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《电力电子技术》实验指导书
•电气工程及其自动化实验室实验指导书系列
《电力电子技术》实验指导书
（第1版）
主编张伟庄克玉逄海萍
青岛科技大学自动化与电子工程学院
目录
电力电子及电气传动教学实验台介绍…………………………3
实验一绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究…………………………………………………………………………………11
实验二三相桥式全控整流电路实验…………………………14
实验三直流斩波电路的性能研究……………………………17
实验四单相交直交变频电路的性能研究…………………20
电力电子及电气传动教学实验台介绍
一概述
1．特点：
（1）采用组件式结构，可根据不同内容进行组合，故结构紧凑，使用方便灵活，并且可随着功能的扩展只需增加组件即可，能在一套装置上完成《电力电子学》，《电力拖动自动控制系统》等课程的主要实验。
（2）装置布局合理，外形美观，面板示意图明确，直观，学生可通过面板的示意查寻故障，分析工作原理。
电机采用导轨式安装，更换机组简捷，方便，所采用的电机经过特殊设计，其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组，能给学生正确的感性认识。
除实验控制屏外，还设置有实验用台，内可放置机组，实验组件等，并有可活动的抽屉，内可放置导线，工具等，使实验更方便。
（3）实验线路典型，配合教学内容，满足教学大纲要求。
控制电路全部采用模拟和数字集成芯片，可靠性高，维修，检测方便。
触发电路采用数字集成电路双窄脉冲。
（4）装置具有较完善的过流、过压、RC吸收、熔断器等保护功能，提高了设备的运行可靠性和抗干扰能力。
（5）面板上有多只发光
极管指示每一个脉冲的有无和熔断器的通断。
触发脉冲可外加，也可采用内部的脉冲触发可控硅，并可模拟整流缺相和逆变颠覆等故障现象。
2．技术参数
（1）输入电源：
~380V10%50HZ±1HZ
（2）工作条件：
环境温度：
-5~400C
相对湿度：
〈75%
海拔：
〈1000m
（3）装置容量：
〈1KVA
（4）电机容量：
〈200W
（5）外形尺寸：
长1600mmX宽700mm（长1300mmX宽700mm）
二MCL系统挂箱介绍和使用说明
一．MCL-33挂箱：
MCL—33由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管，RC吸收回路，平波电抗器L组成。
本实验台提供相位差为60O，经过调制的“双窄”脉冲（调制频率大约为3~10KHz），触发脉冲分别由两路功放进行放大，分别由Ublr和Ublf进行控制。
当Ublf接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。
当Ublr接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。
脉冲移相由Uct端的输入电压进行控制，当Uct端输入正信号时，脉冲前移，Uct端输入负信号时，脉冲后移，移相范围为100—1600。
偏移电压调节电位器RP调节脉冲的初始相位，不同的实验初始相位要求不一样。
双脉冲观察孔输出相位差为60o的双脉冲，同步电压观察孔，输出相电压为30V左右的同步电压，用双踪示波器分别观察同步电压和双脉冲，可比较双脉冲的相位。
使用注意事项：
单双脉冲及同步电压观察孔在面板上俱为小孔，仅能接示波器，不能输入任何信号。
1.脉冲控制。
面板上部的
档直键开关控制接到可控硅的脉冲，1、2、3、4、5、6分别控制可控硅VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时脉冲接通。
2.一桥可控硅由六只5A800V组成。
3.二桥可控硅由六只5A800V构成，另有六只5A800V二极管。
4.RC吸收回路可消除整流引起的振荡。
当做调速实验时需接在整流桥输出端。
平波电抗器可作为电感性负载电感使用，电感分别为50mH、100mH、200mH、700mH,在1A范围内基本保持线性。
使用注意事项：
外加触发脉冲时，必须切断内部触发脉冲。
二．MCL05挂箱
MCL-05挂箱为触发电路专用挂箱，其中有单结晶体管，正弦波，锯齿波同步移相触发电路。
面板左上方装有同步变压器原边组的接线柱，下有“触发选择开关”，可根据需要选择“单结管”，“正弦波”，“锯齿波”等触发电路。
当外加同步电压220V为时，通过触发电路选择直键开关可选择输出至单结管触发电路,正弦波触发电路，锯齿波触发电路的同步电压分别为60V,15,7V
1．单结晶体管触发电路
由单结晶体管V3，整流稳压环节，及由V1,V2等组成的等效可变电阻等组成，其原理图如图1-12所示。
由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经全波整流，再由稳压管VST1,VST2进行削波，而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R7,V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V3导通，从而通过脉冲变压器输出脉冲。
