电力电子技术 实验指导书电子版.docx

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电力电子技术实验指导书电子版

电力电子技术实验指导书

机电工程学院汤青波梁建伟编著

二0一0年六月

第一部分

实验一单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验………………………………………2

实验二正弦波同步移相触发电路实验………………………………………………………………6

实验三1锯齿波同步移相触发电路实验………………………………………………………………8

实验四单相桥式半控整流电路实验…………………………………………………………………10

实验五2单相桥式全控整流电路实验…………………………………………………………………13

实验六4单相桥式有源逆变电路实验…………………………………………………………………16

实验七3三相半波可控整流电路的研究………………………………………………………………19

实验八三相桥式半控整流电路实验…………………………………………………………………21

实验九三相桥式全控整流及有源逆变电路实验……………………………………………………24

实验十6单相交流调压电路实验………………………………………………………………………26

第二部分

实验一电力晶体管（GTR）驱动研究…………………………………………………………………29

实验二电力晶体管（GTR）特性研究…………………………………………………………………33

实验三功率场效应晶体管（MOSFET）特性与驱动电路研究…………………………………………37

实验四绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究…………………………………………41

实验五采用自关断器件的单相交流调压电路研究…………………………………………………45

实验六5直流斩波电路的性能研究……………………………………………………………………48

实验七单相交直交变频电路的性能研究……………………………………………………………51

实验八半桥型开关稳压电源的性能研究……………………………………………………………54

实验九整流电路的有源功率因数校正研究…………………………………………………………56

实验十移相控制全桥零电压开关PWM变换器研究…………………………………………………60

实验十一直流斩波电路（设计性）的性能研究…………………………………………………………64

实验十二单相交直交变频电路…………………………………………………………………………67

第一部分

实验一单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验

一．实验目的

1．熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及各元件的作用。

2．掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。

3．对单相半波可控整流电路在电阻负载及电阻电感负载时工作情况作全面分析。

4．了解续流二极管的作用。

二．实验内容

1．单结晶体管触发电路的调试。

2．单结晶体管触发电路各点波形的观察。

3．单相半波整流电路带电阻性负载时特性的测定。

4．单相半波整流电路带电阻—电感性负载时，续流二极管作用的观察。

三．实验线路及原理

将单结晶体管触发电路的输出端“G”“K”端接至晶闸管VT1的门阴极，即可构成如图1-1所示的实验线路。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05（A）组件

4．NMEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．注意事项

1．双踪示波器有两个探头，可以同时测量两个信号，但这两个探头的地线都与示波器的外壳相连接，所以两个探头的地线不能同时接在某一电路的不同两点上，否则将使这两点通过示波器发生电气短路。

为此，在实验中可将其中一根探头的地线取下或外包以绝缘，只使用其中一根地线。

当需要同时观察两个信号时，必须在电路上找到这两个被测信号的公共点，将探头的地线接上，两个探头各接至信号处，即能在示波器上同时观察到两个信号，而不致发生意外。

2．为保护整流元件不受损坏，需注意实验步骤：

（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。

（2）在控制电压Uct=0时，接通主电路电源，然后逐渐加大Uct，使整流电路投入工作。

（3）正确选择负载电阻或电感，须注意防止过流。

在不能确定的情况下，尽可能选择较大的电阻或电感，然后根据电流值来调整。

（4）晶闸管具有一定的维持电流IH，只有流过晶闸管的电流大于IH，晶闸管才可靠导通。

实验中，若负载电流太小，可能出现晶闸管时通时断，所以实验中，应保持负载电流不小于100mA。

（5）本实验中，因用NMCL—05组件中单结晶触发电路控制晶闸管，注意须断开NMCL—33的内部触发脉冲。

六．实验方法

1．单结晶体管触发电路调试及各点波形的观察

将NMCL—05（或MCL—05A，以下均同）面板左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V输出端，“触发电路选择”拨至“单结晶”。

按照实验接线图正确接线，但由单结晶体管触发电路连至晶闸管VT1的脉冲UGK不接（将NMCL—05面板中G、K接线端悬空），而将触发电路“2”端与脉冲输出“K”端相连，以便观察脉冲的移相范围。

NMCL-32的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。

合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出，NMCL—05内部的同步变压器原边接有220V，原边输出分别为60V（单结晶触发电路）、30V（正弦波触发电路）、7V（锯齿波触发电路），通过直键开关选择。

