电力电子技术实验指导书.docx

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电力电子技术实验指导书

《电力电子技术》

实验指导书

桂林电子科技大学信息科技学院

2013年3月

前言

一．电力电子技术实验的任务

《电力电子技术》是电气工程及其自动化、自动化、机械电子工程等专业的三大电子技术基础课程之一。

电力电子技术实验的任务是：

1.通过实验可以加深对理论的理解，培养和提高学生独立动手能力和分析、解决问题的能力。

2.学习和掌握电力电子技术测试技术。

3.提高应用电力电子技术能力及水平。

二．实验设备

电力电子技术实验所使用的设备是由集成在一个实验台上的交、直流电源，电机，及各种触发电路，电力电子器件等组成。

示波器用于观察电力电子技术电路中的元件的波形及输出波形。

三．实验要求

1.阅读电力电子技术实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确实验目的，了解内容和方法。

2.按电力电子技术实验指导书要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后方可通电。

3.在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指导教师复查后才能结束实验。

4.实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的情况。

5.认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。

字迹要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。

爱护实验设备，遵守实验室纪律。

第一节实验安全操作规程1

第二节实验实施1

实验一锯齿波同步移相触发电路实验3

实验二单相桥式全控整流电路实验10

实验三三相半波可控整流电路实验15

实验四单相交流调压电路实验21

实验五直流斩波电路实验25

第一节实验安全操作规程

为了顺利完成电力电子技术实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：

1、在实验过程时，绝对不允许实验人员双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。

2、为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。

3、为了提高实验过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。

4、如果在实验过程中发生过流警告，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。

5、在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。

6、电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。

第二节实验实施

在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。

实验时要做到以下几点：

（1）实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。

（2）指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。

（3）按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。

（4）按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。

也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。

（5）完成实验系统接线后，必须进行自查。

串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检

查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确;并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。

距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。

（6）实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。

系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试记录点的分布应均匀；改接线路时，必须断开主电源方可进行。

实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。

（7）完成本次实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。

经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。

实验一锯齿波同步移相触发电路实验

1实验目的

1.理解锯齿波触发电路的工作原理及各元件的作用

2.掌握锯齿波触发电路的调试方法

2实验器材

1.HEP-DL01电源控制屏

2.HEP-DL03晶闸管触发电路I

3.双踪示波器

4.万用表

3实验引入

同步移相触发电路常用于三相整流电路，但这种电路容易受到电网电压波动的影响。

为了克服这些缺点，可采用锯齿波同步移相触发电路。

锯齿波同步移相触发电路抗干扰、抗电网波动性能好，调节范围宽，多用于单相、三相可控整流电路或带平衡电抗器的双反星形电路及以三相可控整流电路为基本单元的多相可控整流电路中。

此外，很多集成触发电路也采用锯齿波同步触发的方式工作。

4实验内容

锯齿波同步移相触发电路具有与典型相控式触发电路相同的组成。

同步变压器输出的正弦波经锯齿波形成电路变换为锯齿波电压，然后输入移相控制电路。

移相控制电路采用垂直控制原理，通过调整控制信号的电压值改变锯齿波与控制信号交点的位置，从而产生相位可变的触发信号。

触发信号经过晶体管放大后通过脉冲变压器隔离输出至晶闸管门极，最终实现对晶闸管的触发。

提示：

锯齿波同步移相触发电路是一种典型的分立器件晶闸管触发电路，其基本组成与典型相控式触发电路相同。

调试时先分别调试各基本功能电路，之后完成整个电路的调试。

4.1实验线路连接

注意：

接线时需要切断电源屏电源，以保证操作安全。

线路连接完毕后需要复查，确认无误后才能通电。

待测电路如图3-1所示。

该电路图绘制模块前面板上，电路中各元器件的连线已经在模块内部电路板上接好，只需在模块外部连接电源线和同步信号线即可完成接线工作，接线方法如下：

将HEP-DL01中“三相电网输出”的“A”、“N”端接到HEP-DL03的“AC220V”端，将HEP-DL01中“三相电网输出”的“A”、“N”端压接到HEP-DL03的“同步输入AC220V”端，将面板上电位器RP1、RP2及RP3反时针旋到底。

按下电源控制屏上的“启动”按钮，闭合HEP-DL03电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器调试并观察锯齿波触发电路各观察点的电压波形。

