电力电子实验讲义.docx
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电力电子实验讲义
电力电子技术
实验指导书
熊薇薇编写
武汉理工大学华夏学院教务处
2009年10月
前言
电力电子是电气与自动化等专业的专业基础课程，其重点研究对象是电力电子半导体器件的特性和触发方式，以及由电力电子半导体器件所组成的整流、逆变、斩波和变频变压电路的基本工作原理、特性与应用。
做好本课程实验对掌握相关专业的知识和技能具有十分重要的作用。
本书是在“EL－DS－Ⅲ型电气控制系统综合实验系统”的基础上，根据武汉理工大学华夏学院电力电子技术课程实验教学的特点和要求，结合由设备厂家（北京达盛科技有限公司）提供的实验指南编写而成的。
在内容的组织上，力求做到重点突出，侧重于综合性强、对基础性理论要求较广的实验，旨在帮助学生掌握电力电子基本电路的工作原理，电压、电流波形的测定与分析方法，电路参数的计算等，并能运用专业理论知识分析相关的实验现象，从而最终达到巩固理论知识，提高动手能力和组织实验能力。
考虑到本“实验台”技术性能的综合性、灵活性、可塑性及其宽广的适应能力，本书提供了多个典型教学实验内容。
学生可根据实验教师的要求和专业需求，选择其中若干实验项目，还可以根据实验设备的特点，自行组合相应实验项目和内容。
本书仅仅是武汉理工大学华夏学院的配套实验讲义，其编写具有一定的局限性和较强的针对性，作为实验教材必定存在众多不足，也由于编写者的水平所限、时间紧迫等因素，缺点、错误之处在所难免，敬请批评、指正。
并对参加本书的编写、校阅、调试人员顺致谢意。
目录
前言2
目录3
电力电子技术实验注意事项4
实验一单相半波可控整流电路5
实验二单相全波可控整流电路7
实验三单相桥式半控整流电路9
实验四单相桥式全控整流电路11
实验五三相有源逆变电路研究13
实验六三相半波可控整流电路15
实验七三相桥式全控整流电路17
附录20
附图1单结晶体管触发的单相半波可控整流电路21
附图2单相锯齿波移相触发的单相全波可控整流电路22
附图3锯齿波触发单相桥式半控整流电路23
附图4锯齿波移相触发的单相桥式全控整流24
附图5三相有源逆变电路实验研究25
附图6锯齿波触发的三相半波可控整流电路26
附图7锯齿波移相触发的三相桥式全控整流电路27
电力电子技术实验注意事项
（一）“综合实验台”及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前应首先对“实验台”及其相关挂箱进行全面检查和单元环节调试，确保主电源、保护电路和相关触发电路单元工作正常。
（二）每次实验前，务必设置“状态”开关，并检查其它开关和旋钮的位置。
实验接线，必须经教师审核无误后方可开始实验。
（三）负载和电源的选用要严格参考有关挂件的使用说明，电力电子实验除需要电动机作负载的综合实验项目外，一律采用“DP01”单元提供的低压电源和“DP02”单元提供的小功率负载。
（四）除非特定的实验操作要求（必要的实验方法），任何需要改接线时，必须先切除系统工作电源：
首先使系统的给定为零，然后依次断开主电路总电源、断开控制电路电源。
（五）双踪示波器的两个探头，其地线已通过示波器机壳短接。
使用时务必使两个探头的地线等电位（或只用一根地线即可），以免测试时系统经示波器机壳短路。
（六）每个挂箱都有独立电源，使用时要打开上面的电源开关才能工作，同时在不同挂件上的单元电路配合使用时需要共信号地。
（七）本实验注意事项，适用于电力电子所有典型实验，敬请注意。
实验一单相半波可控整流电路
一、实验目的
1、掌握单相半波可控整流电路的基本组成。
2、熟悉单相半波可控整流电路的基本工作特性。
二、实验内容
1、验证单相半波可控整流电路的工作特性。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DE08、DE09单元
2、“触发电路挂箱Ⅰ（DST01）—DT01单元
3、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”或“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DP01、DP02单元
4、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
图2-1 单相半波整流电路原理示意图
四、实验电路的组成及实验操作
1、实验电路的组成：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、电源及负载组成。
实验系统提供了单结晶体管触发电路和集成单相锯齿波移相触发电路可供选择。
实验指南以前者构成实验电路。
主电路开关元件只有一个单向晶闸管，在交流电源的正半周波，触发信号来临时，晶闸管满足条件开通，直到管子两端电位反向或者电路中的电流减小到晶闸管维持电流以下时管子关断。
控制触发脉冲的相位，从而控制每个周期晶闸管开通的起始时刻。
因为电路中只有一个开关管，所以只能完成半个周波范围内的相位控制，故此称其为半波可控整流电路。
单相半波整流电路的原理示意见图2-1。
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“3”位置，即主电源相电压输出设定为220V。
按附图1完成实验接线。
将DT01单元的控制电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关、主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DT01单元的控制电位器，观察并记录负载电压波形及变化情况；依次关闭系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路；改变电路的负载特性，在负载回路内串入大电感，重复以上操作，观察并记录相应波形；对比实验结果，参照教材相关内容，分析电路工作原理。
实验完毕，依次关断系统主电路、挂箱电源开关、控制电路电源以及系统总电源。
拆除实验导线，并整理实验器材。
五、实验报告
1、通过实验，掌握单相半波可控整流电路的工作原理和工作特性。
2、拟定数据表格，分析实验数据。
3、观察并绘制有关实验波形。
（1）、带电阻负载时的整流电压波形
ωt
ud
（2）、带电阻串联大电感负载时的整流电压波形
ωt
ud
实验二单相全波可控整流电路
一、实验目的
1、掌握单相全波可控整流电路的基本组成和工作原理。
2、熟悉单相半全波可控整流电路的基本特性。
二、实验内容
1、验证单相全波可控整流电路的工作特性。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DE08、DE09单元
2、“触发电路挂箱Ⅰ（DST01）—DT02单元
3、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”或“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DP01、DP02单元
4、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
四、实验电路的组成及实验操作
图2-2 单相全波可控整流电路示意图
1、实验电路的组成原理：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、电源及负载组成。
