第一章 DJDK-1 型 电力电子技术及电机控制实验装置和各挂件简介V31版

PAGEPAGE58DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1-1控制屏介绍及操作说明一、特点(1)实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》及《控制理论》等课程所开设的主要实验。(2)实验装置占地面积小，节约实验室用地，无需设置电源控制屏、电缆沟、水泥墩等，可减少基建投资；实验装置只需三相四线的电源即可投入使用，实验室建设周期短、见效快。(3)实验机组容量小，耗电小，配置齐全；装置使用的电机经过特殊设计,其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组。(4)装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；电路连接方式安全、可靠、迅速、简便；除电源控制屏和挂件外，还设置有实验桌，桌面上可放置机组、示波器等实验仪器，操作舒适、方便。电机采用导轨式安装，更换机组简捷、方便；实验台底部安装有轮子和不锈钢固定调节机构，便于移动和固定。(5)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实保护操作者的安全，为开放性的实验室创造了安全条件。(6)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。(7)实验线路选择紧跟教材的变化，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。二、技术参数(1)输入电压三相四线制380V±10%50Hz(2)工作环境环境温度范围为-5—40℃,相对湿度<75%,海拔<1000m(3)装置容量：＜１.5kVA(4)电机输出功率:＜200W(5)外形尺寸：长×宽×高=1870㎜×730㎜×1600㎜图1-1DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置外形图1-2DJK01电源控制屏电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。图1-2主控制屏面板图1、三相电网电压指示三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。2、定时器兼报警记录仪平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。（具体操作方法详见DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置使用说明书）3、电源控制部分它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。4、三相主电路输出三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。在A、B、C三相附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定主电源输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。5、励磁电源在按下启动按钮后将励磁电源开关拨向“开”侧，则励磁电源输出为220V的直流电压，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A熔丝做短路保护，由于励磁电源的容量有限，仅作为直流电机提供励磁电流，故一般不能作为大电流的直流电源使用。6、面板仪表面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为可逆调速系统提供电压及电流指示；面板上部设置有500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，精度为0.5级，供交流调速系统实验时使用。1-3各挂件功能介绍以挂件的编号次序分别介绍其使用方法，并简单说明其工作原理及单元电路原理图。一、DJK02挂件（晶闸管主电路）该挂件装有12只晶闸管、直流电压和电流表等，其面板如图1-3所示。图1-3三相变流桥路面板图1、三相同步信号输出端同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，供DJK02-1内的KC04集成触发电路，产生移相触发脉冲；只要将本挂件的12芯插头与屏相连接，则输出相位一一对应的三相同步电压信号；接口的详细情况详见附录相关内容。2、正、反桥脉冲输入端从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上；接口的详细情况详见附录相关内容。3、正、反桥钮子开关从正、反桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正、反桥钮子开关”接至相应晶闸管的门极和阴极。面板上共设有十二个钮子开关，分为正、反桥两组，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲；开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极；开关打到“断”侧，触发脉冲被切断；通过钮子开关的拨动可以模拟晶闸管失去脉冲的故障情况。