电力电子变流技术实训指导.docx
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电力电子变流技术实训指导
电力电子变流技术实训指导
本章节将介绍电力电子技术基础的实训内容，其中包括单相、三相整流电路，单相、三相交流调压电路、直流斩波电路等实训。
1单结晶体管触发电路
一、实训目的
（1）熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。
（2）掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。
（3）熟悉与掌握单结晶体管触发电路及其主要点的波形测量与分析。
二、实训所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
双踪示波器
自备
三、实训线路及原理
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1-1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1-1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，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1-2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。
图1-2单结晶体管触发电路各点的电压波形（α=900）
四、实训方法
（1）单结晶体管触发电路波形的观测
用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路经半波整流后“1”点的波形，经稳压管削波得到“3”点的波形，调节移相电位器RP1，观察“4”点锯齿波的周期变化及“5”点的触发脉冲波形；最后用导线将“G”、“K”连接到PWD-11上任一个晶闸管上，观测输出的“G、K”触发脉冲波形，其能否在30°～170°范围内移相?
（2）单结晶体管触发电路各点波形的记录
当α＝30o、60o、90o、120o时，将单结晶体管触发电路的各观测点波形描绘下来，并与图3-2的各波形进行比较。
五、实训报告
（1）画出α=60°时，单结晶体管触发电路各点输出的波形及其幅值。
六、注意事项
（1）为保证人身安全，杜绝触电事故发生。
接线与拆线必须在断电的情况下进行。
（2）为保证实训设备的可靠运行，接线完成后必须进行检查，待接线正确之后方可进行实训。
2锯齿波同步移相触发电路
一、实训目的
（1）熟悉锯齿波同步移相触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。
（2）掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。
（3）熟悉与掌握锯齿波同步移相触发电路及其主要点的波形测量与分析。
二、实训所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
双踪示波器
自备
三、实训线路及原理
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2-3所示。
图2-3锯齿波同步移相触发电路I原理图
由V2、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。
锯齿波的形成电路如图3-3中的恒流源（V7,R2,RP1,R3,V1）及电容C2和开关管V2所组成。
由V7、R2组成的稳压电路对V1管设置了一个固定基极电压，则V1发射极电压也恒定。
从而形成恒定电流对C2充电。
当V2截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V2导通时，电容C2通过R4、V2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V4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。
V5、V6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3-4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2-4锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形（α=900）
四、实训方法
（1）用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
①同时观察同步电压和“1”点的电压波形，了解“1”点波形形成的原因。
②观察“1”、“2”点的电压波形，了解锯齿波宽度和“1”点电压波形的关系。
③调节电位器RP1，观测“2”点锯齿波斜率的变化。
④观察“4”、“6”、“7”、“8”点电压波形和输出电压的波形，记下各波形的幅值与宽度，并比较“4”点电压U4和“8”点电压U8的对应关系。
（2）调节触发脉冲的移相范围
将控制电压Uct调至零（将电位器RP2顺时针旋到底），用示波器观察同步电压信号和“8”点U8的波形，调节偏移电压Ub（即调RP3电位器），使α=170°，其波形如图3-5所示。
图2-5锯齿波同步移相触发电路
（3）调节Uct（即电位器RP2）使α=60°，观察并记录各观测孔及输出“G、K”脉冲电压的波形（“G”、“K”端接PWD-11上任一晶闸管），标出其幅值与宽度，并记录在下表中（可在示波器上直接读出，读数时应将示波器的“V/DIV”和“t/DIV”微调旋钮旋到校准位置）。
U1
U2
U4
U6
U7
U8
幅值（V）
宽度（ms）
五、实训报告
（1）整理、描绘实验中记录的各点波形，并标出其幅值和宽度。
（2）总结锯齿波同步移相触发电路移相范围的调试方法，如果要求在Uct=0的条件下，使α=90°，如何调整?