合上NMCL—05面板的右下角船形开关，用示波器观察触发电路单相半波整流输出（“1”），梯形电压（“3”），锯齿波电压（“4”）及单结晶体管输出电压（“5”、“6”）和脉冲输出（“G”、“K”）等波形。

调节移相可调电位器RP，观察输出脉冲的移相范围能否在30°～180°范围内移。

注：

由于在以上操作中，脉冲输出未接晶闸管的控制极和阴极，所以在用示波器观察触发电路各点波形时，特别是观察脉冲的移相范围时，可用导线把触发电路的地端（“2”）和脉冲输出“K”端相连。

但一旦脉冲输出接至晶闸管，则不可把触发电路和脉冲输出相连，否则造成短路事故，烧毁触发电路。

采用正弦波触发电路、锯齿波触发电路或其它触发电路，同样需要注意，谨慎操作。

2．单相半波可控整流电路带电阻性负载

断开触发电路“2”端与脉冲输出“K”端的连接，“G”、“K”分别接至NMCL—33的VT1晶闸管的控制极和阴极，注意不可接错。

负载Rd接可调电阻（可把NMEL—03的900Ω电阻盘并联，即最大电阻为450Ω，电流达0.8A），并调至阻值最大。

合上主电源，调节脉冲移相电位器RP，分别用示波器观察=30°、60°、90°、120°时负载电压Ud，晶闸管VT1的阳极、阴极电压波形UVt。

并测定Ud及电源电压U2，验证

　　α

U2,ud

30°

60°

90°

120°

Ud

U2

3．单相半波可控整流电路带电阻—电感性负载，无续流二极管

串入平波电抗器，在不同阻抗角（改变Rd数值）情况下，观察并记录=30O、60O、90O、120O时的Ud、id及Uvt的波形。

注意调节Rd时，需要监视负载电流，防止电流超过Rd允许的最大电流及晶闸管允许的额定电流。

4．单相半波可控整流电路带电阻，电感性负载，有续流二极管。

接入续流二极管，重复“3”的实验步骤。

七．实验内容

1．画出触发电路在α=90°时的各点波形。

2．画出电阻性负载，α=90°时，Ud=f（t），Uvt=f（t），id=f（t）波形。

3．分别画出电阻、电感性负载，当电阻较大和较小时，Ud=f（t）、UVT=f（t），id=f（t）的波形（α=90°）。

4．画出电阻性负载时Ud/U2=f（a）曲线，并与

进行比较。

5．分析续流二极管的作用。

八．思考

1．本实验中能否用双踪示波器同时观察触发电路与整流电路的波形？

为什么？

2．为何要观察触发电路第一个输出脉冲的位置？

3．本实验电路中如何考虑触发电路与整流电路的同步问题？

实验二正弦波同步移相触发电路实验

一．实验目的

1．熟悉正弦波同步触发电路的工作原理及各元件的作用。

2．掌握正弦波同步触发电路的调试步骤和方法。

二．实验内容

1．正弦波同步触发电路的调试。

2．正弦波同步触发电路各点波形的观察。

三．实验线路及原理

电路分脉冲形成，同步移相，脉冲放大等环节，具体工作原理可参见“电力电子技术”有关教材。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05组件

4．NMEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．将NMCL—05面板上左上角的同步电压输入端接NMCL—32的U、V端，将“触发电路选择”拨至“正弦波”位置。

2．合上主电路电源开关，并打开NMCL—05面板右下角的电源开关。

用示波器观察各观察孔的电压波形，测量触发电路输出脉冲的幅度和宽度，示波器的地线接于“8”端。

3．确定脉冲的初始相位。

当Uct=0时，调节Ub（调RP）要求接近于180O。

4．保持Ub不变，调节NMCL-31的给定电位器RP1，逐渐增大Uct，用示波器观察U1及输出脉冲UGK的波形，注意Uct增加时脉冲的移动情况，并估计移相范围。

5．调节Uct使=60O，观察并记录面板上观察孔“1”~“7”及输出脉冲电压波形。

六．实验报告

1．画出=60O时，观察孔“1”~“7”及输出脉冲电压波形。

2．指出Uct增加时，应如何变化？

移相范围大约等于多少度？

指出同步电压的那一段为脉冲移相范围。

七．注意事项

参照实验一的注意事项。

实验三锯齿波同步移相触发电路实验（2015.9.22）

一．实验目的

1．加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。

2．掌握锯齿波同步触发电路的调试方法。

二．实验内容

1．锯齿波同步触发电路的调试。

2．锯齿波同步触发电路各点波形观察，分析。

三．实验线路及原理

锯齿波同步移相触发电路主要由脉冲形成和放大，锯齿波形成，同步移相等环节组成，其工作原理可参见“电力电子技术”有关教材。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05（A）组件或NMCL—36组件

