四川大学电力电子第一次实验报告.docx
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四川大学电力电子第一次实验报告
一、主要内容·································································2
1．项目名称·································································2
2．已知条件·································································2
3．试验完成目标···························································2
二、实验条件描述··························································2
1．实验小组人员分工·····················································2
2．主要仪器设备···························································3
三、实验步骤·································································4
1．实现同步·································································4
2．半控桥纯阻性负载实验···············································5
3．半控桥阻-感性负载（串联L=200mH）实验····················6
四、实验数据分析··························································10
1．Ud=f（）·······························································10
2．Ud=f（uct）·····························································10
3．Uct=f（）·······························································11
4．误差分析··································································11
五、实验综合分析···························································11
1．对实验过程，结果合理性的分析····································11
2．分析实验方案、结果可信度··········································12
3．思考实验的改进方案···················································12
六、基于Multisim11软件的实验仿真······························14
1．搭建仿真电路····························································14
2．纯电阻负载的仿真······················································14
3．阻感电路仿真····························································15
4．失控仿真··································································17
七、实验后的讨论问题····················································17
一、主要内容
1、项目名称：
单相半控桥整流电路实验
2、已知条件：
（1）单相半控桥整流电路
在电阻两侧接示波器可观察电流波形。
从试验台流入380V电压（单相）经变压电路变为120V左右的U2.
3、实验完成目标
（1）实现控制触发脉冲与晶闸管同步。
（2）观测单相半控桥在纯阻性负载时的移相控制特点，测量最大移相范围及输入-输出特性。
（3）观测单相半控桥在阻-感性负载时的输出状态，观测失控现象并讨论解决方案。
二、实验条件描述
1、实验小组人员分工
姓名
学号
实验分工
报告分工
数据记录及计算
分析并回答回答实验讨论题2,4
调整示波器及电压表等仪器
实验报告部分完成后统一整理排版（包括封面、目录、字体、照片处理）等后期工作
全程拍片摄像