（3）讨论、分析实验中出现的各种现象。
3西门子TCA785集成触发电路
一、实训目的
（1）熟悉TCA785集成触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。
（2）掌握TCA785集成触发电路的调试方法。
（3）熟悉TCA785集成触发电路各主要观测点的波形测量与分析。
二、实训所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
双踪示波器
自备
三、实训线路及原理
TCA785是德国西门子（Siemens）公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路。
与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，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，所以适用范围较广。
西门子TCA785集成触发电路的内部框图如图3-6所示
图3-6TCA785集成电路内部框图
TCA785集成块内部主要有“同步寄存器”、“基准电源”、“锯齿波形成电路”、“移相电压”、“锯齿波比较电路”和“逻辑控制功率放大”等功能块组成。
同步信号从TCA785集成电路的第5脚输入，“过零检测”部分对同步电压信号进行检测，当检测到同步信号过零时，信号送“同步寄存器”。
“同步寄存器”输出控制锯齿波发生电路，锯齿波的斜率大小由第9脚外接电阻和10脚外接电容决定；输出脉冲宽度由12脚外接电容的大小决定；14、15脚输出对应负半周和正半周的触发脉冲，移相控制电压从11脚输入。
其具体电路如图3-7所示
图3-7TCA785集成触发电路原理图
电位器RP1主要调节锯齿波的斜率，电位器RP2则调节输入的移相控制电压，脉冲从14、15脚输出，输出的脉冲恰好互差180°，可供单相整流及逆变实验用，各点波形可参考图3-8。
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接好，所有的测试点都已在面板上引出。
图3-8TCA785集成触发电路各点电压波形（α=900）
四、实训方法
（1）用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器一路探头观测15V的同步电压信号，另一路探头观察TCA785触发电路，同步信号“1”点的波形，“6”点锯齿波，调节斜率电位器RP1，观察“6”点锯齿波的斜率变化，“3”、“4”互差1800的触发脉冲；最后观测输出的四路触发电压波形，其能否在30°～170°范围内移相。
①同时观察同步电压和“1”点的电压波形，了解“1”点波形形成的原因。
②观察“6”点的锯齿波波形，调节电位器RP1，观测“6”点锯齿波斜率的变化。
③观察“3”、“4”两点输出脉冲的波形，记下各波形的幅值与宽度。
（2）调节触发脉冲的移相范围
调节RP2电位器，用示波器观察同步电压信号和“3”点U3的波形，观察和记录触发脉冲的移相范围。
五、实训报告
（1）整理、描绘实验中记录的各点波形，并标出其幅值和宽度。
（2）讨论、分析实验中出现的各种现象。
4单相半波可控整流电路
一、实训目的
（1）掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。
（2）熟悉单结晶体管触发电路各点电压波形。
（3）掌握单相半波可控整流电路在电阻性负载及电阻电感性负载时的工作及其整流输出电压（Ud）波形。
（4）了解续流二极管的作用。
二、实训所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
PWD-17可调电阻器
5
双踪示波器
自备
6
万用表
自备
三、实训线路及原理
将PWD-14挂件上的单结晶体管触发电路的输出端“G”和“K”接到PWD-11挂件面板上的任意一个晶闸管的门极和阴极，晶闸管主电路的“触发脉冲输入”端的扁平电缆不要接（防止误触发），接线如图3-9所示。
图中的R负载用450Ω电阻（将两个900Ω接成并联形式）。
二极管VD1、电感Ld在PWD-11面板上，Ld有200mH、700mH两档可供选择，本实验中选用700mH。
直流电压表及直流电流表从PWD-11挂件上得到。
图3-9单相半波可控整流电路接线图
四、实训方法
（1）单结晶体管触发电路的调试
用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压、锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形。
调节移相电位器RP1，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30°～170°范围内移动?
（2）单相半波可控整流电路接电阻性负载
触发电路调试正常后，按图3-9电路图接线。
将电阻器调在最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形，调节电位器RP1，观察α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud、UVT的波形变化，并测量整流输出电压Ud和电源电压U2的值，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
Ud=0.45U2（1+cosα）/2
（3）单相半波可控整流电路接电阻电感性负载
将负载电阻R改成电阻电感性负载（由电阻器与平波电抗器Ld串联而成）。
暂不接续流二极管VD1，观察并记录α=30°、60°、90°、120°时的直流输出电压Ud及晶闸管两端电压UVT的波形，并记录数值于下表。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
接入续流二极管VD1，重复上述实验，观察续流二极管的作用,及其两端电压UVD波形的变化。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud=0.45U2（l十cosα）/2
五、实训报告
（1）画出α=90°时，电阻性负载和电阻电感性负载时的Ud、UVT波形。
（2）画出电阻性负载时Ud/U2=f（α）的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。
（3）分析实验中出现的故障现象，写出体会。
六、注意事项
（1）在本实验中触发电路选用的是单结晶体管触发电路，同样也可以用锯齿波同步移相触发电路来完成实验。
（2）为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意以下几点：
①在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。
②在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到零，且将负载电阻调到最大阻值处；接通主电路后，才可逐渐加大控制电压Uct，避免过流。
③要选择合适的负载电阻和电感，避免过流。
在无法确定的情况下，应尽可能选用大的电阻值。
（3）由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其通过的电流不能太小，否则可能会造成晶闸管时断时续，工作不可靠。
在本实验装置中，要保证晶闸管正常工作，负载电流必须大于50mA以上。
（4）在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，而在锯齿波触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验就无法顺利完成。
（5）使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A。