4、三相正、反桥主电路正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管组成；其中由VT1～VT6组成正桥元件（一般不可逆、可逆系统的正桥使用正桥元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ组成反桥元件（可逆系统的反桥以及需单个或几个晶闸管的实验可使用反桥元件）；所有这些晶闸管元件均配置有阻容吸收及快速熔断丝保护，此外正桥还设有压敏电阻接成三角形，起过压吸收。5、电抗器实验主回路中所使用的平波电抗器装在电源控制屏内，其各引出端通过12芯的插座连接到DJK02面板的中间位置，有3档电感量可供选择，分别为lOOmH、2O0mH、700mH（各档在1A电流下能保持线性），可根据实验需要选择合适的电感值。电抗器回路中串有3A熔丝保护，熔丝座装在电抗器旁。6、直流电压表及直流电流表面板上装有300V的带镜面直流电压表、2A的带镜面直流电流表，均为中零式，精度为1.0级，为可逆调速系统提供电压及电流指示。二、DJK02-1挂件(三相晶闸管触发电路)该挂件装有三相触发电路和正反桥功放电路等，面板图如图1-4。1、移相控制电压Uct输入及偏移电压Ub观测及调节Uct及Ub用于控制触发电路的移相角；在一般的情况下，我们首先将Uct接地，调节Ub，以确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角定下后，在以后的调节中只调节Uct的电压，这样确保移相角不会大于初始位置；如在逆变实验中初始移相角α=150o定下后，无论调节Uct，都能保证β>30O，防止出现逆变颠覆的情况。2、触发脉冲指示在触发脉冲指示处设有钮子开关用以控制触发电路，开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、而前沿可调的宽脉冲链；开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生互差60o的双窄脉冲。图1-4三相触发电路面板图3．三相同步信号输入端通过专用的十芯扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号；同步信号也可以从其他地方提供，但要注意相序的问题；接口的详细情况详见附录相关内容。4、锯齿波斜率调节与观测孔打开挂件的电源开关，由外接同步信号经KC04集成触发电路，产生三路锯齿波信号，调节相应的斜率调节电位器，可改变相应的锯齿波斜率，三路锯齿波斜率应保证基本相同，使六路触发信号保持同时出现,且双窄脉冲间隔基本一致。5、控制电路其线路原理如图1-5所示。在由原KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60°的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔。VT1～VT6为单脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)；VT1’～VT6’为双脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)。三相同步电压信号从每个KC04的“8”脚输入，在其“4”脚相应形成线性增加的锯齿波，移相控制电压Uct和偏移电压Ub经叠加后，从“9”脚输入。当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066（电子开关），使得每个KC04从“1、15”脚输出相位相差180°的单窄脉冲(可在上面的脉冲观测孔观测到)，窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲(可在下面的脉冲观测孔观测到)。将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04的“1、15”脚输出宽脉冲，同时将KC41的控制端“7”脚接高电平，使KC41停止工作，宽脉冲则通过4066的“3、9”两脚直接输出。4069为反相器，它将部分控制信号反相，控制4066；KC42为调制信号发生器，对窄脉冲和宽脉冲进行高频调制。具体有关KC04、KC41、KC42的内部电路原理图，请查阅附录中的相关内容。6、正、反桥功放电路正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图1-6所示；由触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。Ulf即为DJKO2面板上的Ulf,接地才可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲；正桥共有六路功放电路，其余的五路电路完全与这一路一致；反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是控制端不一样，将Ulf改为Ulr。7、正桥控制端Ulf及反桥控制端Ulr这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作；Ulf控制正桥功放电路，Ulr控制反桥。8、正、反桥脉冲输出端经功放电路放大的触发脉冲，通过专用的20芯扁平线将DJK02“正反桥脉冲输入端”与DJK02-1上的“正反桥脉冲输出端”连接，为其晶闸管提供相应的触发脉冲；接口的详细情况详见附录相关内容。图1-6功放电路原理图图1-5触发电路原理图三、DJK03-1挂件（晶闸管触发电路）晶闸管装置的正常工作与门极触发电路的正确、可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计，为了能可靠触发晶闸管应满足以下要求:(1)触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并保留足够的裕量。