同时C3经V3放电，由于时间常数很小，Uc2很快下降至单结晶体管的谷点电压,V3重新关断，C2再次充电。
每个梯形波周期，V3可能导通，关断多次，但只有第一个输出脉冲起作用。
电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP3的滑动触点可改变V1的基极电压，使V1,V2都工作在放大区，即等效电阻可由RP1来调节，也就是说一个梯形波周期内的第一个脉冲出现时候（控制角）可由RP1来调节。
元件RP1装有面板上，同步信号已在内部接好。
2．正弦波同步触发电路
正弦波同步触发电路由同步移相和脉冲形成放大等环节组成，其原理图如图1-13所示。
同步信号由同步变压器副边提供。
晶体管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极上综合了同步信号UT，偏移电压Ub及控制电压Uct，RP2可调节Ub，调节Uct可改变触发电路的控制角。
脉冲形成放大环节是一集基耦单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4,RP3耦合到V2的基极。
当同步移相环节送出负脉冲时，使单稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。
调节元件均装在面板上，同步变压器副边已在内部接好
3．锯齿波同步移相触发电路
锯齿波同步移相触发电路由同步检测，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1-14所示。
由VD1,VD2,C1,R1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。
由VST1,V1,R3等元件组成的恒流源电路及V2,V3,C2等组成锯齿波形成环节。
控制电压Uct,偏移电压Ub及锯齿波电压在V4基极综合叠加，从而构成移相控制环节。
V5,V6构成脉冲形成放大环节，脉冲变压器输出触发脉冲。
元件RP装在面板上，同步变压器副边已在内部接好。
三．MCL06使用说明
MCL06为单相并联逆变和直流斩波器专用挂箱。
1．单相并联逆变触发电路
以555集成时基电路为基础振荡电路，通过双D触发器二分频得到相位差180O的触
发脉冲,经三极管V1,V2功率放大后交替触发主电路的两个晶闸管。
振荡频率由电位器RP进行调节，555的输出”3”接至4013的CLK端，输出为相位相差180O的脉冲。
单相并联逆变触发电路原理图见图1-15
2．斩波器主电路
图1─16所示的是一脉宽可调的逆阻型斩波器，晶闸管VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管，用来控制输出电压的脉宽，C和L1组成换流振荡环节。
3．UPW（脉宽调制器）
脉宽调制器UPW的第一级为由幅值比较电路和积分电路组成的一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。
电位器RP2用来调节锯齿波的幅值，电位器RP1用来调节锯齿波的频率。
电路如图1-17所示。
由第二比较器产生的方波接至电路的输入端，则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变。
将此两脉冲通过功放级送至面板上的主晶闸管和辅助晶闸管，其中前沿脉冲送主晶闸管VT1，后沿脉冲送辅助晶闸管VT2。
四．MCL－07挂箱
MCL－07挂箱由GTR驱动电路、MOSFET驱动电路、IGBT驱动电路、PWM发生器、主电路等部分组成。
1．GTR电路：
内含普通光耦、比较器、贝克箝位电路、GTR功率器件、串并联缓冲电路、保护电路等。
可对光耦的特性（延迟时间、上升时间、下降时间），贝克电路对GTR通、关断特性的影响，不同的串、并联电路对GTR开关的影响以及保护电路的工作原理进行研究和分析。
2．MOSFET电路：
内含高速光耦、比较器、推挽电路、MOSFET功率器件等。
可对高速光耦、推挽驱动电路、MOSFET的开启电压、导通电阻RON、跨导gm、反向输出特性、转移特性、开关特性进行研究。
3．IGBT电路：
采用富士IGBT专用驱动芯片EXB841，线路典型，外扩过流保护电路。
可对EXB841的驱动电路各点波形以及1GBT的开关特性进行研究。
特点：
（1）线路典型，注重对基本概念的了解，力求通过实验，使学生对自关断器件的特性有比较深刻的理解。
（2）由于接线比较多，设计时充分考虑到学生实验时可能产生的误操作，保护功能完善，可靠性高。
使用注意事项：
（1）面板上有比较多的扭子开关控制电源，需注意扭子开关的通断。
（2）GTR采用较低频率的PWM波形驱动，MOSFET、IGBT采用较高的PWM波形驱动。
（3）由于接线头采用防转动叠插头，使用时需注意防转动叠插头导线的导通，以免观察不到波形。
五．MCL－08挂箱