5单相桥式半控整流电路
一、实训目的
（1）掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。
（2）熟悉单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时的工作情况。
（3）了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。
二、实训所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
PWD-17可调电阻器
5
双踪示波器
自备
6
万用表
自备
三、实训线路及原理
实训接线如图3-10所示，两组锯齿波同步移相触发电路均在PWD-14挂件上，它们由同一个同步变压器保持与输入的电压同步，触发信号加到共阴极的两个晶闸管（晶闸管主电路的“触发脉冲输入”端的扁平电缆不要接，防止误触发），图中的R用450Ω可调电阻（将两个900Ω接成并联形式），二极管VD1、VD2、VD及电感Ld均在PWD-11面板上，Ld有200mH、700mH三档可供选择，本实验用700mH，直流电压表、电流表从PWD-11挂件获得。
图3-10单相桥式半控整流电路实训接线图
四、实训方法
（1）用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流线电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
（2）锯齿波同步移相触发电路调试：
将控制电压Uct调至零（将电位器RP2顺时针旋到底），观察同步电压信号和“8”点U8的波形，调节偏移电压Ub（即调RP3电位器），使α=170°。
（3）单相桥式半控整流电路带电阻性负载：
按3-10接线，主电路接可调电阻R，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管两端电压UVT和整流二极管两端电压UVD1的波形，调节锯齿波同步移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并记录在不同α角时Ud、UVT、UVD1的波形，测量相应电源电压U2和负载电压Ud的数值，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud=0.9U2（1+cosα）/2
（4）单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载
①断开主电路后，将负载换成为平波电抗器Ld（70OmH）与电阻R串联。
②不接续流二极管VD3，接通主电路，用示波器观察不同控制角α时Ud、UVT、UVD1、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
③在α=60°时，移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD1、UVD2、Id的波形。
④接上续流二极管VD3，接通主电路，观察不同控制角α时Ud、UVD3、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
⑤在接有续流二极管VD3及α=60°时，移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD2、UVD1和Id的波形。
五、实训报告
（1）画出①电阻性负载、②电阻电感性负载时Ud/U2=f（α）的曲线。
（2）画出①电阻性负载、②电阻电感性负载，α角分别为30°、60°、90°时的Ud、UVT的波形。
（3）说明续流二极管对消除失控现象的作用。
（4）对实验过程中出现的故障现象作出书面分析。
6单相桥式全控整流电路
一、实训目的
（1）掌握锯齿波触发电路的调试。
（2）理解单相桥式全控整流电路的工作原理。
（3）单相桥式全控整流电路带电阻性负载、电阻电感性负载的分析。
二、实训所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PWD-14单相晶闸管触发电路
4
PWD-17可调电阻器
5
双踪示波器
自备
6
万用表
自备
三、实训线路及原理
图3-11为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用450Ω可调电阻器（将两个900Ω接成并联形式），电抗Ld用PWD-11面板上的700mH，直流电压、电流表均在PWD-11面板上。
触发电路采用PWD-14挂件上的“锯齿波同步移相触发电路Ⅰ、Ⅱ”。
图3-11单相桥式全控整流实训原理图
四、实训方法
（1）触发电路的调试
用两根导线将PDC01A电源控制屏“主电路电源输出”的220V交流线电压接到PWD-14的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开PWD-14电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
将控制电压Uct调至零（将电位器RP2顺时针旋到底），观察同步电压信号和“8”点U8的波形，调节偏移电压Ub（即调RP3电位器），使α=180°。
将锯齿波触发电路的输出脉冲端分别接至全控桥中相应晶闸管的门极和阴极（G1、K1对应VT1，G4、K4对应VT6，G2、K2对应VT3，G3、K3对应VT4），注意不要接反了，否则无法进行整流实验。
（2）单相桥式全控整流
按图3-11接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持Ub偏移电压不变（即RP3固定），逐渐增加Uct（调节RP2），在α=0°、30°、60°、90°、120°时，用示波器观察、记录整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录电源电压U2和负载电压Ud的数值于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
U2（V）
Ud（记录值）
Ud（计算值）
计算公式:
Ud＝O.9U2（1+cosα）/2
五、实训报告
（1）画出α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud和UVT的波形。
（2）画出电路的移相特性Ud=f（α）曲线。
六、注意事项
（1）为了保证整流过程不发生过流，其回路的电阻R应取比较大的值，但也要考虑到晶闸管的维持电流，保证可靠导通。
（2）晶闸管主电路的“触发脉冲输入”端的扁平电缆不要接（防止误触发）。
7三相半波可控整流电路
一、实训目的
（1）理解三相半波可控整流电路的工作原理。
（2）熟悉三相半波可控整流电路在电阻负载和电阻电感性负载时的工作情况。
二、实训所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
PDC01A电源控制屏
2
PWD-11晶闸管主电路
3
PDC-12三相晶闸管触发电路
4
PDC-14电机调速控制电路Ⅰ
5
PWD-17可调电阻器
6
双踪示波器
自备
7
万用表
自备
三、实训线路及原理
三相半波可控整流电路用了三只晶闸管，与单相电路比较，其输出电压脉动小，输出功率大。
不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率较低。
图3-12中晶闸管在PWD-11上，电阻R用450Ω可调电阻（将两个900Ω接成并联形式），电感Ld用PWD-11面板上的700mH，其三相触发信号由PDC-12内部提供，只需在其外加一个给定电压接到U
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