(2)为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲的相位应能在一定的范围内连续可调。(3)触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。图1-7DJK03-1面板图(4)触发脉冲的波形要符合一定的要求。多数晶闸管电路要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的导通控制。对于电感性负载，由于电感的存在，其回路中的电流不能突变，所以要求其触发脉冲要有一定的宽度，以确保主回路的电流在没有上升到晶闸管擎住电流之前，其门极与阴极始终有触发脉冲存在，保证电路可靠工作。DJK03-1挂件是晶闸管触发电路的专用的实验挂箱，面板如图1-7所示。其中有单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路I和II，单相交流调压触发电路以及西门子TCA785集成触发电路。1、单结晶体管触发电路利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图1-8所示。图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。图1-8单结晶体管触发电路原理图工作原理简述如下：由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，图1-9单结晶体管触发电路各点的电压波形(α=900)脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但对晶闸管的触发只有第一个输出脉冲起作用。电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。单结晶体管触发电路的各点波形如图1-9所示。电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。2、正弦波同步移相触发电路正弦波同步移相触发电路由同步移相、脉冲放大等环节组成，其原理如图1-10所示。同步信号由同步变压器副边提供。三极管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极综合了同步信号电压UT、偏移电压Ub及控制电压Uct（RP1电位器调节Uct，RP2调节Ub）。调节RP1及RP2均可改变V1三极管的翻转时刻，从而控制触发角的位置。脉冲形成整形环节是一分立元件的集基耦合单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。当V1未导通时，R6供给V2足够的基极电流使之饱和导通，V3截止。电源电压通过R9、T1、VD6、V2对C4充电至15V左右，极性为左负右正。图1-10正弦波同步移相触发电路原理图当V1导通的时候，V1的集电极从高电位翻转为低电位，V2截止，V3导通，脉冲变压器输出脉冲。由于设置了C4、RP3阻容正反馈电路，使V3加速导通，提高输出脉冲的前沿陡度。同时V3导通经正反馈耦合，V2的基极保持低电压，图1-11正弦波同步移相触发电路的各点电压波形(α=00)V2维持截止状态，电容通过RP3、V3放电到零，再反向充电，当V2的基极升到0.7V后，V2从截止变为导通，V3从导通变为截止。V2的基极电位上升0.7V的时间由其充放电时间常数所决定，改变RP3的阻值就改变了其时间常数，也就改变了输出脉冲的宽度。正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图1-11所示。电位器RP1、RP2、RP3均已安装在面板上，同步变压器副边已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。3、锯齿波同步移相触发电路I、II锯齿波同步移相触发电路I、II由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图1-12所示。图1-12锯齿波同步移相触发电路I原理图由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图1-13所示。本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，供单相整流及逆变实验用。电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。图1-13锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形(α=900)4、单相交流调压触发电路单相交流调压触发电路采用KCO5集成晶闸管移相触发器（KCO5的电路内部原理图见附录）。该集成触发器适用于触发双向晶闸管或两个反向并联晶闸管组成的交流调压电路，具有失交保护、输出电流大等优点，是交流调压的理想触发电路。单相交流调压触发电路原理图1-14所示。图1-14单相交流调压触发电路原理图同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP2点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，RP2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。