CN210348975U - 一种新能源电子电力实验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种电子电力实验装置及系统。其中，电子电力实验装置包括：底板、测试设备、信号输出设备以及用电负载，信号输出设备通过输入端口与底板相连，用电负载通过输出端口与底板相连，底板设有电源、主控模块和拼装电路模块，拼装电路模块通过输入输出连接器与主控模块相连；拼装电路模块通过采样测试连接器连接测试设备，拼装电路模块包括驱动模块、功率模块、电感模块、滤波模块、交流输出模块和上位机模块。端口包括直流输入输出端口和交流输入输出端口。本实验装置采用模块化的设计方式，并提供不同参数的各功能模块，利用底板可进行电源的初步结构设计，利用电源可以搭建不同的实验系统，通过实验系统可以测试电源的实际工作特性。

Description

一种新能源电子电力实验装置及系统

技术领域

本实用新型设计电子电力技术领域，尤其是一种新能源电子电力实验装置及系统。

背景技术

目前发展节能与新能源技术已经成为一种共识，以新能源汽车为例，发展新能源汽车不仅有利于实现节能减排，保证能源安全，而且可以带动包括电池、电子电力、整车制造的整个产业链的快速发展。

新能源电源设计是新能源技术中的重要环节，同时也是高校新能源科学技术领域的教学重点，作为教学环节中使用的实训设备，电子电力实验箱的功能直接决定了教学质量。现有技术中，电子电力实验箱一般只用于使用人员认知元器件特征以及电路原理，现有技术中的电子电力实验箱包括面板和箱体，面板的反面设有布线层和焊接层，实验箱正面焊接有用于认知的元器件，实验箱正面的丝印层设有电路实验原理图以及元器件连接图。

现有技术中的电子电力实验箱对新能源电源设计的针对性较差，实验箱集成程度高，难以与不同新能源电源的应用场景相结合。

实用新型内容

为让使用人员可以选择适当的功能模块、编写相应的控制程序，以设计出针对不同应用场景的新能源电源原型，并对不同应用场景的电源进行测试，本实用新型实施例提出一种电子电力实验装置及系统。

本实用新型实施例一方面提出一种电子电力实验装置，包括：底板和测试设备，底板设有电源、输入端口、输出端口、主控模块和若干拼装电路模块，拼装电路模块通过输入输出连接器与主控模块相连；拼装电路模块通过采样测试连接器连接测试设备，拼装电路模块包括驱动模块、功率模块、电感模块、滤波模块、交流输出模块和上位机模块，其中功率模块包括功率电路，功率电路包括由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT组成的两个半桥。

其中，输入端口用于连接信号输出设备，输出端口用于连接负载。底板上设有若干指定电感值的电感模块，若干指定规格的功率模块，若干指定规格的滤波模块。驱动模块能够连接任一功率模块；任一功率模块、电感模块、滤波模块通过信号线相连。测试设备包括示波器、数字万用表、功率分析仪、直流电子负载、交流负载和LCR数字电桥。

本实用新型实施例另一方面提出一种电子电力实验系统，包括上述电子电力实验装置，电子电力实验系统的输入端口包括直流输出端口和交流输入端口，输出端口包括直流输出端口和交流输出端口。

其中，输入端口与主控模块以及功率模块相连，直流输出端口与滤波模块相连，交流输出端口与交流输出模块相连。直流输入端口连接光伏阵列模拟器，直流输出端口连接储能电池，构成光伏控制器系统；直流输入端连接储能电池，直流输出端口连接直流电子负载，构成储能直流变换器系统。交流输入端口连接电网模拟器，直流输出端口连接储能电池，构成整流电源系统。直流输入端口连接储能电池，交流输出端口连接交流负载，构成离网逆变器系统；直流输入端口连接储能电池，交流输出端口连接电网模拟器，构成储能变流器系统；直流输入端口连接光伏阵列模拟器，交流输出端口连接电网模拟器，构成光伏并网逆变器系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.提供了不同规格的功能模块，使用人员根据电源的使用场景完成初步设计后，可以选择对应的功能模块拼接形成实体电源，利用该电源可以搭建相应的电子电力系统，通过电子电力系统可以测试电源在实际应用过程中的性能。