4．NMEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．将NMCL-05（A）面板上左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V端，“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

2．合上主电路电源开关，并打开MCL—05面板右下角的电源开关。

用示波器观察各观察孔的电压波形，示波器的地线接于“7”端。

同时观察“1”、“2”孔的波形，了解锯齿波宽度和“1”点波形的关系。

观察“3”~“5”孔波形及输出电压UG1K1的波形，调整电位器RP1，使“3”的锯齿波刚出现平顶，记下各波形的幅值与宽度，比较“3”孔电压U3与U5的对应关系。

3．调节脉冲移相范围

将NMCL—31的“G”输出电压调至0V，即将控制电压Uct调至零，用示波器观察U2电压（即“2”孔）及U5的波形，调节偏移电压Ub（即调RP），使=180O。

调节NMCL—31的给定电位器RP1，增加Uct，观察脉冲的移动情况，要求Uct=0时，=180O，Uct=Umax时，=30O，以满足移相范围=30O~180O的要求。

4．调节Uct，使=60O，观察并记录U1~U5及输出脉冲电压UG1K1，UG2K2的波形，并标出其幅值与宽度。

用导线连接“K1”和“K3”端，用双踪示波器观察UG1K1和UG3K3的波形，调节电位器RP3，使UG1K1和UG3K3间隔1800。

六．实验报告

1．整理，描绘实验中记录的各点波形，并标出幅值与宽度。

2．总结锯齿波同步触发电路移相范围的调试方法，移相范围的大小与哪些参数有关？

3．如果要求Uct=0时，=90O，应如何调整？

4．讨论分析其它实验现象。

七．注意事项

参见实验一的注意事项。

实验四单相桥式半控整流电路实验

一．实验目的

1．研究单相桥式半控整流电路在电阻负载，电阻—电感性负载及反电势负载时的工作。

2．熟悉NMCL—05（A）组件（或NMCL-36）锯齿波触发电路的工作。

3．进一步掌握双踪示波器在电力电子线路实验中的使用特点与方法。

二．实验线路及原理

见图1-2。

三．实验内容

1．单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载。

2．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（带续流二极管）。

4．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（断开续流二极管）。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05（A）组件或NMCL—36组件

4．NMEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．注意事项

1．实验前必须先了解晶闸管的电流额定值（本装置为5A），并根据额定值与整流电路形式计算出负载电阻的最小允许值。

2．为保护整流元件不受损坏，晶闸管整流电路的正确操作步骤

（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。

（2）在控制电压Uct=0时，接通主电源。

然后逐渐增大Uct，使整流电路投入工作。

（3）断开整流电路时，应先把Uct降到零，使整流电路无输出，然后切断总电源。

3．注意示波器的使用。

4．NMCL—33的内部脉冲需断开。

六．实验方法

1．将NMCL—05（A）面板左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V输出端，“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

合上主电路电源开关，并打开NMCL—05（A）面板右下角的电源开关。

观察NMCL—05（A）锯齿波触发电路中各点波形是否正确，确定其输出脉冲可调的移相范围。

并调节偏移电阻RP2，使Uct=0

时，α=150°。

2．单相桥式晶闸管半控整流电路供电给电阻性负载：

按图1-2接线，并短接平波电抗器L。

调节电阻负载RD（可选择900Ω电阻并联，最大电流为0.8A）至最大。

（a）NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电路电源，调节NMCL-31的给定电位器RP1，使α=90°，测取此时整流电路的输出电压Ud=f（t），输出电流id=f（t）以及晶闸管端电压UVT=f（t）波形，并测定交流输入电压U2、整流输出电压Ud，验证