电位器RP1、RP2均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。5、西门子TCA785触发电路教科书上讲述的晶闸管集成触发电路，如KC04、KC05等，在目前工业现场很少使用了。工业现场正在使用的新型晶闸管集成触发电路，主要有西门子的TCA785，与KC04等相比它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节。西门子TCA785外围电路如图1-15所示。锯齿波斜率由电位器RP1调节，RP2电位器调节晶闸管的触发角。电位器RP1、RP2已安装在挂箱的面板上，所有的测试信号都在面板上引出。图1-15Tca785锯齿波移相触发电路原理图6.外接220V输入端该挂件的电源及同步信号都是由外接220V输入端提供的，注意的是输入的电压范围为220V±10%，如超过此范围会造成设备严重损坏。四、DJK04挂件（电机调速控制实验I）该挂件主要完成电机调速实验，如单闭环直流调速实验、双闭环直流调速实验、逻辑无环流等实验。同时和其它挂件配合可增加实验项目，如与DJK18配合使用就可以完成三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验。DJK04的面板图如下：图1-16DJK04面板图1、电流反馈与过流保护本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源。其原理如图1-17。图1-17电流反馈与过流保护原理图TA1,TA2,TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。(1)电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支路上，其中:①R2与VD7并联后再与R1串联，在其中点取零电流检测信号从1脚输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由R1、R2分压所得，VD7截止。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6V左右时，VD7导通，使输出始终保持在0.6V左右。②将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。③RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于电容C2的存在，V3先与V2导通，V3的集电极低电位，V4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推β信号供电流调节器使用。(5)SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下SB以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通，V3截止、V4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB后，V2基极失电进入截止状态，V3导通、V4截止，电路才恢复正常。元件RP1、RP2、SB均安装在该挂箱的面板上，以方便操作。2、给定给定的原理图如图1-18所示。图1-18电压给定原理图电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。 按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：(1)将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。(2)将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。(3)将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。3、转速变换转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图1-19为其原理图：图1-19速度变换使用时，将DD03-2(或DD03-3)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。4、速度调节器速度调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原理见图1-20。在图1-20中“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节，其电阻、电容均从DJK08挂件上获得。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数，改变C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。图1-20速度调节器原理图电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。电阻R7、电容C1和电容C5两端在面板上装有接线柱，可根据需要外接电阻及电容。5、反号器反号器由运算放大器及有关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合，如图1-21。图1-21反号器原理图反号器的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为：U2=-（RP1+R3）/R1×U1调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则U2=-U1输入与输出成倒相关系。