图3-1锯齿波同步移相触发电路

4.2同步信号形成电路测试方法

锯齿波触发电路要求触发电路与主电路同步，即要求锯齿波的频率（触发电路的工作频率）与主回路电源的频率相同。

本实验中同步电路由同步变压器、V2、D1、D2、C1等元件组成，其作用是利用同步变压器次级电压来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。

同步变压器次级输出的同步正弦电压信号通过D1间接加在V2管的基极上。

当同步信号处于负半周下降段时，D1导通，电容C1被充电，由于同步变压器副边一端接地，“1”点为负电压，“2”点与“1”点电位相差1个PN结的正向压降，所以V2基极处于反偏置状态，V2截止。

当同步信号处于负半周上升段时，“1”点电压上升，此时电容C1已充电至

U同步信号，使“2”点电位低于“1”点电位，D1处于截止状态。

此后，＋15V电源通过电阻R1向电容C1反向充电。

由于选择的R1、C1时间常数较大，“1”点波形上升比“2”点慢，因而D1保持截止状态。

于是，“2”点电压完全由＋15V电源通过R1对C1充电的电压决定。

在“2”点电压上升到2个PN结压降之前，V2截止，C2被恒流源充电，形成锯齿波的上升端。

当“2”点电压上升到2个PN结电压时，V2导通，C2迅速放电，形成锯齿波的下降段。

之后，同步电压转入正半周期，V2始终保持导通，“2”点电压被箝位在2个PN结电压。

直至下一个负半周期，D1重新导通，C1迅速放电后又被充电，V2截止，即开始下一个工作周期。

因此，在一个正弦波周期内，V2包括截止和导通两种状态，对应的锯齿波电压波形恰好为一个周期，与主回路电源频率和相位一致，达到了同步的目的。

使用双踪示波器观测“1”点与“2”点的电压信号，应得到正弦波及电容C1端电压波形。

电容C1端电压波形较为复杂，包括部分负半周正弦波、指数曲线及恒定值3段，如图3-3所示。

注意：

双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但两个探头的地线都与示波器外壳相连，所以两个探头的地线不能同时连接在具有不同电位的两个点上。

4.3锯齿波形成与脉冲移相电路测试方法

锯齿波电压形成的方案很多，如采用自举电路、恒流源等，本实验采用恒流源产生锯齿波。

锯齿波形成电路由D3、R2、RP1、R3、V1、V2、V3、C2、R4、R5组成，其中V1、D3、RP1、R3构成恒流源电路。

当V2截止时，恒流源对电容C2充电，C2两端电压线性增加，即V3基极电压线性增加。

调节电位器RP1可改变恒流源输出电流的大小，从而调整锯齿波上升沿的斜率。

当V2导通时，由于电阻R4阻值很小，所以C2迅速放电，使V3基极电压迅速下降到接近0V。

V2周期性的导通、关断，电容C2也就周期性的充电、放电，V3基极便形成锯齿波电压。

由于晶体管V3接成射极跟随器的形式，因此V3发射极电压也是锯齿波形式。

射极跟随器V3的作用是提高带负载能力，减小后级电路对锯齿波形成电路的影响。

脉冲移相电路中，晶体管V4的基极电压由锯齿波电压ue3（V3发射极输出）、直流控制电压uc（电位器RP2输出）以及直流偏移电压（电位器RP3输出）叠加所确定，它们分别通过电阻R7、R6、R8与V4基极连接。