。

若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中RP1，RP3电位器。

（b）采用类似方法，分别测取α=60°，α=30°时的Ud、id、Uvt波形。

3．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载

（a）接上续流二极管，接上平波电抗器。

NMCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电源。

（b）调节Uct，使α=90°，测取输出电压Ud=f（t），整流电路输出电流id=f（t）以及续流二极管电流iVD=f（t）波形，并分析三者的关系。

调节电阻RD，观察id波形如何变化，注意防止过流。

（c）调节Uct，使α分别等于60°、90°时，测取Ud，iL，id，iVD波形。

（d）断开续流二极管，观察Ud=f（t），id=f（t）。

突然切断触发电路，观察失控现象并记录Ud波形。

若不发生失控现象，可调节电阻Rd。

七．实验报告

1．绘出单相桥式半控整流电路供电给电阻负载，电阻—电感性负载情况下，当α=90°时的Ud、id、UVT、iVD等波形图并加以分析。

2．作出实验整流电路的输入—输出特性Ud=f（Uct），触发电路特性Uct=f（α）及Ud/U2=f（α）曲线。

3．分析续流二极管作用及电感量大小对负载电流的影响。

八．思考

1．在可控整流电路中，续流二极管VD起什么作用？

在什么情况下需要接入？

2．能否用双踪示波器同时观察触发电路与整流电路的波形？

实验五单相桥式全控整流电路实验

一．实验目的

1．了解单相桥式全控整流电路的工作原理。

2．研究单相桥式全控整流电路在电阻负载、电阻—电感性负载及反电势负载时的工作。

3．熟悉NMCL—05（A）组件或NMCL—36组件。

二．实验线路及原理

参见图1-3。

三．实验内容

1．单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。

2．单相桥式全控整流电路供电给电阻—电感性负载。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05（A）组件或NMCL—36组件

4．NMEL—03组件

5．NMCL—35组件

6．二踪示波器

7．万用表

五．注意事项

1．本实验中触发可控硅的脉冲来自NMCL-05挂箱（或NMCL—36组件），故NMCL-33的内部脉冲需断，以免造成误触发。

2．电阻RD的调节需注意。

若电阻过小，会出现电流过大造成过流保护动作（熔断丝烧断，或仪表告警）；若电阻过大，则可能流过可控硅的电流小于其维持电流，造成可控硅时断时续。

3．电感的值可根据需要选择，需防止过大的电感造成可控硅不能导通。

4．NMCL-05（或NMCL—36）面板的锯齿波触发脉冲需导线连到NMCL-33面板，应注意连线不可接错，否则易造成损坏可控硅。

同时，需要注意同步电压的相位，若出现可控硅移相范围太小（正常范围约30°～180°），可尝试改变同步电压极性。

5．逆变变压器采用NMCL—35组式变压器，原边为220V，副边为110V。

6．示波器的两根地线由于同外壳相连，必须注意需接等电位，否则易造成短路事故。

六．实验方法

1．将NMCL—05（A）（或NMCL—36）面板左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V输出端），“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

2．断开NMCL-35和NMCL-33的连接线，合上主电路电源，此时锯齿波触发电路应处于工作状态。

NMCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

调节偏移电压电位器RP2，使=90°。

断开主电源，连接NMCL-35和NMCL-33。

3．单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。

接上电阻负载（可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大，短接平波电抗器。

合上主电路电源，调节Uct，求取在不同角（30°、60°、90°）时整流电路的输出电压Ud=f（t），晶闸管的端电压UVT=f（t）的波形，并记录相应时的Uct、Ud和交流输入电压U2值。

若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中RP1，RP3电位器。

4．单相桥式全控整流电路供电给电阻—电感性负载。

断开平波电抗器短接线，求取在不同控制电压Uct时的输出电压Ud=f（t），负载电流id=f（t）以及晶闸管端电压UVT=f（t）波形并记录相应Uct时的Ud、U2值。