电位器RP1装在面板上，调零电位器RP2装在内部线路板上（在出厂前我们已经将运放调零，用户不需调零）。6、电流调节器电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图1-22所示。电流调节器也可当作速度调节器使用。元件RP1、RP2、RP3均装在面板上，电容C1、电容C7和电阻R13的数值可根据需要，由外接电阻、电容来改变。图1-22电流调节器原理电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推β信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推β信号（高电平）信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使α角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管V4、V5导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。7、转矩极性鉴别转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图1-23所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图1-25a所示，具有继电特性。调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为:Uk=Usr2一Usr1=K1(Uscm2一Uscm1)式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2～0.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。图1-23转矩极性鉴别原理图图1-24零电平检测器原理8、零电平检测零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图1-24和图1-25b所示。(a)转矩极性检测(b)零电平检测图1-25转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性9、逻辑控制逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。其原理图如图1-26所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推电路和功放电路等环节组成。(1)逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由UM是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由UI是否从“0”变“1”决定)。即当UM变号后，零电平检测到主电路电流过零(UI=“1”)时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。(2)延时环节要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2(约lOms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用，VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。图1-26逻辑控制器原理图(3)逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出A点电位变为“0”，使Ulf和Ulr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。(4)推β环节在正、反桥切换时，逻辑控制器中的G8输出“1”状态信号，将此信号送入电流调节器的输入端作为脉冲后移推β信号，从而可避免切换时电流的冲击。(5)功放电路由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动Ulf、Ulr,故增加了V3、V4组成的功率放大级。五、DJK05挂件（直流斩波电路）DJK05挂件为直流斩波电路挂箱，分为斩波器主电路和斩波器触发电路两大部分。图1-27DJK05面板图1、斩波器触发电路斩波器触发电路由三部分组成，图1-28为斩波器触发电路的原理图。第一部分为由幅值比较电路U1和积分电路U2组成一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。电位器RP1用来调节锯齿波的上下位置，电位器RP2用来调节锯齿波的频率（频率从100到700Hz可调）。由于晶闸管的开关速度及LC振荡频率所限，所以在斩波实验中我们一般选用200Hz这一范围。第二部分是比较器部分。比较器U3输入的一路是锯齿波信号，另一路是给定的电平信号，输出为前沿固定后沿可调的方波信号。改变输入的电平信号的值，则相应改变了输出方波的占空比。图1-28斩波器触发电路原理图第三部分是比较器产生的方波送到4098双单稳电路U4，单稳电路则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图1-29所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变，输出的脉冲经三极管放大通过脉冲变压器输出。