根据叠加原理可分析V4基极（“4”点）的电压波形。

图3-2“4”点等值电路

单独考虑锯齿波电压单独作用时，如图3-2（a）所示。

（1）

由式

（1）可知，ue3仍为锯齿波，但斜率小于ue3。

单独考虑直流控制电压uc作用时，如图3-2（b）所示。

（2）

由式

（2）可知，u'c仍为与uc平行的直线，但绝对值小于uc。

单独考虑直流偏置电压up作用时，如图3-2（c）所示。

（3）

由式（3）可知，u'p仍为与up平行的直线，但绝对值小于up。

“4”点电压由uc、up、ue3所确定，但由于V4晶体管的存在，实际电压与叠加结果不同。

当“4”点电压高于0.7V后，V4管导通，则“4”点电压被箝位在0.7V。

因此，“4”点实际波形如图3所示。

图中M点是V4管从截止转变为导通的转折点，此时电路可产生输出脉冲。

当up为某固定值时，改变uc就可以改变M点的位置，也就改变了脉冲产生的时刻。

增加直流偏置电压up的目的是为了确定控制电压uc=0时，脉冲的初始相位。

例如，触发电路应用于晶闸管三相全控桥，并要求电感性负载电流连续时，要求触发脉冲初始相位定在控制角90处，此时可通过调整up设置控制角的初始相位。

测试时，使用双踪示波器观测“3”点与“4”点的电压信号，应得到电容C2上形成的

锯齿波波形及晶体管V4基极电压波形，如图3-3所示。

4.4触发脉冲形成与放大电路测试方法

触发脉冲形成电路由V4、D4、R9、C3、R11、V5、D5组成。

脉冲放大电路由C4、D6、V6等组成。

触发脉冲由脉冲变压器T1、T2次级输出，变压器初级接在晶体管V6集电极电路中。

晶体管V4与V5的工作情况类似单稳态电路。

当V4截止时，+15V通过R10为V5提供基极电流，使V5饱和导通，V5集电极电压接近-15V，V6处于截止状态，无脉冲输出。

此外，+15V通过R9、V5发射结对电容C3充电，充电后电容两端电压接近30V，极性为左正右负。

当V4导通时，C3左端电压从接近+15V变为接近0V。

由于C3两端电压不能突变，V5基极电位被拉低至接近-30V，V5立即截止，V5集电极（“6”点）电压由接近-15V迅速上升至+1.4V（D6与V6发射结2个PN结电压之和），V6导通并产生触发脉冲。

同时，C3经过D4－V4－地－+15V－R10回路放电，使V5基极电压逐渐上升至大于-15V后，V5重新恢复导通，使“6”点电压又下降至接近-15V，使V6重新截止，输出脉冲结束。

由上面分析可知，触发脉冲产生的时刻由V4导通的时刻确定，V5截止的时间决定脉冲宽度，其值与C3放电时间常数R10、C3有关。

测试时，使用双踪示波器观测“5”点、“6”点、“7”点以及脉冲变压器次级GK间的

电压信号，如图3-3所示。

图3-3各测试点波形

4.5实验方法与步骤

（1）将电位器RP2反时针旋到底，使直流控制电压uc=0；将电位器RP3反时针旋到底，使直流偏置电压up=-15V。

（2）使用示波器观察“1”点和“2”点的波形，分析“2”点波形形成的原因。

（3）调整电位器RP1，观察“3”点的波形，说明产生锯齿波的原理。

（4）观察“3”点～“7”点电压波形和输出电压的波形，记录各点波形，并比较“3”点电压U3和“7”点电压U7的对应关系。

（5）用示波器观察同步电压信号和“7”点U7的波形，调节电位器RP3（即调整直流偏置电压），使触发脉冲的初始相位为α=170°，记录各点波形。

注意：

使用示波器观测各测试点波形时，由于“G”、“K”两点与其它观测点不共地，因此需要单独观测。

（6）调节电位器RP2，使α=60°，观察并记录各点波形，标出其幅值与宽度（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）。

5总结

1.知识点小结

与正弦波同步移相触发电路相同，锯齿波同步移相触发电路是一种采用分立器件组成的晶闸管触发电路，通过完成该电路的实验可以掌握以下知识点：

（1）锯齿波同步移相触发电路使用经同步变压器隔离、降压的正弦电压信号，经过恒流源产生锯齿波作为同步信号，通过控制电压uc、偏移电压up以及同步信号电压叠加后得到的综合信号控制晶体管导通时机实现移相控制，通过分立元件的集电极-基极耦合单稳态脉冲电路产生触发脉冲，并通过脉冲变压器隔离、放大后输出至晶闸管。

（2）实验时，先分别调试各基本功能电路，之后完成整个电路的调试。

2.工程应用和设计

锯齿波同步移相触发控制方法不但可应用于分立器件组成的触发电路，而且还广泛应用于集成触发电路中。

得到广泛应用的集成触发电路KC04由同步单元、锯齿波形成单元、移相控制单元、脉冲形成及放大单元组成，具有与分立器件组成的锯齿波同步触发相似的电路结构。

KC04输出两路互差180°的移相脉冲，可方便地构成全控桥式触发电路。

图3-4KC04内部电路原理图

KC04内部电路原理图如图3-4所示。

同步信号通过“T”型滤波电路，从7、8输入KC04。

当同步电压过零点时晶体管T1、T2、T3均截止，使T4导通，使4脚外接的积分电容C1放电。

当过零结束后，T4恢复截止状态，积分电容C1接于T5的集电极和基极，组成密勒积分器从而形成线性增大的锯齿波，锯齿波的斜率由3脚外接的电阻和积分电容C1的数值所决定。