2.使用人员通过上位机模块可以编写控制不同电子电力系统的控制程序，使用人员可以将控制程序与电路相结合，增强对新能源电力系统的理解。

附图说明

图1是实施例一提供的一种电力电子实验装置结构框图；

图2是实施例二中PWM控制电路原理图；

图3是实施例二中隔离驱动电路原理图；

图4是实施例二中功率电路原理图；

图5是实施例二中温度测量电路原理图；

图6是实施例二中电感模块结构示意图；

图7是实施例二中直流滤波电路原理图；

图8是实施例二中交流输出电路原理图第一部分；

图9是实施例二中交流输出电路原理图第二部分；

图10是实施例二中控制芯片引脚图；

图11是实施例三中光伏控制器系统结构框图；

图12是实施例三中储能直流变换器系统结构框图；

图13是实施例三中整流电源系统结构框图；

图14是实施例三中光伏并网逆变器系统结构框图；

图15是实施例三中储能变流器系统结构框图；

图16是实施例三中离网逆变器系统结构框图；

图17是实施例四中电子电力实验系统结构示意图；

图18是实施例四中电子电力实验系统使用流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

为提高新能源电源技术的教学质量，本实施例提供一种电子电力实验装置，图1是实施例一提供的一种电力电子实验装置结构框图，如图1所示的电力电子实验装置结构框图，该电子电力实验装置包括：底板1和测试设备，底板1 设有电源101、输入端口、输出端口、主控模块3和若干拼装电路模块，电源 101为主控模块3、拼装电路模块供电，拼装电路模块包括驱动模块2、功率模块6、电感模块5、滤波模块4、上位机模块7。拼装电路模块通过输入输出连接器与主控模块3相连。

其中输入端口包括直流输入端口102和交流输入端口103，输出端口包括直流输出端口104和交流输出端口105，输入端口用于电连接光伏阵列模拟器、电网模拟器等信号输入设备，输出端口用于电连接储能电池、交流负载等设备。拼装电路模块之间通过信号线相连；拼装电路模块通过采样测试连接器连接测试设备。

为方便用户使用不同参数的功能模块搭建不同功能或效果的电力电子电路，本实施例中，在底板1上设置若干指定电感值的电感模块5，若干指定规格的功率模块6，若干指定规格的滤波模块4。选择需要的功能模块后通过信号线和功能模块所对应的连接器搭建所需电路。

本实施例中，还可以将电感模块5、功率模块6、滤波模块4通过插接件与底板1电连接，选择需要的功能模块后直接将功能模块插接在指定位置，之后通过信号线和功能模块所对应的连接器搭建所需电路。

通过设置不同参数的功能模块，使得使用人员根据电源的使用场景完成初步设计后，可以利用所需规格的功能模块拼接形成实体电源。同时，使用测试设备可以对不同规格功能模块进行测试，便于使用人员了解各功能模块的基本性能和特点。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了各功能模块的电路结构，图2是实施例二中PWM控制电路原理图，图3是实施例二中隔离驱动电路原理图，参考图2和图3，本实施例中驱动模块包括PWM控制电路和隔离驱动电路，PWM 控制电路用于给隔离驱动电路供电，隔离驱动电路用于接收主控模块发出的驱动波信号，并将经过隔离驱动电路的驱动波信号送至功率模块。

PWM控制电路主要包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、变压器T1和控制芯片U2，控制芯片U2的型号为UC2845。

变压器初级绕组的一端连接NPN三极管Q1的源极，另一端连接第一电容 C21后接地、连接一电阻R17后接地、连接第一二极管D13的负极后接地、连接第二电容C7、第三电容C2后接地、连接第二电阻R7、第三电容C2后接地、连接第二二极管D6的正极、第三电容C2后接地。