将上述两脉冲分别送至主晶闸管及辅助晶闸管，其中方波前沿触发脉冲G1、K1接主晶闸管VT1，而后沿触发脉冲G2、K2接辅助晶闸管VT2。a）单稳电路输入波形b）主晶闸管触发电路c）辅助晶闸管触发电路图1-29斩波器触发电路输出主、辅脉冲相位关系2、斩波器主电路主电路如图1-30所示。其中VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管，当主脉冲到来的时候，VT1导通，电源电压就通过该晶闸管加在负载上。由VT2控制输出电压的脉宽。C和L1构成换流振荡电路,它们与VD2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。接通电源时，C经VD1、负载充电至+Ud0，VT1导通，电源加到负载上，当辅助脉冲到来时，VT2导通，C和L1产生串联振荡，C上的电压由+Ud0变为-Ud0，C经VD1和VT1反向放电，使流过VT1的电流降到零，迫使VT1关断。VD3为续流二极管，为反电势负载提供放电回路。图1-30斩波器主电路六、DJKO6挂件(给定及实验器件)该挂件由给定、负载及+24V直流电源等组成。面板示意图如下：图1-31DJK06面板图1、负载灯泡作为电力电子实验的电阻性负载。2、给定作为新器件特性实验中的给定电平触发信号，或提供DJK02-1的移相控制电压。电压范围-15V～0V～+15V。原理图见1-18。3、+24V电源该+24V直流电源主要提供单相并联逆变实验所需的直流电源，输出最大电流为0.5A。输出通过一钮子开关控制，输出端有0.5A熔丝保护。4、二极管 提供四个二极管可作为普通整流二极管，也可用做为晶闸管实验带电感性负载时所需续流二极管。在回路中有一个钮子开关对其进行通断控制。注意由于该二极管工作频率不高，故不能将此二极管当快速恢复二极管使用，规格为：耐压800V,最大电流3A。5、压敏电阻三个压敏电阻（规格为：3kA/510V）用于三相反桥主电路(逻辑无环流直流调速系统)的电源输入端，作为过电压保护，内部已连成三角形接法。注意不可输入峰值电压高于510V，否则造成压敏电阻损坏。6、电感 5mH，额定电流0.5A。用于单相并联逆变电路实验。七、DJK07挂件（新器件特性实验）该挂件装有SCR(单向晶闸管)、MOSFET(功率场效应晶体管)、IGBT(绝缘双极性晶体管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(大功率晶体管)五种功率器件。与DJK06配合使用，可完成SCR、MOSFET、IGBT、GTO、GTR的特性实验，测定新器件的特性曲线；与DJK12配合使用，可完成MOSFET、IGBT、GTO、GTR的驱动及保护实验。面板图如下：图1-32DJK07面板图八、DJK08挂件（可调电阻、电容箱）DJKO8挂件既可作为调速控制中电流、速度调节器的外接电阻、电容，也可作为单相并联逆变实验中的换流电容。共有2组可调电阻、3组可调电容。其中2组电阻值可以在0～999kΩ范围内调节，额定功率为2W；2组电容可在0.1uF～8.37uF范围可调，剩余1组电容在0.1uF～11.37uF范围可调，其耐压值为63V（使用时要注意，外加的电压值不要超过此值）。`图1-33DJK08面板图可调电容箱处装有钮子开关和琴键开关，四个钮子开关为一路，共有三路，分别控制各自的电容输出端，将开关拨至“接入”位置表示已将钮子开关所标的电容值接入，拨向“断开”位置，则表示将该电容断开。钮子开关上部有一组琴键，每组琴键开关分别控制其下面三路电容的接入，按下琴键开关的任意键，则表示已将该键所标的电容值接入下面三路电容输出端。九、DJK09挂件(单相调压与可调负载)该挂件由可调电阻、整流与滤波、单相自耦调压器组成，面板如图1-34。可调电阻由两个同轴90Ω/1.3A瓷盘电阻构成，通过旋转手柄调节电阻值的大小，单个电阻回路中有1.5A熔丝保护。整流与滤波的作用是将交流电源通过二极管整流输出直流电源，供实验中直流电源使用，交流输入侧输入最大电压为250V,有2A熔丝保护。单相自耦调压器额定输入交流220V，输出0～250V可调电压。图1-34DJK09面板图十、DJK10挂件(变压器实验)该挂件由三相心式变压器，逆变变压器以及三相不控整流桥组成。面板图如图1—35。1、三相心式变压器在绕线式异步电机串级调速系统中作为逆变变压器使用，在三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验中也要使用该挂箱。该变压器有2套副边绕组，原、副边绕组的相电压为127V/63.5V/31.8V。(如果Y/Y/Y接法，则线电压为220V/110V/55V) 2、逆变变压器额定电压24V，额定电流0.5A，变压比为1，用于单相并联逆变实验。 3、三相不控整流桥由六只二极管组成桥式整流，最大电流3A。可用于三相桥式、单相桥式有源逆变电路及直流斩波原理实验中的高压直流电源等。图1-35DJK10面板图十一、DJK12挂件（功率器件驱动电路实验箱）DJKl2挂件是功率器件驱动与保护电路实验箱，其中包括GTO、GTR、MOSFET、IGBT四种自关断器件的驱动和保护电路，可拖动直流电机进行调压调速实验。挂件由以下几部分组成：PWM信号发生电路(PWM)、GTO驱动与保护电路(GTO)、GTR驱动与保护电路(GTR)、MOSFET驱动与保护电路(MOSFET)、IGBT驱动与保护电路(IGBT)、稳压电源。面板如图1-36所示：图1-36DJK12面板图1、稳压电源提供5V、15V及20V电源，供各个驱动电路使用。2、PWM信号发生器PWM波形发生器是为新器件驱动电路提供PWM波形，其工作原理是由SG3525为核心的PWM发生器，工作原理详见半桥型开关稳压电源的性能研究。