实验基本内容（项目名称、已知条件、完成目标）以及实验条件描述（设备仪器、小组分工合作）
所有仪器接线
实验综合评估（比较实验和理论数据的差异性、分析实验方案、结果的可信度、提出可能的优化改进方案等）
绘制原始数据单
实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）
检查数据结果和实验波形的正确性
分析并回答实验讨论题1,3
统一调配技术指导步骤提示
实验数据处理（含原始数据记录单、计算结果及工程特性曲线）以及multism仿真以及讨论题5
2、主要仪器设备
主要设备仪器名称
型号
主要参数
图片
电力电子及电气传动教学实验平台
MCL-III型
TDS2012（主要包括降压变压器、电力二极管两只、晶闸管两只、大功率滑动变阻器、MCL-35、可调电感、导线若干）
Tektronic示波器
TDS2012
带宽：
100MHZ最高采样频率：
1GS/s
数字万用表
GDM-8145
三、实验过程
1、实现同步
（1）从三相交流电源进端取线电压U1（约240v）到降压变压器（MCL-35）,输出单相电压（124v—128v）作为整流输入电压u2；
（2）在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管要实现同步则要选两只管脉冲相位角相差1800度的，实验面板提供了两组三相全控整流桥的晶闸管阵列，序号相邻晶闸管相位相差600，两组序号相同的晶闸管相位相同，选定两只晶闸管VT1和VT4，将两只二极管组成共阴极连接方式。
（3）将连接好的两只共阴极晶闸管与整流二极管整列（共6只）中的两只共阳极方式连接的二极管组成半控桥整流保证控制同步，并外接纯阻性负载。
（4）在负载回路上串接电流表、可调电阻负载，并把电阻调到最大。
（5）按照原理图完成接线，检查电路接线正确后，打开电源开关，示波器显示ud波形。
（6）用双踪示波器观察ud波形，在示波器上得到稳定输出电压波形，一个周期输出两个正半周波形，并从输出电压波形能观察到明显的电压过零跳变，如果每一个过零时刻与前一个电压过零时刻之差相等，则移相控制同步。
同步时会产生稳定的频率正弦波频率为两倍的锯齿波，并且波形随控制信号连续变化而变化。
试验台实际连接图
电压进行衰减后引入比较器，通过改变输入的比较电压，形成上下移的锯齿波。
2、半控桥纯阻性负载实验
（1）连续改变控制角，测量并记录电路实际的最大移相范围，用数码相机记录小、最大和90o时的输出电压ud波形（注意：
负载电阻不宜过小，确保当输出电压较大时，id不超过0.6A）；
实验数据及波形：
①通过调节移相可调电位器RP调节触发角，观察当晶闸管触发延迟角最小时输出电压ud波形，并拍摄此时波形如下图：
②再次调节移相可调电位器RP改变触发角，观察当晶闸管触发延迟角为90度时输出电压ud波形，并拍摄此时波形如下图：
③再次调节移相可调电位器RP改变触发角，观察当晶闸管触发延迟角大时输出电压ud波形，并拍摄此时波形如下图：
（2）调节移相可调电位器RP，在最大移相范围内，测量15组不同触发延迟角之下，控制角、交流输入电压u1、降压后输入电压u2，控制信号uC和整流输出ud的大小。
（3）计算移相控制角
原始数据
U1（V）
U2（V）
α（度）
Uc
Ud（V）
1
240.7
125.1
6.48
14.785V
—
2
240.2
124.9
12.96
7.471V
108
3
240.9
125.1
20.16
5.97V
107
4
240.4
125.1
40.32
3.045V
99
5
240.1
125.2
51.84
2.143V
91
6
239.8
125.5
62.64
1.62V
83
7
240.2
125.8
72
1.2938V
75
8
240.1
126.0
79.2
1.0453V
67
9
239.9
126.6
89.28
827.4mV
59
10
239.8
126.9
97.92
639.5mV
51
11
240.1
127.3
106.56
494.6mV
43
12
240.1
127.5
115.2
349.2mV
35
13
240.3
128.2
123.12
234.8mV
27
14
240.2
128.4
132.48
119.41mV
19
15
239.9
127.3
144
1.03mV
11
3、半控桥阻-感性负载（串联电感L=200mH）实验
（1）断开总电源，将负载电感串入负载回路；
（2）连续改变控制角，记录最小、最大和90o时的输出电压ud波形，（注意电流表指针的变化）观察其特点（id不超过0.6A）；
①通过调节移相可调电位器RP调节触发延迟角，观察接入阻感性负载情况下当晶闸管触发脉冲角最小时输出电压ud波形，并拍摄此时示波器上波形如下图：
②再次调节移相可调电位器RP调节触发延迟角，观察接入阻感性负载情况下当晶闸管触发延迟角为900时输出电压ud波形，并拍摄此时示波器上波形如下图：
③再次调节移相可调电位器RP调节触发延迟角，观察接入阻感性负载情况下当晶闸管触发延迟角最大时输出电压ud波形，并拍摄此时示波器上波形如下图：
