一种现代电力电子技术实验平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于现代电力电子技术、DSP控制技术、基于模型设计技术和虚拟仪器技术领域，适合于本科院校高年级学生、研究生等的研究型电力电子实验需求。
【背景技术】
[0002]电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。上世纪八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体器件，表明电力电子技术已经进入现代电力电子时代。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备转换的，预计十年后电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，现代电力电子技术在21世纪将起到更大作用。
[0003]传统的电力电子技术课程以可控硅为功率转换器件，随着MOSFET和IGBT器件的发展和应用普及，电力电子技术课程内容也随之发生变化。特别是近年来各本科院校增加了大量的现代电力电子技术的教学内容，有些院校在研究生教学计划中将现代电力电子技术设置为专业主干课程，电力电子技术的重要性日益增加。
[0004]相比电力电子技术教学课程的发展，电力电子技术实验教学的内容相对滞后。目前大学本科实验教学的内容基本上还是以可控硅实验占很大比例，现代电力电子技术的实验内容以分列元件和专用集成电路为主。
[0005]现代电力电子技术主要包括整流电路、直流斩波电路、逆变电路、交流调压和变频电路，控制方式以脉宽调制(PWM)为主，脉宽调制频率通常在几十千赫以上。
[0006]由于电力电子电路的复杂性，常规的控制器(如分列元件或专用集成电路)往往达不到理想的控制效果。当采用微处理器进行控制时，由于电力电子电路的快速性，对微处理器的响应速度提出了很高的要求。
[0007]目前高校中已有的现代电力电子技术实验装置中，有采用数字信号处理器(DSP)作为控制器的实验电路。其控制算法是由实验装置的制造商开发的，直接固化在处理器中了，学生只能观察算法的控制效果，无法动手设计控制算法并通过实际系统进行实验验证，控制器对学生来说相当于一个黑箱，给学生的理解造成了困难，不利于学生创新能力的培养与提尚。
[0008]也有高校开发了基于半实物仿真技术的电力电子控制系统实验装置，采用多功能数据采集卡作为AD/DA接口，由KA3525集成电路产生PffM波形来控制功率器件的通断，实现了控制算法对学生开放，学生可以自行设计控制算法并验证控制效果。由于其只能产生一路PWM波形，不能满足大部分现代电力电子实验的要求；并由于其电路结构的原因，无法产生与外部信号同步的PWM波形，以及多路在时序上同步的PWM波形，对现代电力电子技术实验具有很大的局限性。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型提出了一种全数字的现代电力电子技术实验平台，可以涵盖现代电力电子技术课程整流电路、直流斩波电路、逆变电路、交流调压和变频电路方面的所有典型实验内容，可以满足大学本科或研究生现代电力电子技术课程的实验教学要求。本实用新型以全数字控制为实验手段，采用基于模型设计的实验方法使学生可以直观地了解控制算法和各种信号变化过程，采用数字信号处理器TMS320F2812作为控制器可以满足现代电力电子电路的快速响应要求和多路PWM信号同步协调的要求。
[0010]为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案:
[0011]—种现代电力电子技术实验平台，其包括公共系统平台、直流斩波及软开关电路、单端正激/反激及单相APFC整流电路、单三相可控整流电路、单三相逆变和变频电机控制电路、上位机；
[0012]所述的公共系统平台由三相交流电源、负载、交直流仪表、低压直流电源组成；
[0013]所述的直流斩波及软开关电路、单端正激/反激及单相APFC整流电路、单三相可控整流电路、单三相逆变和变频电机控制电路分别包括DSP核心板TMS320F2812和相应的实验电路，各实验电路连接公共系统平台，各实验电路输出经电压电流信号隔离电路连接数据采集电路，数据采集电路的信号经核心板处理后，控制信号依次经PWM信号输出电路、PWM信号隔离驱动电路输入到实验电路中；各DSP核心板经通信模块连接上位机。
[0014]本实用新型的TMS320F2812核心板为DSP核心板，板上包含有TMS320F2812处理器、JTAG接口、RAM芯片、开关量输入输出接口、模拟量输入接口、PWM信号输出接口、232通信接口、485通信接口和USB通信接口。
[0015]优选地，所述的单三相逆变和变频电机控制电路的实验电路包括整流电路、可控全桥逆变电路、负载电感和电压电流检测电路，整流电路的输入端与公共系统平台的三相交流电源连接，整流电路的输出端与可控全桥逆变电路连接，PWM信号隔离驱动电路连接可控全桥逆变电路，电压电流检测电路分别与可控全桥逆变电路和电压电流信号隔离电路连接。
[0016]优选地，所述的直流斩波及软开关电路包括:
[0017]系统保护模块，用于实现过压保护、过流保护、欠压保护、过载保护和死区保护，使系统工作更安全和稳定；
[0018]直流斩波控制模块，用于检测电压电流，生成控制信号开关波形；
[0019]软开关控制模块，通过AD转换器实现电压、电流的测量，分析检测信号计算出当前控制脉宽初始位置及宽度，利用PID算法实现输出电压的闭环调节；
[0020]电压电流检测模块，采用定时器触发中断采样被测信号，并计算当前电压、电流和实时功率数据，通过一阶惯性滤波器滤除干扰信号，得到稳定的测量值；
[0021]USB通信模块，使核心板与上位机之间通过高速中断的方式进行交互数据；
[0022]人机界面模块，用于选择功能和下传控制命令及显示电压、电流、功率数据，实时波形采集，对数据进行保存、恢复及分析。
[0023]优选地，所述的单端正激/反激及单相APFC整流电路包括:
[0024]系统保护模块，用于实现过压保护、欠压保护、过流保护、死区延时、软启动、过载保护；
[0025]单端正/反激模块，根据给定的电压值启动软启动模块，检测当前电压的反馈值，由PID控制器控制当前电压，实现闭环电压控制，同时采用电流截止负反馈的限制系统的最大输出电流，防止系统过载损坏；
[0026]APFC整流模块，通过检测当前整流电路的输出电流和系统电源的相位进行判断，开通整流功率管的占空比，使系统的整流电流接近正弦值，得以提高整流电路的功率因数，实现绿色电源的功能；
[0027]数据采集模块，采用定时器触发中断采样被测信号，并计算当前电压、电流数据，通过一阶惯性滤波器滤除干扰信号，得到稳定的测量值；
[0028]USB通信模块，使核心板与上位机之间通过高速中断的方式进行交互数据；
[0029]人机界面模块，用于选择功能和下传控制命令及显示电压、电流、功率等数据，实时波形采集，对数据进行保存、恢复及分析。
[0030]优选地，所述的单三相可控整流电路包括:
[0031]系统保护模块，用于实现过压保护、过流保护、欠压保护、过载保护和死区保护，使系统工作更安全和稳定；
[0032]单相可控整流模块，通过检测单相交流电源的相位，确定控制脉冲的起始时刻，通过给定信号与检测电压的比较确定脉冲的宽度，控制整流电压的大小；
[0033]三相可控整流模块，通过检测三相交流电源的相位，确定控制脉冲的起始时刻，通过给定信号与检测电压的比较确定脉冲的宽度，控制整流电压的大小；
[0034]电压电流检测模块，采用定时器触发中断采样被测信号，并计算当前电压、电流和实时功率数据；通过一阶惯性滤波器滤除干扰信号，得到稳定的测量值；
[0035]USB通信模块，使核心板与上位机之间通过高速中断的方式进行交互数据；
[0036]人机界面模块，用于选择