实验时，把PWM波形发生器的输出接至各驱动电路的输入，用示波器在驱动电路的输出端观察相应的驱动波形。用钮子开关进行切换，可选择高频和低频的PWM波形，高频档是为MOSFET和IGBT驱动电路所用，频率调节范围从2～10K，低频档是为GTR和GTO驱动电路所用，频率调节范围从200～1000Hz。通过调节电位器W1，可对频率进行调节；输出PWM波的占空比由电位器W2进行调节。3、GTO驱动与保护电路GTO的驱动与保护电路如图1-37所示：电路由±5V直流电源供电，输入端接PWM发生器输出的PWM信号，经过光耦隔离后送入驱动电路。当比较器LM311输出低电平时，V2、V4截止、V3导通，+5V的电源经R11、R12、R14和C1加速网络向GTO提供开通电流，GTO导通；当比较器输出高电平时，V2导通、V3截止、V4导通，-5V的电源经L1、R13、V4、R14提供反向关断电流，关断GTO后，再给门极提供反向偏置电压。图1-37GTO驱动与保护电路原理图4、IGBT驱动与保护电路IGBT管的驱动与保护电路如图1-38所示，该电路采用富士通公司开发的IGBT专用集成触发芯片EXB841。它由信号隔离电路、驱动放大器、过流检测器、低速过流切断电路和栅极关断电源等部分组成。EXB841的“6”脚接一高压快恢复二极管VD1至IGBT的集电极，以完成IGBT的过流保护。正常工作时，RS触发器输出高电平，输入的PWM信号相与后送入EXB841的输入端“15”脚。当过流时，驱动电路的保护线路通过VD1检测到集射极电压升高，一方面在10us内逐步降低栅极电压，使IGBT进入软关断；另一方面通过“5”脚输出过流信号，使RS触发器动作，从而封锁与门，使输入封锁。图1-38IGBT管的驱动与保护电路5、MOSFET驱动与保护电路MOSFET的驱动与保护电路如图1-39所示，该电路由15V电源供电，PWM控制信号经光耦隔离后送入驱动电路，当比较器LM311的“2”脚为低电平时，其输出端为高电平，三极管V1导通，使MOSFET的栅极接+15V电源，从而使MOSFET管导通。当比较器LM311“2”脚为高电平时，其输出端为低电平15V，三极管V1截止，VD1导通，使MOSFET管栅极接-15V电源，迫使MOSFET关断。图1-39MOSFET管的驱动与保护电路6、GTR驱动与保护电路GTR的驱动与保护电路原理框图如图1-40所示：该电路的控制信号经光耦隔离后输入555，555接成施密特触发器形式，其输出信号用于驱动对管V1和V2，V1和V2分别由正、负电源供电，推挽输出提供GTR基极开通与关断的电流。C5、C6为加速电容，可向GTR提供瞬时开关大电流以提高开关速度。图1-40GTR的驱动与保护电路原理图VD1～VD4接成贝克钳位电路，使GTR始终处于准饱和状态有利于提高器件的开关速度，其中VD1、VD2、VD3为抗饱和二极管，VD4为反向基极电流提供回路。比较器N2通过监测GTR的BE结电压以判断是否过电流，并通过门电路控制器在过电流时关断GTR。当检测到基极过电流时，通过采样电阻R11得到的电压大于比较器N2的基准电压，则通过与非门使74LS38的6脚输出为高电平，从而使V1管截止，起到关断GTR的作用。十二、DJK13挂件（三相异步电机变频调速控制）DJK13可完成三相正弦波脉宽调制SPWM变频原理实验、三相马鞍波（三次谐波注入）脉宽调制变频原理实验、三相空间电压矢量SVPWM变频原理等实验，面板图如下：图1-41DJK13面板图1、显示、控制及计算机通讯接口控制部分由“转向”、“增速”、“减速”三个按键及四个钮子开关等组成。每次点动“转向”键，电机的转向改变一次，点动“增速”及“减速”键，电机的转速升高或降低，频率的范围从0.5Hz～60Hz，步进频率为0.5Hz。从0.5Hz～50Hz范围内是恒转矩变频，50Hz～60Hz为恒功率变频。K1、K2、K3、K4四个钮子开关为V/F函数曲线选择开关，每个开关代表一个二进制，将钮子开关拨到上面，表示“1”，将其拨到下面，表示“0”，从“0000”到“1111”共十六条V/F函数曲线。在按键的下面有“S、V、P”三个插孔，它的作用是切换变频模式。当三个全部都悬空时，工作在SPWM模式下；当短接“V”、“P”时，工作在马鞍波模式下。当短接“S”、“V”时，工作在SVPWM模式下。不允许将“S”、“P”插孔短接，否则会造成不可预料的后果。通讯接口用于本挂件与计算机联机（操作方法详见附录），通过对计算机键盘和鼠标的操作，完成各种控制和在显示器上显示相应点的波形。使用时必须用本公司所附带的计算机插件板，专用软件与联接电缆。2、电压矢量观察我们使用“旋转灯光法”来形象表示SVPWM的工作方式。通过对“V0～V7”八个电压矢量的观察，更加形象直观的了解SVPWM的工作过程。3、磁通轨迹观测在不同的变频模式下，其电机内部磁通轨迹是不一样的。面板上特别设有X、Y观测孔，分别接至示波器的X、Y通道，可观测到不同模式下的磁通轨迹。4、PLC控制接口面板上所有控制部分（包括V/F函数选择，“转向”、“增速”、“减速”按键，“S、V、P”的切换）的控制接点都与PLC部分的接点一一对应，经与PLC主机的输出端相连，通过对PLC的编程、操作可达到希望的控制效果。5、SPWM观测区SPWM及马鞍波的变频原理的波形观测（分别在对应的模式下才能观测到正确的波形）。测试点1：在这两种模式下的V/F函数的电压输出。测试点2、3、4：在SPWM模式下为三相正弦波信号，在马鞍波模式下为三相马鞍波信号。测试点5：高频三角波调制信号。测试点6、7、8：调制后的三相波形。6、SVPWM观测区SVPWM的波形观测（在SVPWM模式下才能观测到正确的波形）。