NPN三极管Q1的源极和PNP三极管Q2的源极相连，NPN三极管Q1的栅极和PNP三极管Q2的栅极相连，NPN三极管Q1的栅极连接第三电阻R10后与 UC2845的信号输出引脚(OUT)相连，NPN三极管Q1的栅极还依次连接第四电阻R8和第三二极管D7，第三二极管D7的负极连接UC2845的信号输出引脚， PNP三极管Q2的栅极和漏级间连接第五电阻R14。

第一次级绕组的一端连接第四电容C10后与肖特基二极管D5(BAT54S) 的3号引脚相连，第一次级绕组的另一端连接肖特基二极管D10的1号引脚，肖特基二极管D10的1号引脚和2号引脚之间并联第五电容C11。

第二次级绕组的一端连接第五电容C12后与肖特基二极管D10(BAT54S) 的3号引脚相连，第二次级绕组的另一端连接肖特基二极管D10的1号引脚，肖特基二极管D10的1号引脚和2号引脚之间并联第六电容C15。

隔离驱动电路基于光耦器件TLP5701设计。隔离驱动电路包括第一隔离驱动单元和第二隔离驱动单元。第一隔离驱动单元通过VCC1_H、GND_H与第一次级绕组电连接第一隔离驱动单元中U3(TLP5701)的1号引脚、3号引脚之间并联第四二极管D12，第六电阻R18，第七电容C20，其中第四二极管D12 的负极连接U3的1号引脚。U3的6号引脚和4号引脚之间并联由第八电容C13、第九电容C22构成的器件单元，由第十电容C17、第十一电容C23构成的器件单元，由第七电阻R15、第五二极管ZD4构成的器件单元，其中第五二极管ZD4 的负极连接U3的4号引脚。U3的5号引脚连接第八电阻R11、第八电阻R11 并联第六二极管D11，其中第六二极管D11的正极与U3的5号引脚相连。第六二极管D11的负极和第五二极管ZD4的正极间设有第十二电容C18。第二隔离驱动单元的电路结构和第一隔离驱动单元相同，第二隔离驱动单用通过 VCC1_L、GND1_L与第二次级绕组电连接。

实验装置正常供电工作后，PWM控制电路对驱动模块中的驱动电路供电。主控模块发出驱动波通过隔离驱动电路后产生高频驱动波，隔离驱动电路将高频驱动波发送到功率模块对IGBT进行驱动。

图4是实施例二中功率电路原理图，参考图4，本实施例中功率模块包括功率电路，功率电路包括由第一IGBT Q1、第二IGBT Q2、第三IGBT Q3、第四IGBT Q4组成的两个半桥。

第一IGBT Q1的源极依次连接第九电阻R9、第十电阻R13、第十一电阻 R14和第十三电容C1，第十三电容C1的另一端与第一IGBT Q1的漏级相连，第一IGBT Q1的栅极和漏级之间连接第十二电阻R5，第一IGBT Q1的栅极连接第七二极管D1的正极，第七二极管D1并联第十三电阻R1；

第二IGBT Q2的源极依次连接第十四电阻R10、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十四电容C2，第十四电容C2的另一端与第二IGBT Q2的漏级相连，第二IGBT Q2的栅极和漏级之间连接第十七电阻R6，第二IGBT Q2的栅极连接第八二极管D1的正极，第八二极管D2并联第十八电阻R2；

第三IGBT Q3的源极依次连接第十九电阻R11、第二十电阻R17、第二十一电阻R18和第十五电容C3，第十五电容C3的另一端与第三IGBT Q3的漏级相连，第三IGBT Q3的栅极和漏级之间连接第二十二电阻R7，第三IGBT Q3 的栅极连接第九二极管D3的正极，第九二极管D3并联第二十三电阻R3；