注意，负载电流不能过小，否则造成可控硅时断时续，可调节负载电阻RP，但负载电流不能超过0.8A，Uct从零起调。

改变电感值（L=100mH），观察=90°，Ud=f（t）、id=f（t）的波形，并加以分析。

注意，增加Uct使前移时，若电流太大，可增加与L相串联的电阻加以限流。

七．实验报告

1．绘出单相桥式晶闸管全控整流电路供电给电阻负载情况下，当=60°，90°时的Ud、UVT波形，并加以分析。

2．绘出单相桥式晶闸管全控整流电路供电给电阻—电感性负载情况下，当=90°时的Ud、id、UVT波形，并加以分析。

3．作出实验整流电路的输入—输出特性Ud=f（Uct），触发电路特性Uct=f（）及Ud/U2=f（）。

4．实验心得体会。

实验六单相桥式有源逆变电路实验

一．实验目的

1．加深理解单相桥式有源逆变的工作原理，掌握有源逆变条件。

2．了解产生逆变颠覆现象的原因。

二．实验线路及原理

NMCL—33的整流二极管VD1～VD6组成三相不控整流桥作为逆变桥的直流电源，逆变变压器采用NMEL—02芯式变压器（或NMCL—35组式变压器），回路中接入电感L及限流电阻Rd。

具体线路参见图1-4。

三．实验内容

1．单相桥式有源逆变电路的波形观察。

2．有源逆变到整流过渡过程的观察。

3．逆变颠覆现象的观察。

四．实验设备及仪表

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMCL—05（A）组件或NMCL—36组件

4．NMEL—03组件

5．NMCL—35组件

6．二踪示波器

7．万用表

五．注意事项

1．本实验中触发可控硅的脉冲来自NMCL-05挂箱，故NMCL-33的内部触发脉冲需断开，以免造成误触发。

2．电阻RP的调节需注意。

若电阻过小，会出现电流过大造成过流保护动作（熔断丝烧断，或仪表告警）；若电阻过大，则可能流过可控硅的电流小于其维持电流，造成可控硅时断时续。

3．电感的值可根据需要选择，需防止过大的电感造成可控硅不能导通。

4．NMCL-05面板的锯齿波触发脉冲需导线连到NMCL-33面板，应注意连线不可接错，否则易造成损坏可控硅。

同时，需要注意同步电压的相位，若出现可控硅移相范围太小（正常范围约30°～180°），可尝试改变同步电压极性。

5．逆变变压器采用NMCL—35组式变压器，原边为220V，副边为110V。

6．示波器的两根地线由于同外壳相连，必须注意需接等电位，否则易造成短路事故。

六．实验方法

1．将NMCL—05（A）面板左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V输出端，“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

将NMCL—33的I组桥触发脉冲切断。

2．有源逆变实验

有源逆变实验的主电路如图1-4，控制回路的接线可参考单相桥式全控整流电路实验（图1-3）。

（a）将限流电阻RD调整至最大（约450Ω），先断开NMCL-35和NMCL-33的连接线，参考图1-3，连接控制回路。

合上主电源，用示波器观察锯齿波的“1”孔和“6”孔，调节偏移电位器RP2，使Uct=0时，β=10°，然后调节Uct，使β在30°附近。

（b）按图1-4连接主回路。

合上主电源，用示波器观察逆变电路输出电压Ud=f（t），晶闸管的端电压UVT=f（t）波形，并记录Ud和交流输入电压U2的数值。

（c）采用同样方法，绘出β在分别等于60°、90°时，Ud、UVT波形。

3．逆变到整流过程的观察

当β大于90°时，晶闸管有源逆变过渡到整流状态，此时输出电压极性改变，可用示波器观察此变化过程。

注意，当晶闸管工作在整流时，有可能产生比较大的电流，需要注意监视。

4．逆变颠覆的观察

当β=30°时，继续减小Uct，此时可观察到逆变输出突然变为一个正弦波，表明逆变颠覆。

当关断NMCL—05（A）面板的电源开关，使脉冲消失，此时，也将产生逆变颠覆。

七．实验报告

1．画出β=30°、60°、90°时，Ud、UVT的波形。

2．分析逆变颠覆的原因，逆变颠覆后会产生什么后果？

实验七三相半波可控整流电路的研究

一．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。

二．实验线路及原理

三相半波可控整流电路用三只晶闸管，与单相电路比较，输出电压脉动小，输出功率大，三相负载平衡。

不足之处是晶闸管电流即变压器的二次电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率低。

实验线路见图1-5。

三．实验内容

1．研究三相半波可控整流电路供电给电阻性负载时的工作。

2．研究三相半波可控整流电路供电给电阻—电感性负载时的