（3）固定触发延迟角在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A三种情况测量。
注意id≤0.6Α），并记录电流id波形，观察负载阻抗角的变化对电流id的滤波效果；
①调节触发延迟角在较大值，保持不变，调节负载电阻值有最大值逐步减小，同时观察电流表指针，直至输出波形明显电流出现断续，停止调节电阻，拍摄示波器输出电压波形如下：
②继续减小负载电阻值，同时观察电流表指针，直至电流出现临界连续，停止调节电阻，拍摄示波器输出电压波形如下：
③继续减小负载电阻值，同时观察电流表指针，直至示波器上出现连续电流波形，停止调节电阻，拍摄示波器输出电压波形如下：
（4）保持触发延迟角<90o，适当调整负载电阻，使id≈0.6Α，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角快速推到180o），制造失控现象，记录失控前后的ud波形，并提出如何判断哪一只晶闸管失控的测试方法。
①调整负载电阻，使id≈0.6Α，拍摄晶闸管失控前波形如下：
②断掉两路晶闸管的脉冲信号，拍摄失控后波形如下：
四、实验数据处理
1.Ud=f（）
（°）
Ud（V）
Ud’（V）
6.48
109
112.1406
12.96
108
111.0671
20.16
107
109.0538
40.32
99
99.1374
51.84
91
91.0046
62.64
83
82.1014
72.00
75
73.6322
79.20
67
66.7902
89.28
59
56.9568
97.92
51
48.4993
106.56
43
40.2177
115.20
35
32.2999
123.12
27
25.5153
132.48
19
18.2625
144.00
11
10.7428
2.Ud=f（uct）
Uct（V）
Ud（V）
14.785
109
7.471
108
5.970
107
3.045
99
2.143
91
1.621
83
1.294
75
1.045
67
0.827
59
0.640
51
0.495
43
0.349
35
0.235
27
0.119
19
0.001
11
3.Uct=f（）
（°）
Uct（V）
6.48
14.785
12.96
7.471
20.16
5.970
40.32
3.045
51.84
2.143
62.64
1.621
72.00
1.294
79.20
1.045
89.28
0.827
97.92
0.640
106.56
0.495
115.20
0.349
123.12
0.235
132.48
0.119
144.00
0.001
4.误差分析：
①由于该实验中用到晶闸管和二极管，由于晶闸管和二极管有导通压降，故一定会存在误差；
②实验过程中，存在操作误差、仪器误差和读数误差等；
③导通角接近180°时误差比较大，原因在于此时输出电压比较小，波形易出现脉动，以致波形不稳定甚至失真。
④输出电压的理论值与实际值的误差可以看出，当导通角
的值在50°左右误差最小，在接近0°和180°时误差比较大
五、实验的综合分析
1.对实验过程，结果合理性的分析
因为本次实验主要为验证性质的，通过老师讲解角及同步控制产生的过程即Uct与触发角之间存在一一的对应关系（随着Uct增大角会逐渐减小），从下述实验记录的实验也可以看出，从而可以通过控制Uct来控制电路产生的波形，再根据实验内容的要求依次进行实验就可以了。
通过实验中观察到的波形，与大家讨论学习书本后的知识所得到的结果大致相同（因为真实的实验中会产生突刺情况，上面会有原因分析），并使用multsim仿真,用理想波形与试验中的实际波形作比较，所得到的数据与结果也与理论大致吻合，并且根据当时的实验环境下电网供给实验室电压U2的范围也比较稳定，而且实验器材精确度也较高，故可以得出此次实验的合理性及可信度较高。
2.分析实验方案可信度、结果可信度
实验结果中我们可以分别对比理论中计算的Ud’与实验中记录的Ud对比偏差很小，而且为了实验的准确性，我们使用了EXCEL绘图工具观察与理论值的结果，实验时也测试了多组数据，为了可以将一些偏差较大的数据舍弃，减小误差使实验进一步接近理想状况下。
但是实验中管压降，电压波动，以及电感产生的影响确实存在，但是实验结果基本都是在误差允许范围之内的，加之我们小组的成员在实验中已经很注意减小人为误差（读数，测量，接线……），在大家共同的努力之下，所以实验的数据的可信度是很高的
3.思考实验的改进方案
因为在实验中，当脉冲突然丢失，或者角达到180°时候，会产生“失控”现象。
失控后，一个晶闸管持续导通，两个二极管轮流导通，整流输出波形为正弦半波，即半周期为正弦波，另外半周期为零，输出电压平均值恒定。
电路出现失控的原因在于：
正在导通的晶闸管关断必须依赖后续晶闸管的开通，如后续晶闸管不能导通，则已经导通的晶闸管就无法关断。
为了克服该电路的失控，可以在负载侧并联一个续流二极管VDR，如下图所示（由于觉得课本上的解释较为全面，所以决定引用《电力电子技术》-赵莉华P66）