第四IGBT Q4的源极依次连接第二十四电阻R12、第二十五电阻R19、第二十六电阻R20和第十六电容C4，第十六电容C4的另一端与第四IGBT Q4的漏级相连，第四IGBT Q4的栅极和漏级之间连接第二十七电阻，第四IGBT Q4 的栅极连接第十二极管D4的正极，第十二极管D4并联第二十八电阻R4。

功率电路通过端口INVPWM+G、INV_L、INVPWM-G、BUS-与隔离驱动电路电连接。

图5是实施例二中温度测量电路原理图，参考图5，功率模块6还包括温度采集电路，温度采集电路用于采集功率模块6中散热模组的温度，温度采集电路通过TEMP_V+、TEMP_V-与主控模块3通信连接，温度采集电路通过接口P6与散热模组相连。

实验装置正常供电工作后，由驱动模块2发送驱动波到功率模块6，驱动波驱动功率模块6完成逆变过程，温度测量电路采集散热模组工作温度并将数据发送给主控模块3，主控模块3依据温度数据对功率电路进行工作状态控制。

图6是实施例二中电感模块结构示意图，参考图6，本实施例中底板上设有电感L模块以及电感N模块,每个模块可根据用户需求搭配不同亨值的电感, 方便用户实现不同电路效果。电感L模块通过接口P1与功率电路中的BUS+端相连，电感L模块通过接口P3与功率电路中的BUS+端相连INV.L端相连，电感N模块通过接口P2与功率电路中的BUS-端相连，电感N模块通过接口P4 与功率电路中INV.L的端相连。

图7是实施例二中直流滤波电路原理图，参考如7，包括直流滤波电容单元、软启动电路和输入控制电路。本实施例中，可根据用户需要选择搭配不同容值的滤波电容实现不同的效果。本实施例中电流电压采样电路采集电压及电流参数并发送到主控模块3，主控模块3参与滤波模块4的运行控制。

实验装置正常供电工作后，依据主控模块3的控制，软启动电路中的IGBT 器件导通，第一继电器工作后软启动电路启动，此时滤波电容充电。电流电压采样电路中的传感器HLSR-50在采集到直流滤波电容电压达到阈值后软启动电路关闭，同时第二继电器工作，输入控制电路开启，滤波模块4进入待机工作状态。

图8是实施例二中交流输出电路原理图第一部分，图9是实施例二中交流输出电路原理图第二部分，参考图8和图9，本实施例中提出的实验装置还包括交流输出模块，交流输出电路包括交流滤波电容单元和输出控制单元。流输出电路还包括交流电感单元、逆变电流采样单元、逆变电压采样单元、输出电压采样单元、输入电压采样单元。本实施例中可依据用户需求更换交流输出模块中的电容或电感，以实现不同电路效果。

实验装置正常供电工作后，逆变电压采样单元采集逆变电压参数并发送到主控模块3，主控模块3判断逆变工作正常后启动输出控制单元并对负载进行输出，同时逆变电压采样单元、逆变电流采样单元、输出电压采样单元、输入电流采样单元采集逆变及输出侧电压电流参数并发送到主控模块3，通过主控模块3进行反馈控制。

为使用户可以将电路与控制程序相结合，本实施例中的实验装置设有上位机模块7，上位机模块7与主控模块3电连接。本实施例中上位机模块7配备有采用组态软件编辑的工业触摸屏和嵌入式控制的触摸屏两种形式，上位机模块7主要用于显示整个装置每个节点的工作状态和数据，以及用户可通过上位机模块7修改主控模块3中的开源控制程序。