测试点9：在这SVPWM模式下的V/F函数的电压输出。测试点10、11、12：空间矢量三相的波形。测试点14：高频三角波调制信号。测试点13：三角波与V/F函数的电压信号合成后的PWM波形。测试点15、16、17：三相调制波形。7、三相主电路主电路由单相桥式整流、滤波及三相逆变电路组成，逆变输出接三相鼠笼电机。主电路交流输入由一开关控制。逆变电路由六个IGBT管组成，其触发脉冲有相应的观测孔引出。十三、DJK14挂件(单相交直交变频原理)该挂件主要完成单相交直交变频原理实验。面板图如下：图1-42单相交直交变频原理面板图1．主电路主电路由四个IGBT及LC滤波电路组成，左侧为0～200V的直流电压输入，右侧输出经LC低通滤波后的正弦波信号。2．驱动电路驱动电路由IGBT专用驱动电路M57962L构成，具有驱动、隔离、保护等功能。3．控制电路控制电路由两片8038及外围元器件等组成，其中一片8038产生一路锯齿波，另一片产生一路频率可调的正弦波，调节“正弦波频率调节电位器”可调节正弦波的频率。为了让学生能比较清晰的观测到SPWM信号，锯齿波的频率分为两挡，可通过钮子开关进行切换。当钮子开关拨到运行侧时，输出频率为10kHz左右，可减少输出谐波分量，当钮子开关拨到测试侧，输出400Hz左右，方便用普通示波器观测SPWM信号。负载选择开关用于选择所带负载的性质，选择电阻电感时，正弦波调节的频率从5Hz左右开始，选择电机负载时，正弦波调节的频率从30Hz左右开始。十四、DJK17挂件(双闭环H桥DC/DC变换直流调速)该挂件主要完成双闭环H桥PWM直流调速系统及DC/DC变换电路实验，主要由电流调节器、速度调节器、给定、电流反馈调节、转速反馈调节等，由于其基本的工作原理与DJK04的基本一致。具体说明见双闭环H桥PWM直流调速系统实验。面板图如下。图1-43DJK17面板图十五、DJK18挂件（电机调速控制实验II）该挂件与DJK04挂件配合可完成三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验，其面板如下：图1-44DJK18面板图1、触发选择器触发选择器的原理图如下：图1-45触发选择器原理图在错位选触无环流可逆直流调速系统实验中，触发选择器的输入接电压调节器的输出，输出一部分接DJK02上的Ulf和Ulr，控制正反桥工作；输出另一部分接电流符号选择器的输入，用于切换电流反馈的极性。当“1”端输入为负的电压信号时，超过RP1设置的正的偏置电压，则U1运放输出高电平，V1和V3都导通，“2”端输出高电平，“3”端如果C极外接电源则输出为低电平。U2的正相输入端始终为负值，故运放输出恒为负电压，V2截止。当“1”端输入为正的电压信号时，超过RP2负的偏置电压，则U2运放输出低电平，V2和V4都导通，“4”端输出高电平，“5”端如果C极外接电源则输出为低电平。U1的负相输入端始终为正值，故运放输出恒为负电压，V1截止。电位器RP1、RP2均已装在面板上。2、绝对值放大器原理图如下：图1-46绝对值放大器原理图绝对值放大器对输入的电平信号进行绝对值变换，同时还具有输出限幅及最小值设定电路。信号从“1”端输入，由VD1、VD6、U1、U2等组成绝对值电路，当输入为负信号时，VD1导通，信号经U2运放反向得到正值，此时VD6处于截止状态，故负的信号从VD1回路走，A点为负值；当输入为正信号时，VD1截止，信号经U2运放反向后输出负值，VD6导通，A点依然为负值，再经U1运放反向得到正的信号。VD7、RP1构成正限幅电路，RP2、VD8构成最小值设定电路，V3为射随输出。“2”端为当过流保护输出一推β信号时，V1导通，降低“3”端输出电压，使整流桥进入逆变状态，降低输出电压。电位器RP1、RP2均已装在面板上。3、电流符号选择器电流符号选择器原理图如图1-47。在错位选触无环流可逆直流调速系统实验中电流符号选择器将电流反馈量转变为适合反馈系统的值。电流符号选择器的“2”端输入接电流反馈及过流保护的“2”端，“1”、“3”两端分别接触发选择器的“2”和“4”，输出端“4”接电流调节器的输入端。在实验中当电机正向转动的时候，触发选择器的“2”端输出高电平，从电流符号选择器“1”端输入，击穿稳压管V1，使V2导通，将V2的集电极电位拉到零；触发选择器“4”端输出低电平，从电流符号选择器“3”端输入，V4处于截止，电流反馈为正的电压值从“2”端入，由于V2导通、V4截止，正的电流反馈信号先经U2反向后，再经过U1反向输出，输出的值依然为正值。当电机反转时，反馈的电流信号依然为正值，触发选择器的“2”端输出由高电平变成低电平，触发选择器“4”端由低电平变为高电平，使得电流符号选择器的V2截止、V4导通，电流信号直接经U1运放反向输出，输出负的电压值。图1-47电流符号选择器原理图4、电压调节器电压调节器与电流调节器及转速调节器的原理基本相同，在三闭环系统中它能缩小电压调节死区，防止动态环流，保证电流能安全地换相，并且能克服电流断续对系统性能的影响。原理图如图1-48。它所增加的部分为零速封锁环节，当其“3”端输入为0时，MOS管导通，短接电阻R5及电容C2，使输出为恒为零。图1-48电压调节器原理图电位器RP1、RP2、RP3均装在面板上，方便操作。5、零速封锁器零速封锁器的原理图如下：图1-49零速封锁器原理图零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器，逻辑门及延时环节组成，其原理如图1-49，零速封锁器的作用是：当给定电压及速度反馈电压均为零时（即调速系统在停车状态），封锁电压调节器的输出，保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测，当