TYKJ-ELEXPE电力电子装置开发实验平台
一、实验装置的主要特色
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图1 实验装置由中德合作研发
目前国内市场上的电力电子和拖动实验装置在实验内容、设计理念及硬件配置上存在诸多不足。如配置的电机功率过小、交流变频器已显落后以及缺少直观有效的实验手段等、不能真实反映工业环境中电机运行的情况，以及无法测出大功率电机特性等缺陷。本实验装置由德国和中国教师共同研发，引进德国电力电子与电机拖动实验内容与模式。与国内教学仪器市场上的同类产品比较具有较强的创新性，实验装置配置的硬件大多采用工业级产品，以用于工业领域的西门子新一代SINAMICS数字调速器 、大功率交直流电机组、变频器为主要部件，搭建了实验硬件平台，并在此基础上设计了大功率交直流电机特性、调速等实验，实现交直流电机四象限运行等功能，用直观有效的实验手段展示电机的四象限运行等较难理解的理论，并使用具有再生能量反馈功能的智能电源模块，回馈节省电能等功能。
二、电力电子及电机拖动装置构成及主要功能
1. 装置主要构成
装置主要由交直流电机组、交直流调速装置、PLC和上位机PC构成。采用计算机控制时PLC作为控制中心，通过Profibus-DP总线与交直流调速装置通信，实现在线监控，修改装置参数，故障检测和复位，以及跟踪记录等要求。也可以通过PC监控电机运行状态。
图2 装置实物图
装置包括二台2.2-4KW功率的交直流电机，中间通过转矩转速测量仪，联轴器，编码器，测速机，以及底板安装板把二台电机安装在底板上组成一个电机拖动系统。电机组实物如图3所示。
通过控制交流电机的运行状态，可以使直流电机在四象线运转。同理控制直流电机的运行状态，可以使交流电机在四象限运转。
在此装置中，直流驱动装置采用西门子SIMOREG DC MASTER 6RA70，如图4所示，其具有四象限运行可逆全数字调速系统。交流驱动装置采用西门子SINAMIC S120变频器，如图5所示，可以作标准控制和转矩控制。该变频器主要由电源模块、电机模块、控制单元CU320 组成，如图5所示。
2.实验装置主要功能及技术指标
图3 交直流电机组实物图
实验装置具有以下功能并达到相应的技术指标：
Ø 实验装置基于6ra70直流调速器和西门子SINAMICS S120交流运动控制器；
Ø 通过驱动电机和负载电机间的切换，能分别进行电机四象限运行实验；
Ø 配置2.2KW～4KW功率的交、直流电机；
Ø 除手动控制外也可选择基于PLC S300控制，以实现在线监控，修改装置参数，故障检测和复位，以及跟踪记录等要求；
Ø 采用非调节型电源模块，具有再生能量反馈功能；
Ø 其它功能，如电机转速控制、电机扭矩及转速检测等；
Ø 能完成电力电子及电机拖动课程相关实验(见实验清单);
Ø 控制方式可选择上位机通过PLC控制、现场手动调节实现。
3.配置PLC控制方式
选择西门子PLC S7-300系列作为控制核心，如图7所示，通过Profibus-DP总线与交直流调速装置进行通信读取交直流装置的电流、转速信号。 通过调节速度及电流正负给定信号可以进行四象限中任一象限控制，使得电机分别可以成为电动及发电状态，实现电机拖动功能。
图7配置PLC控制方式
网络结构如图8所示。PLC通过总线的方式对交直流电机进行通信，实现对电机参数的采集与设定。
Ø CTC为工业触摸式PC，作为上位机可以实现对电机组的控制；
Ø SIMATIC 300为PLC站，负责与上位机、交直流调速装置通信。可以在线监控，修改装置参数，故障检测和复位，以及跟踪记录等要求；
Ø Sinamic S120为系统交流调速装置，完成交流电机的四象限的控制；
Ø 6RA70为系统直流调速装置，完成直流电机的四象限控制。
上位机选择CTC工业触摸式PCs，控制界面如图9所示，通过与PLC进行通信，可以实现交直流电机速度给定、速度显示、启停、正反转控制。并能够显示交直流电机输出转矩、电流、转速波形。
图9 上位机控制界面
三、主要实验项目清单
（注：可选择PLC控制方式或非计算机控制方式下完成实验）
第一部分： 直流电机实验：
实验一：直流电机机械特性的实验验证
实验二：带PI控制器电动机转速控制实验
实验三：直流电机的弱磁特性实验
实验四：他励直流电机四象限实验：
实验项目一：直流电机电压转速线性测定
实验项目二：直流电机四象限工作状态
实验项目三：直流电机入网电流基波谐波值的测定
实验五：全控B6电桥测定实验：
实验项目一：直流电机直流电压与触发角的测定
实验项目二：直流电机功率因素的测定
实验项目三：线电流的基波与谐波测定
实验六：直流电机的动态属性-转动惯量测定实验：
实验项目一：电机电刷电压与电枢电阻的确定
实验项目二：直流电机空载转矩的测定
实验项目三：电机自由减速速度的测定
实验项目四：转动惯量的测定
实验七：直流电机的动态属性-阶跃响应测定实验：
实验项目一：向量调节法测试实验
实验项目二：对称调节法测试实验
第二部分： 交流电机实验：
实验一：三相笼型异步电机的基本结构数据的测量
实验项目一：测量三相异步电机的定子电阻
实验项目二：空载实验(s≈0)
实验项目三：堵转实验(s=1)
实验项目四：负载实验
实验项目五：Y-∆启动实验
实验二：交流电机的变频实验
实验项目一：变频器输出电压实验
实验项目二：电压及电流随时间变化的曲线实验
实验三：电机的动态特性测试
实验项目一：各电压电流随时间变化的曲线实验
实验项目二：电流的基波谐波分析实验
实验项目三：滤波器对电压的影响对比实验
实验项目四：不同频率下的电机功率分析实验
实验项目五：加速实验
实验四：电机的四象限特性实验
实验项目一：空载转速-电压特性曲线测试实验
实验项目二：转矩转速特性曲线测试实验