为使用户便于了解每个功能模块的基本性能和特点，本实用新型任一实施例中，实验装置还配有测试设备，包括示波器、数字万用表、功率分析仪、直流电子负载、交流负载和LCR数字电桥。其中示波器用于测量主控模块3、滤波模块4的输出波形，并可以测量功率模块6的输入输出电压电流等信息。数字万用表主要用于测量实验装置输入、输出端口的电压和电流情况。功率分析仪主要用于测量整个实验装置的功率数据和转化效率。直流电子负载可以输出高精度直流电阻，用于测试实验装置的直流输出特性。交流负载可以输出高精度交流电阻，用于测试实验装置的交流输出特性。LCR数字电桥用于测试电路中电子元件的特性。

实施例三

为使用户可以在系统应用中测试设计电源的性能，本实用新型实施例还提供一种电子电力实验系统，包括实施例一或实施例二中任一的电子电力实验装置。

本实施例提出的实验系统的输入端口包括直流输出端口102和交流输入端口103，输出端口包括直流输出端口104和交流输出端口105。输入端口与主控模块3和功率模块6相连，直流输出端口104与滤波模块4相连，交流输出端口与交流输出模块相连。

图11是实施例三中光伏控制器系统结构框图，参考图11，使用直流输入端口102、直流输出端口104、底板1、光伏阵列模拟器8和连接储能电池9可以组成光伏控制器系统。其中直流输入端口102连接光伏阵列模拟器8，直流输出端口104连接储能电池9。

图12是实施例三中储能直流变换器系统结构框图，参考图12，使用直流输入端口102、直流输出端口104、底板1、储能电池9和直流电子负载10可以组成储能直流变换器系统。其中直流输入端口102连接储能电池9，直流输出端口104连接直流电子负载10。

图13是实施例三中整流电源系统结构框图，参考图13，使用交流输入端口103、直流输出端口104、底板1、电网模拟器11和储能电池9可以组成整流电源系统。其中交流输入端口103连接电网模拟器11，直流输出端口104连接储能电池9。

图14是实施例三中光伏并网逆变器系统结构框图，参考图14，使用直流输入端口102、交流输出端口105、底板1、储能电池9和交流负载12可以组成离网逆变器系统。其中直流输入端口102连接储能电池9，交流输出端口105 连接交流负载12。

图15是实施例三中储能变流器系统结构框图，参考图15，使用直流输入端口102、交流输出端口105、底板1、储能电池9和电网模拟器11可以组成储能变流器系统。其中直流输入端口102连接储能电池9，交流输出端口105连接电网模拟器11。

图16是实施例三中离网逆变器系统结构框图，参考图16，用直流输入端口102、交流输出端口105、底板1、光伏阵列模拟器8和电网模拟器11可以组成光伏并网逆变器系统。其中直流输入端口102连接光伏阵列模拟器8，交流输出端口105连接电网模拟器11。

实施例四

图17是实施例四中电子电力实验系统结构示意图，参考图17，本实施例中示波器14，数字万用表15，直流电子负载10，功率分析仪16，底板1，LCR 数字电桥17，电网模拟器11，储能电池9放置在立柜13中。光伏阵列模拟器8 设置在立柜13的侧面。

图18是实施例四中电子电力实验系统使用流程图，参考图18，本实施例中，实验系统的使用过程为：

步骤1.认知各功能模块的功能；

步骤2.测试各功能模块的性能；

步骤3.确定电源用途；

步骤4.选择需要的功能模块；

步骤5.连接各功能模块，搭建硬件电路；

步骤6.测试电源性能，如不符合要求则返回步骤4；

步骤7.调整电源控制程序；

步骤8.测试电源性能，如不满足要求则返回步骤7；

步骤9.设计电源系统架构；

步骤10.搭建电源系统，并测试电源在系统中的性能。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电子电力实验装置，其特征在于，包括：底板和测试设备，底板设有电源、输入端口、输出端口、主控模块和若干拼装电路模块，拼装电路模块通过输入输出连接器与主控模块相连；拼装电路模块通过采样测试连接器连接测试设备，

拼装电路模块包括驱动模块、功率模块、电感模块、滤波模块、交流输出模块和上位机模块，其中功率模块包括功率电路，功率电路包括由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT组成的两个半桥。