VT1VT2
L
U2VDR
VD3VD4R
讨论过程中当然也有同学提出是否可以不加续流二极管，只是将VT2与VD3交换位置就可以解决失控问题，在理论分析上是可行的，但是询问老师之后，晶闸管这样连接的话一般要采取隔离措施，所以在实际中较少采用。
VT1VD3
L
U2
VT2VD4R
六、基于Multisim11软件的实验仿真
1.搭建仿真电路
下图是利用Multisim11仿真软件搭建的电路图
图1 基于Multisim11的仿真电路图
2.纯电阻负载的仿真
在仿真纯电阻负载的单相桥式半控整流电路时，将上图的电感两端短路。
通过调节V2，V3的脉冲延迟时间达到调节晶闸管D1和D2的触发延迟时间。
其中V2，V3的延迟触发时间相差10ms，周期为20ms。
1.α=0°时的仿真波形
调节V2的延迟时间为0ms，V3的延迟时间为10ms，得到α=0°仿真波形。
图2α=0°纯电阻负载仿真波形
2.α=90°时的仿真波形
调节V2的延迟时间为5ms，V3的延迟时间为15ms。
得到α=90°时仿真波形：
图3α=90°纯电阻负载仿真波形
3、α=180 °时仿真波形
调节V2的延迟时间为10ms，V3的延迟时间为20ms。
得到α=180 °时仿真波形：
图4α=180°纯电阻负载仿真波形
3.阻感负载电路的仿真
1.α=0°时的仿真波形
调节V2的延迟时间为0ms，V3的延迟时间为10ms，得到α=0°仿真波形。
图5α=0°阻感负载仿真波形
2.α=90°时的仿真波形
调节V2的延迟时间为5ms，V3的延迟时间为15ms。
得到α=90°时仿真波形
图6α=90°阻感负载仿真波形
3.α=180 °时仿真波形
调节V2的延迟时间为10ms，V3的延迟时间为20ms。
得到α=180 °时仿真波形：
图7α=180°阻感负载仿真波形
4.“失控”仿真
断开其中一只晶闸管的触发脉冲，得到失控”波形，如下图：
图8.“失控”的波形
七、实验之后的讨论
1、阐述选择实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据。
答：
在实验原理图中，VT1、VT2的触发脉冲相位应该互差180o，然而在实验面板上的两组晶闸管阵列，每组阵列中相邻的两只晶闸管（例如VTI与VT4）互差180o，但是两只晶闸管之间是互联的，并且无法改变，因此讨论后发现，第一组的VT1和第二组的VT4，相位互差180o，并且之间不相连接，而且触发电压相同，也即触发都是同步的，从而选用这两只管子接入电路。
2、测绘电阻负载时ud=f（α）和ud=f（uct）的实验特性曲线（注：
由数据处理软件自动生成），其中将实验ud=f（α）与理论推算ud=f（α）特性曲线比较（在同一坐标系内），若存在误差，分析成因。
答：
令实测整流输出电压为Ud，理论输出电压为Ud’.将Ud=f（α）和Ud’=f（α）绘制在同一坐标系下,如下图：
由上图可知，
α<50°时，实测值低于理论值。
此时由于α较小，读数产生的相对误差较大，且α较
小时，整流输出功率较大，电阻上的损耗以及电感漏感影响较大，误差较大。
50°<α<120°时，实测值Ud1与理论值Ud2的契合度较高，两曲线比较吻合，电路工
作稳定。
α>120°之后，误差相对较大，且实测值高于理论值，这是由于触发脉冲电路不能提供
较大的触发脉冲，在后面工作状态下示波器变化较快不稳定，不易准确观测α。
3、分析阻-感性负载时，为什么电流波形与教材上的有差异？
电路能否接纯感性负载（如果具有较大的感抗值）工作，为什么？
答：
阻-感性负载时，减小负载电阻，电路中实际负载接近纯感性负载，对输出电流的变化抑制作用更加强烈，所以其波形越趋平稳。
基于有较大的感抗值，电阻不能接纯感性负载。
较大的感抗值在纯感性负载工作时，由于其储存很大的能量，在回路中会产生很大的电流，有可能损坏器件。
4、分析同样的阻—感负载时，本电路与单相全控桥电路的输出电压ud特征差异，说明原因。
答：
单项全控桥电路在电压输入u2的负半周时输出电压会出现负值，而本电路不会。
本电路带阻感负载时，在u2的负半周时，VT1和VD2续流，忽略器件导通压降时，ud=0。
在u2负半周触发角α时刻触发VT3，VT3导通后VT1关断，u2过零变正时，VD4导通，VD2关VT3和VD4续流，u2又为零。
5、若以ud=f（uct）的实验特性曲线作为该直流受控电源的静态数学模型建模依据——直流电压放大器，试提出建模算法，并核定该模型的近似放大系数Ks≈？
答：
观察原始可知，ud与uct的关系并非线性的，故考虑用2阶，3阶和4阶多项式分别在MATLAB上拟合原始数据。
拟合结果见下图;
2阶多项式拟合结果：
3阶多项式拟合结果：
4阶多项式拟合结果：
由上图可知，4阶多项式拟合效果最佳。
在求取近似放大系数Ks时，由于该曲线后半部分渐渐趋近于X轴，故我们只对前9个点进行线性拟合。
拟合结果为：
。
所以可以认为
。
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