T6是比较放大级，锯齿波、外部的移相电压及偏移电压在T6的基极进行综合比较放大，当T6基极的输入电流大于零时，T6导通，外接的R7和C2将T6集电极的脉冲进行微分，输入T7基极，在T7集电极得到一定宽度的移相脉冲。

T7集电极每个周期输出相隔180°的两个脉冲，经过T8和T12分别截去负半周和正半周的脉冲，使1脚输出正触发脉冲、15脚输出负触发脉冲。

13、14端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。

实验二单相桥式全控整流电路实验

1实验目的

了解单相桥式全控整流电路的工作原理，研究全控整流电路在电阻负载和电阻电感性负

载时的工作情况。

2实验器材

1.HEP-DL01电源控制屏

2.HEP-DL02晶闸管主电路

3.HEP-DL04晶闸管触发电路II

4.HEP-DT05可调电阻（0～900Ω）

5.双踪示波器

6.直流电流表1块、直流电压表1块

7.万用表

3实验原理

单相桥式全控整流电路如图6-1所示。

图6-1单相桥式全控整流电路

图6-1中，晶闸管VT1、VT4组成一对桥臂，VT2、VT3组成一对桥臂，变压器二次侧

绕组接在桥臂中点。

通过控制晶闸管VT1～VT4的导通，可以控制负载XL上的电压和电流。

负载为电阻负载时，直流输出电压平均值为：

负载为阻感负载时，当ωL﹥﹥R时，直流输出电压平均值为：

4实验内容

1.研究单相桥式全控整流电路带电阻性负载。

2.研究单相桥式全控整流电路带电阻电感性负载。

4.1实验方法与步骤

4.1.1实验方法

实验线路连接图如图6-2所示。

图6-2单相桥式全控整流电路实验线路连接图

注意：

接线时需要切断电源控制屏电源，以保证操作安全。

线路连接完毕后需要复查，

确认无误后才能通电。

表6-1单相桥式全控整流电路实验线路与模块器件对照表

实验所用器件

模块名称

对应资源

三相电压输出

HEP-DL01

三相调压输出，三相电网输出

晶闸管集成触发电路I

HEP-DL04

晶闸管集成触发电路I（TCA785）

VT1、VT3、VT4、VT6

HEP-DL02

三相正桥主电路中的VT1、VT3、VT4、VT6

阻性负载

HEP-DT05

可调电阻

阻感负载

HEP-DL01，HEP-DT05

700mH电感，可调电阻

本实验使用HEP-DL04“晶闸管触发电路II”中的“晶闸管集成触发电路I（TCA785）”为晶闸管提供触发信号。

1.将HEP-DL02中“三相正桥主电路”中的VT1、VT3、VT4、VT6按图6-2连接成单相桥式全控整流电路，整流桥的交流输入端与HEP-DL01中“三相调压输出”的“U”、“N”端相连。

2.将HEP-DL01中“三相电网输出”的“A”、“N”端与HEP-DL04中“同步输入AC220V”相连，为触发电路提供同步信号。

3.按照图6-2，将HEP-DL04中“晶闸管集成触发电路I（TCA785）”的“G1”～“G4”以及“K1”～“K4”端与HEP-DL02中所用晶闸管的门极和阴极对应相连。