MCL－08挂箱由直流变换电路（Buck－Boost电路）和电流控制型脉宽调制开关稳压电源组成。
1．直流转波电路：
控制回路采用555波形发生器，由光耦进行隔离经过推挽电路驱动GTR。
555产生波形的占空比可由电位器进行调节，频率约为8K左右。
斩波电路主回路的功率器件采用GTR（10A，800V），输入电压为15V，输出电压为7.5~30V之内可调。
按流过电感L的电流在周期开始时是否从0开始，可分为连续或不连续工作状态两种模式。
实验中，可分别观察两种模式下，电感电流iL、二极管电流iVD、GTR电流iVT等波形。
2．开关电源
采用UC3842构成电流控制型脉宽调制开关稳压电源，通过实验使学生对开关电源的工作原理以及UC3842的应用有一定的了解，UC3842脉宽调制器的具体说明可参见第二章的有关内容。
六．MCL—11挂箱：
MCL—11挂箱分成两部分：
正弦波逆变电源和单相交流调压。
1．正弦波逆变电源
正弦波逆变电源的功能是把直流电逆变成交流电。
该实验电路框图如图1—3。
由波形发生器产生一50Hz、幅度可变的正弦波，送入SG3525中的第9端，和3525的第5脚（为锯齿波）比较后，输出经调制（调制频率约为10kHz）的SPWM波形，经过倒相器反相后，得到两路互为反相的PWM驱动信号，分别驱动功率场效应管VT1、VT2，使VT1、VT2交替导通，从而在高频变压器的副边得到一SPWM波形，经过LC滤波后，得到一50Hz的正弦波，幅度可通过电位器RP进行改变。
2．单相交流调压电路
采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。
其原理框图如图1—21。
输入交流电压为220V，经过同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为180°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525进行调制（调制频率约为2.5kHz）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。
工作过程为：
当输入交流电处于正半波时，经调解制的方波信号施加于VT2的栅极和源极，VT1的控制电压为0V，交流电经L、R、VT2、VD1构成回路；
当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1、VT2控制电压为0，交流电经过VT1、VD2、R、L构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。
实验一绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究
一．实验目的：
1.熟悉IGBT开关特性的测试方法；
2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
二．实验内容
1.EXB840性能测试；
2.IGBT开关特性测试；
3.过流保护性能测试。
三．实验方法
1．EXB840性能测试
（1）输入输出延时时间测试
IGBT部分的“1”与PWM波形发生部分的“1”相连，IGBT部分的“13”与PWM波形发生部分的“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”相连，与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。
ton=，toff=
（2）保护输出部分光耦延时时间测试
将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。
用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13”之间波形，记录延时时间。
（3）过流慢速关断时间测试
接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。
（4）关断时的负栅压测试
断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。
（5）过流阀值电压测试
断开“10”与“13”的连接，断开“2”与“1”的连接，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，分别将主回路的“3”与“4”和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。
IGBT：
17
主回路：
4
IGBT：
10
主回路：
3
IGBT：
4
IGBT：
5
IGBT：
6
IGBT：
7
IGBT：
2
IGBT：
3
IGBT：
12
IGBT：
14
将主电路的RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。
2．开关特性测试
（1）电阻负载时开关特性测试
将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT部分的“18”与“15”相连。
