一种多电平可调的变频教学实训装置，属于嵌入式控制电力电子教学设备领域。包括：主逆变直流电源模块、电平扩展模块、H桥模块、电流传感器、电压传感器、负载模块、嵌入式控制系统单元、扩展模块驱动单元、H桥模块驱动单元、多通道示波器、电流检测信号处理单元、电压检测信号处理单元、多路开关电源和PC上位机单元。该装置相比传统多电平变频装置，所用功率开关器件更少，减少了开关损耗和外围所需的驱动电路，降低系统复杂性，提高了装置可靠性。同时本装置电路拓扑结构灵活多变，集成了交流变频、嵌入式系统、开关电源等多个功能模块供教学实训开发，不仅节约教学成本也利于激发学员的拓展和创新能力。
【技术实现步骤摘要】
一种多电平可调的变频教学实训装置
本技术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。
技术介绍
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。本技术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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术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，而且本技术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。本技术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。本技术的有益效果为：本技术通过在传统H桥逆变电路的基础上插接不同数量的扩展模块即可实现五电平、七电平等多电平结构的变频输出，改变了传统多电平变频器教学实训中一个实训项目需要一套装置的局面，大大节约了教学设备采购和维护成本。同时，该装置提供的电路结构所需功率开关器件个数少，插接扩展模块简单，结构新颖，灵活多用，可为电力电子、嵌入式系统、开关电源等多种学科的教学实训内容提供平台，适用范围广，利于激发拓展学员的开发和创新精神。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本技术的主电路图；图2是本技术的控制系统结构图；图中的标号分别代表：1、主逆变直流电源模块；2、#1电平扩展模块；3、#2电平扩展模块；4、#n电平扩展模块；5、H桥模块；6、电流传感器；7、电压传感器；8、负载模块；9、嵌入式控制系统单元；10、扩展模块1驱动单元；11、扩展模块2驱动单元；12、扩展模块n驱动单元；13、H桥模块驱动单元；14、多通道示波器；15、电流检测信号处理单元；16、电压检测信号处理单元；17、多路开关电源；18、PC上位机单元。具体实施方式为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(18)，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。
【技术特征摘要】
1.一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(18)，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。2.根据权利要求1所述的多电平可调的变频教学实训装置，其特征在于：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...
【专利技术属性】
技术研发人员：王静，董苏，王峰，王诗兵，韩波，王戴木，
申请(专利权)人：阜阳师范学院，
类型：新型
国别省市：安徽,34
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