将HEP-DL02中相应的触发脉冲开关关闭。

4.将直流电压表和直流电流表安装图6-2中的位置接入实验电路，连接时注意极性正确。

5.将HEP-DL01中“三相电网输出”的“A”、“N”端与HEP-DL04中“AC220V”相连，为触发电路提供电源。

4.1.2实验步骤

4.1.2.1晶闸管集成触发电路I的调试

1.实验台上电：

将HEP-DL01电源控制屏上断路器开关置于“ON”，并打开钥匙开关，按下“启动”按钮，启动按钮绿灯亮以示实验台正常启动。

将面板上电位器RP1、RP2及RP3反时针旋到底。

2.闭合HEP-DL04的电源开关，确定触发脉冲的初始相位：

调节电位器RP2，使触发脉冲α=0°（反时针旋到底，电位器输出电压高于锯齿波顶端）。

3.调节锯齿波斜率：

调节电位器RP1，通过示波器观察“A4”点波形，了解锯齿波斜率的变化规律。

4.调节电位器RP2，通过示波器观测电路中各观测点处的波形并记录。

观察和记录触发脉冲的移相范围。

4.1.2.2单相桥式全控整流—电阻负载实验

注意：

调试晶闸管整流装置时，先调试触发电路，然后调试相序及同步关系，之后调试主电路。

1.断电条件下，按照4.1.1实验方法连接电路，仅接入阻性负载，将DT05可调负载R置于最大阻值位置。

2.实验台上电：

将HEP-DL01电源控制屏上断路器开关置于“ON”，并打开钥匙开关，按下“启动”按钮，启动按钮绿灯亮以示实验台正常启动。

3.闭合HEP-DL04的电源开关。

按照本实验4.1.2.1中的方法调试“晶闸管集成触发电路I（TCA785）”。

4.调节HEP-DL01中的三相自耦调压器，将“三相调压输出”调至150V。

5.调节TCA785触发电路中的电位器RP1，记录α=30°、60°、90°、120°时ud、uVT1波形，以及U2、Ud以及Id的数值，将记录的结果填在表6-2中。

表6-2单相桥式全控整流电路带电阻负载时实验数据记录表

α

30°

60°

90°

120°

ud波形

uVT1波形

U2（记录值）

Ud（记录值）

Id（记录值）

Ud（计算值）

4.1.2.3单相桥式全控整流—阻感负载实验

注意：

调节时电流不能超过0.4A。

1.断电条件下，按照4.1.1实验方法连接电路，仅接入阻感负载。

2.调节TCA785触发电路中的电位器RP1，观察并记录α=30°、60°、90°、120°时ud、uVT1、id（实际是电阻R两端的电压）的波形，同时记录U2和Ud的数值，将记录的结果填在表6-3中。

表6-3单相桥式全控整流电路带阻感负载时实验数据记录表

α

30°

60°

90°

120°

ud波形

id波形

uVT1波形

U2（记录值）

Ud（记录值）

Ud（计算值）

5实验总结

1.知识点小结

（1）单相桥式全控整流电路由四个晶闸管组成变流桥路。

通过控制α角，可控制晶闸管触发信号，从而控制整流输出电压的大小。

在一定条件下，该电路可工作于有源逆变工作状态。

（2）单相桥式全控整流电路中，满足下列条件即可工作于有源逆变状态：

1）如果直流侧存在电动势，且其极性与晶闸管的导通方向一致，其值大于变流电路直流侧的平均电压。

2）晶闸管的控制角α>π/2，使Ud为负值。

（3）逆变运行时，导致逆变失败的原因很多，主要的情况有：

1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确的给各晶闸管分配触发脉冲。

2）晶闸管发生故障，不能正常导通和阻断。

3）逆变工作时，交流电源突然缺相或消失。

4）换相的裕量角不足，引起换相失败。

实验三三相半波可控整流电路实验

1实验目的

了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究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。

2实验器材

1.HEP-DL01电源控制屏

2.HEP-DL02晶闸管主电路

3.HEP-DL05三相晶闸管触发电路

4.HEP-DT05可调电阻（0～900Ω）

5.HEP-DL21直流电机调速电路

6.双踪示波器

7.直流电流表1块、直流电压表1块

8.万用表

3实验原理

三相半波可控整流电路如图7-1所示。

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，可以避免三次谐波流入电网。

图1三相半波可控整流电路

1.电阻负载

当α≤30°时，负载电流连续，直流输出电压平均值为：

当α>30°时，负载电流断续，直流输出电压平均值为：

2.阻感负载

当α≤30°时，负载电流连续，其直流输出电压平均值与电阻负载时相同。

当α>30°，且电感值很大时，因为电感的作用，负载电流连续，其直流输出电压平均值表达形式与电阻负载当α≤30°时的相同，但α的移相范围只有90°。

4实验内容

1.研究三相半波可控整流电路带电阻性负载。

2.研究三相半波可控整流电路带电阻电感性负载。

4.1实验方法与步骤

4.1.1实验方法

实验线路连接图如图7-2所示。

图2三相