即按照以下表格的说明连线。
IGBT：
1
PWM：
1
IGBT：
13
PWM：
2
IGBT：
4
IGBT：
5
IGBT：
6
IGBT：
7
IGBT：
2
IGBT：
3
IGBT：
12
IGBT：
14
IGBT：
17
IGBT：
16
IGBT：
10
IGBT：
18
IGBT：
15
主回路：
4
IGBT：
18
主回路：
1
用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。
（2）电阻，电感负载时开关特性测试
将主回路“1”与“18”的连线断开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“14”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。
（3）不同栅极电阻时开关特性测试
将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从R5＝3kΩ改为R4=27Ω，其余接线与测试方法同上。
3．并联缓冲电路作用测试
（1）将IGBT部分的“18”与“19”相连，IGBT部分的“17”与“20”相连。
（2）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。
（3）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。
4．过流保护性能测试，栅计电阻用R4
在上述接线基础上，将“4”与“5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后，揿复位按钮即可继续进行试验。
四．实验报告
1.绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。
2.绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。
3.绘出电阻负载，电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形，并在图上标出tON与tOFF。
4.绘出电阻负载与电阻、电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形，并说明并联缓冲电路的作用。
5.过流保护性能测试结果，并对该过流保护电路作出评价。
实验二三相桥式全控整流电路实验
一．实验目的
1．熟悉三相桥式全控整流电路的接线及工作原理。
2．了解集成触发器的调整方法及各点波形。
二．实验内容
1．三相桥式全控整流电路
2．观察整流或逆变状态下，模拟电路故障现象时的波形。
三．实验方法
1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（1）主电路未通电，接通MCL一32T电源控制屏的“低压直流电源”开关,将MCL-31板上的直流低压电源引到MCL-33板上.
（2）用示波器观察MCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔60o的幅度相同的双脉冲。
（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”单脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。
（4）将MCL-33板上的Ublf接地，接通“低压直流电源”，用示波器的一个探头逐个观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。
（注意：
此时要逐个测试，不得同时观察两个晶闸管上的脉冲）
注：
将面板上的Ublf（当三相桥式全控变流电路使用I组桥晶闸管VT1~VT6时）接地，将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”（处于弹起状态）。
（5）将给定器输出Ug接至MCL-33面板的Uct端，调节偏移电压Ub，在Uct=0时，使α=150o。
具体方法为：
用双踪示波器的一路接U相同步电压，另一路接1#脉冲孔的触发脉冲，调节偏移电压Ub电位器，使得脉冲出现的位置刚好对应于U相同步电压的150o位置。
（注意：
示波器两路输入的横轴必须重合，否则将会产生误差）
2．三相桥式全控整流电路
按图4-12接线，S拨向左边短接线端，将Rd调至最大（450Ω）。
调节Uct（即给定器输出Ug电位器），使α在30o~90o范围内（具体方法和1中的（5）相同），用示波器观察记录α=30O、60O、90O时，整流电压ud=f（t），晶闸管两端电压uVT=f（t）的波形，并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值。
3．电路模拟故障现象观察。
（1）在整流状态时，断开某一晶闸管元件的触发脉冲开关（依次按下触发脉冲的六个开关中其中一个），则该元件无触发脉冲即该支路不能导通，观察并分别记录此时的ud波形。
