[实用新型]一种多电平可调的变频教学实训装置

说明书

技术领域

本实用新型嵌入式控制电力电子教学设备领域，具体涉及一种多电平可调的变频教学实训装置。

背景技术

嵌入式控制是高等院校中计算机与电子信息专业的一门重要学科，着重培养学生的动手能力和综合运用能力，因而一套可供教师和学生直观操作的实训装置显得尤为重要。多电平变频的实训项目因其涵盖了嵌入式系统、电力电子、DSP原理、FPGA开发技术和开关电源、模拟电路、数字电路等知识，是学生综合提高的一项重要实践课题。而且结合当前变频化的用电环境，具有非常重要的现实意义。能够完成该项目的实训，可全面提高学生的各项素质和业务技能，并具有一定的产品开发经验。目前教学实践中，针对这一实训项目往往需要采购多套硬件设备，举例而言，若需要完成三电平、五电平、七电平这三种常见电平数的多电平变频装置的开发实训，需要采购三套硬件设备，而且随着电平数的增加，设备结构复杂，所用的功率开关器件个数激增，导致设备可靠性下降，教学成本剧增，严重制约了实际教学效果和学生的实践动手机会。本实用新型提供一种可调节的多电平变频教学实训装置，通过在基础电路结构中插接不同数量的扩展模块，即可实现五电平、七电平、九电平甚至是更多电平数的变频输出。不同实训课题不再需要单独采购配套设备，仅需插接由两个功率开关器件组成的扩展模块即可，不仅简化了传统多电平变频装置的结构，同时大大降低了教学设备的成本。另外，本装置采用的电路拓扑结构新颖，控制芯片功能丰富，可供学员灵活使用，有助于创新能力的开发，具有广泛的适用范围。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种多电平可调的变频教学实训装置，解决了不同电平数的变频实训项目需要不同装置的弊端，大大降低了成本，而且本实用新型中所用的功率开关器件个数也比传统结构少，减少了开关损耗，降低了复杂性提高了装置的可靠性。

本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种多电平可调的变频教学实训装置，它包括：主逆变直流电源模块(1)、#1电平扩展模块(2)、#2电平扩展模块(3)、#n电平扩展模块(4)、H桥模块(5)、电流传感器(6)、电压传感器(7)、负载模块(8)、嵌入式控制系统单元(9)、扩展模块1驱动单元(10)、扩展模块2驱动单元(11)、扩展模块n驱动单元(12)、H桥模块驱动单元(13)、多通道示波器(14)、电流检测信号处理单元(15)、电压检测信号处理单元(16)、多路开关电源(17)和PC上位机单元(16)，所述的教学实训装置通过插接不同数量的电平扩展模块，可实现不同电平数的直流电压逆变交流电压，当直流侧仅有主逆变直流电源模块(1)时，装置逆变给负载模块(8)上的电压呈三电平，当直流侧有主逆变直流电源模块(1)和#1电平扩展模块(2)时，逆变出的电压呈五电平，当直流侧有主逆变直流电源模块(1)和#1电平扩展模块(2)、#2电平扩展模块(3)时，逆变出的电压呈七电平，依次类推，变频出来的交流电的电平数和插接的电平扩展模块个数呈2n+3的关系，其中n代表自然数。

优选的，各电平扩展模块的结构完全一样，采用两个功率开关器件反并联且在其中一个并联支路上串联一个电压和主逆变直流电源模块(1)电压相等的直流电压源，需要调整变频输出的交流电压的电平数时只需要在直流电源侧插接相应数量的电平扩展模块。

优选的，各电平扩展模块中的功率开关器件和H桥模块(5)中的四个功率开关器件协同开断为负载模块(8)提供不同电平数的交流电压，功率开关器件的控制信号由嵌入式控制系统单元(9)提供并经相应的扩展模块驱动单元以及H桥模块驱动单元(13)输入到功率开关器件的驱动端。

优选的，所述电流传感器(6)和电压传感器(7)检测负载模块(8)的电流和电压通过电流检测信号处理单元(15)、电压检测信号处理单元(16)输入到嵌入式控制系统单元(9)中，装置中的各驱动电源、控制电源的供给由多路开关电源(17)提供，PC上位机单元(16)和嵌入式控制系统单元(9)通信完成所需实训项目的选择，通过多通道示波器(14)进行变频多电平输出电压的直观观察。

优选的，所述嵌入式控制系统单元(9)由TMS320F28335DSP和EP3C25Q240C8FPGA构成，DSP用于装置中的浮点运算控制，FPGA用于处理PWM生成模块以及外部D/A芯片的控制逻辑，多路开关电源(17)采用UC3844专用电源芯片，用以产生装置需要的+5V、+15V、-15V、+24V等电压。各功率开关器件的驱动单元采用集成驱动芯片，功率开关器件选用IGBT或MOSFET等全控型器件。

本实用新型的有益效果为：