而实现Boost升压电路32、Buck降压电路33、单相半桥逆变电路34、单相全桥逆变电路35和三相全桥逆变电路36。也可以经过扩展，经a-b-c电机线接线端子27外接测速模块8和电机12，进而实现电机的调速实验。

Claims (5)

1.一种可扩展型电力电子教学实验装置，其特征是：包括电源，开关，模块和组件；该实验装置的前面板有电子元器件标示和接线端子，电子元器件标示和接线端子在装置内部对应着相应的实体电路；
所述的模块包括有多个不同电路功能的模块，有IPM模块，信号调理模块，CompactRIO控制器模块、测速模块和电表模块；所述的组件包括有PC机、负载、电机、自耦调压器和隔离变压器；PC机与CompactRIO控制器模块连接，CompactRIO控制器模块与信号调理模块连接；IPM模块与信号调理模块连接，电机与IPM模块的输出端连接，电机的输出轴通过测速模块与信号调理模块连接；负载同时与IPM模块和电表模块连接；外接的单相交流电源通过隔离变压器和自耦调压器为IPM模块提供交流电压；IPM模块向信号调理模块提供5V直流电源；与交流侧连接的直流稳压电源，为CompactRIO控制器模块提供24V直流电源。
2.根据权利要求1所述的可扩展型电力电子教学实验装置，其特征是：所述的电表模块包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表；电表模块和相应的接线端子设置在前面板上，无需外接电表，通过简单的连线能够测量出电路中的电信号的数值，前面板上有各主电路的空气开关，电阻、电感和电容元器件；测量信号输出接口，电子元件，电机和开关处的接线端子也引出到了前面板上；前面板左下角有自耦调压器旋钮，通过调节旋钮来调节输入到IPM模块的电压值；连接在前面板上的元器件旁边，都标示有相对应的文字和符号。
3.根据权利要求1所述的可扩展型电力电子教学实验装置，其特征是：所述的IPM模块为智能功率模块，该模块使用内部的IGBT作为功率开关元件，采用6单元IPM封装，每个单元内部对应一个IGBT管；IPM模块有用户接口端子JP1和用户接口端子JP2两个接口端子；通过隔离变压器和自耦调压器引入的交流电，经IPM中的不控整流模块在端子P-N处产成直流电压；再通过控制信号来驱动六个IGBT管，进而组成Boost升压电路、Buck降压电路、单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路；用户接口端子JP1有26针接口；其中，12路接口与信号调理模块通信；6路信号对应驱动6个IGBT管；2路信号对应向信号调理模块提供5V直流电源；4路检测信号分别对应为温度检测信号、V相电流检测信号、U相电流检测信号和VDC直流电压采样信号；检测信号经过信号调理模块进入CompactRIO控制器，实现闭环控制。
4.根据权利要求1所述的可扩展型电力电子教学实验装置，其特征是：所述的信号调理模块内部含有光耦和信号调理电路，光耦避免了控制电路和主电路的电气连接；信号调理电路有与IPM通信的26针端口，还有以下端口：IPM采样信号端口，将IPM中的采样信号，输入到配置在CompactRIO控制器9030上的采集板卡NI9215；25针井口公头端子，端子接口连接示波器来观测相应信号的波形信息，同时作为信号输入端口，与其他实验装置连接；发波信号接收端子，接收CompactRIO控制器发出的6路PWM信号；测速模块信息的接收端子。
5.根据权利要求1所述的可扩展型电力电子教学实验装置，其特征是：所述的CompactRIO控制器模块内置有NI9215模拟输入采集板卡和NI9401发波板卡；NI9215模拟输入采集板卡为16位模拟输入采集板卡，用于接收IPM中的采样信号；NI9401发波板卡有8路数字量IO口，输出6路PWM信号到信号调理模块；实验装置上设有网线接口，可通过网线将PC机与CompactRIO控制器模块相连接，将PC机中的电力电子程序下载到控制器中，然后进行相关的电力电子实验。
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