（2）断开两只晶闸管元件的触发脉冲开关（任意按下触发脉冲六个开关中其中两个），观察并分别记录此时的ud波形。
（3）断开三只晶闸管元件的触发脉冲开关（任意按下触发脉冲六个开关中其中三个），观察并分别记录此时的ud波形。
四．实验报告
1．画出电路的移相特性Ud=f（α）曲线；
2．作出整流电路的输入—输出特性Ud/U2=f（α）；
3．画出三相桥式全控整流电路时，α角为30O、60O、90O时的ud、uVT波形；
4．画出模拟故障的波形图并简单分析模拟故障现象。
实验三直流斩波电路的性能研究
一．实验目的
熟悉降压斩波电路（BuckChopper）和升压斩波电路（BoostChopper）的工作原理，掌握这两种基本斩波电路的工作状态及波形情况。
二．实验内容
1．SG3525芯片的调试。
2．降压斩波电路的波形观察及电压测试。
3．升压斩波电路的波形观察及电压测试。
三．实验方法
1．SG3525的调试。
原理框图见图5—11。
将扭子开关S1打向“直流斩波”侧，S2电源开关打向“ON”，将“3”端和“4”端用导线短接，用示波器观察“1”端输出电压波形应为锯齿波，并记录其波形的频率和幅值。
扭子开关S2扳向“ON”，用导线分别连接“5”、“6”，用示波器观察“5”端波形，并记录其波形、频率、幅度，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其最大占空比和最小占空比。
Dmax=Dmin=
2．实验接线图见图5—12（接线时请断开电源，即把钥匙开关关闭）。
（1）切断MCL-16主电源，分别将“主电源2”的“1”端和“直流斩波电路”的“1”端相连，“主电源2”的“2”端和“直流斩波电路”的“2”端相连，将“PWM波形发生”的“7”、“8”端分别和直流斩波电路VT1的G1S1端相连，“直流斩波电路”的“4”、“5”端串联MEL-03电阻箱（将两组900Ω/0.41A的电阻并联起来，逆时针旋转调至阻值最大约450Ω）。
（2）检查接线正确后，接通控制电路和主电路的电源（注意：
先接通控制电路电源后接通主电路电源），改变脉冲占空比，每改变一次，分别观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。
（3）改变负载R的值（注意：
负载电流不能超过1A），重复上述内容2。
（4）切断主电路电源，断开“主电路2”和“降压斩波电路”的连接，断开“PWM波形发生”与VT1的连接，分别将“直流斩波电路”的“6”和“主电路2”的“1”相连，“直流斩波电路”的“7”和“主电路2”的“2”端相连，将VT2的G2S2分别接至“PWM波形发生”的“7”和“8”端，直流斩波电路的“10”、“11”端，分别串联MEL-03电阻箱（两组分别并联，然后串联在一起逆时针旋转调至阻值最大约900Ω）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。
检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。
改变脉冲占空比D，每改变一次，分别：
观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。
（5）改变负载R的值（注意：
负载电流不能超过1A），重复上述内容4。
（6）实验完成后，断开主电路电源，拆除所有导线。
四．注意事项
（1）“主电路电源2”的实验输出电压为15V，输出电流为1A，当改变负载电路时，注意R值不可过小，否则电流太大，有可能烧毁电源内部的熔断丝。
（2）实验过程当中先加控制信号，后加“主电路电源2”。
（3）做升压实验时，注意“PWM波形发生器”的“S1”一定要打在“直流斩波”，如果打在“半桥电源”极易烧毁“主电路电源2”内部的熔断丝。
五．实验报告
1．分析PWM波形发生的原理
2．记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，MOSFET的栅源电压波形，输出电压u0波形，输出电流i0的波形，并绘制降压斩波电路的Ui/Uo-D曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。
实验四单相交直交变频电路的性能研究
一．实验目的
熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。
二．实验内容
1．测量SPWM波形产生过程中的各点波形。
2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。
三．实验设备及仪器
1．电力电子及电气传动主控制屏。
2．MCL-16组件。
3．电阻、电感元件（MEL-03、700mH电感）。
4．双踪示波器。
5．万用表。
四．实验原理
单相交直交变频电路的主电路如图5—13所示。
本实验中主电路中间直流电压ud由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM逆变电路。
逆变电路中功率器
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