2.如权利要求1所述的电子电力实验装置，其特征在于，底板上设有若干指定电感值的电感模块，若干指定规格的功率模块，若干指定规格的滤波模块，驱动模块能够连接任一功率模块；任一功率模块、电感模块、滤波模块通过信号线相连。

3.如权利要求1所述的电子电力实验装置，其特征在于，电感模块、功率模块、滤波模块通过插接件与底板电连接。

4.如权利要求1所述的电子电力实验装置，其特征在于，

第一IGBT的源极依次连接第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容，第一电容的另一端与第一IGBT的漏级相连，第一IGBT的栅极和漏级之间连接第四电阻，第一IGBT的栅极连接第一二极管的正极，第一二极管并联第五电阻；

第二IGBT的源极依次连接第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容，第二电容的另一端与第二IGBT的漏级相连，第二IGBT的栅极和漏级之间连接第九电阻，第二IGBT的栅极连接第二二极管的正极，第二二极管并联第十电阻；

第三IGBT的源极依次连接第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻和第三电容，第三电容的另一端与第三IGBT的漏级相连，第三IGBT的栅极和漏级之间连接第十四电阻，第三IGBT的栅极连接第三二极管的正极，第三二极管并联第十五电阻；

第四IGBT的源极依次连接第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻和第四电容，第四电容的另一端与第四IGBT的漏级相连，第四IGBT的栅极和漏级之间连接第十九电阻，第四IGBT的栅极连接第四二极管的正极，第四二极管并联第二十电阻。

5.如权利要求4所述的电子电力实验装置，其特征在于，驱动模块包括控制芯片、NPN三极管、PNP三极管、变压器，控制芯片的型号采用UC2845；

变压器初级绕组的一端连接NPN三极管的源极，另一端连接第五电容后接地、连接第二十一电阻后接地、连接第五二极管的负极后接地、连接第六电容后接地、连接第二十二电阻后接地、连接第六二极管的正极后接地，

NPN三极管的源极和PNP三极管的源极相连，NPN三极管的栅极和PNP三极管的栅极相连，NPN三极管的栅极连接第二十三电阻后与UC2845的信号输出引脚相连，NPN三极管的栅极还依次连接第二十四电阻和第七二极管，第七二极管的负极连接UC2845的信号输出引脚，PNP三极管的栅极和漏级间连接第二十五电阻，

变压器次级绕组的一端连接第七电容后与二极管器件BAT54S的公共端相连，次级绕组的另一端连接BAT54S的正极，BAT54S的正极和负极之间连接第八电容。

6.如权利要求1所述的电子电力实验装置，其特征在于，测试设备包括示波器、数字万用表、功率分析仪、直流电子负载、交流负载和LCR数字电桥中的至少一种。

7.一种电子电力实验系统，包括权利要求1-6任一电子电力实验装置，其特征在于，输入端口包括直流输出端口和交流输入端口，输出端口包括直流输出端口和交流输出端口，输入端口与主控模块以及功率模块相连，直流输出端口与滤波模块相连，交流输出端口与交流输出模块相连。

8.如权利要求7所述的电子电力实验系统，其特征在于，

直流输入端口连接光伏阵列模拟器，直流输出端口连接储能电池，构成光伏控制器系统；直流输入端连接储能电池，直流输出端口连接直流电子负载，构成储能直流变换器系统。

9.如权利要求7所述的电子电力实验系统，其特征在于，

交流输入端口连接电网模拟器，直流输出端口连接储能电池，构成整流电源系统。

10.如权利要求7所述的电子电力实验系统，其特征在于，

直流输入端口连接储能电池，交流输出端口连接交流负载，构成离网逆变器系统；直流输入端口连接储能电池，交流输出端口连接电网模拟器，构成储能变流器系统；直流输入端口连接光伏阵列模拟器，交流输出端口连接电网模拟器，构成光伏并网逆变器系统。

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