主电路原理示意见图2-2。
单相全波可控整流电路又叫单相双半波可控整流电路，它采用带中心抽头的电源变压器配合两只晶闸管实现全波可控整流电路。
就其输入输出特性而言与桥式全控整流电路类似，区别在于电源变压器的结构、晶闸管上的耐压以及整流电路的管压降大小。
其电路自身特点决定了单相全波整流电路适合应用于低输出电压的场合。
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“3”位置，即主电源相电压输出设定为220V。
按附图2完成实验接线。
将DT02单元的控制电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关、主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DT02单元的控制电位器，观察并记录负载电压波形及变化情况，分析电路工作原理。
实验完毕，依次关闭系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，分析单相全波可控整流电路的工作原理和工作特性。
2、拟定数据表格，分析实验数据。
3、观察并绘制有关实验波形。
（1）、带电阻负载时的整流电压波形
ωt
ud
（2）、带电阻串联大电感负载时的整流电压波形
ωt
ud
实验三单相桥式半控整流电路
一、实验目的
1、掌握单相桥式半控整流电路的基本组成。
2、熟悉单相桥式半控整流电路的基本特性。
二、实验内容
1、单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载的工作情况。
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）的工作情况。
3、单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（无续流二极管）的工作情况。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DE08、DE09单元
2、“触发电路挂箱Ⅰ（DST01）—DT02单元
3、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”或“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DP01、DP02单元
4、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
四、实验电路的组成及实验操作
图2-3 单相桥式半控整流电路示意图
1、实验电路的组成：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、续流二极管、电源及负载组成。
主电路原理见图2-3。
半控整流电路是全控整流电路的简化，单相全控整流电路采用两只晶闸管来限定一个方向的电流流通路径，实际上，每个支路只要有一个晶闸管来限定电流路径对于可控整流电路来说就可以满足要求，于是将全控桥电路中的上半桥或者下半桥的一对管替换成二极管，就构成了单相半控整流电路。
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“3”位置，即主电源相电压输出设定为220V。
按附图3完成实验接线。
将DT02单元的控制电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关、主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DT02单元的控制电位器，观察并记录负载电压波形及变化情况，分析电路工作原理。
依次关断系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路电源；将负载换成电阻串联大电感，并且在负载两端反向并联续流二极管，上电，重复上述操作，观察并记录负载电压波形。
实验完毕，依次关断系统主电路、挂箱电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，分析单相半控整流电路的工作特性和工作原理。
2、拟定数据表格，分析实验数据。
3、观察并绘制有关实验波形。
（1）、带电阻负载时的整流电压波形
ωt
ud
（2）、带电阻串联大电感负载时的整流电压波形
ωt
ud
4、分析电感负载并联反向续流二极管的作用。
实验四单相桥式全控整流电路
一、实验目的
1、掌握单相桥式全控整流电路的基本组成和工作原理。
2、熟悉单相桥式全控整流电路的基本特性。
二、实验内容
1、单相桥式全控整流电路供电给电阻性负载的工作情况。
2、单相桥式全控整流电路供电给电阻—电感性负载的工作情况。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅱx（DSE03）”—DE08、DE09单元
2、“触发电路挂箱Ⅰ（DST01）—DT02单元
3、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”或“电力电子变换技术挂箱Ⅱa（DSE03）”—DP01、DP02单元
4、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
四、实验电路的组成及实验操作
图2-4 单相桥式全控整流电路示意图
1、实验电路的组成：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、电源及负载组成。
主电路原理见图2-4。
单相全控电路的主电路是由四只晶闸管构成的全控桥，把不可控桥式整流电路中的四只不可控导通的二极管换成四只可控的晶闸管，就成为了全控整流电路。
在交流电源的每一个半波内有一对晶闸管来限定电流的通路。
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“3”位置，即主电源相电压输出设定为220V。
按附图4完成实验接线。
将DT02单元的控制电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关、主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DT02单元的控制电位器，观察并记录负载电压波形及变化情况，分析电路工作原理。
实验完毕，依次关闭系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，分析单相全控整流电路的工作特性及工作原理。
2、分析桥式全控整流较半波可控整流电路的优缺点。
3、拟定数据表格，分析实验数据。
4、观察并绘制有关实验波形。
（1）、带电阻负载时的整流电压波形
ωt
ud
（2）、带电阻串联大电感负载时的整流电压波形
ωt
ud
实验五三相有源逆变电路研究
一、实验目的
1、掌握三相有源逆变电路的基本工作原理和组成。
2、熟悉实现三相有源逆变电路的条件。
3、熟悉三相有源逆变电路的基本特性。
二、实验内容
1、验证三相有源逆变电路的工作特性。
2、观测三相有源逆变电路的工作波形。
三、实验设备与仪器
1、“触发电路挂箱Ⅱ（DST02）”—DT04单元
2、主控“信号检测电路”—DD05单元（同步信号）
3、主控“电机接口电路”—DD13单元（逆变变压器）
4、“给定单元挂箱（DSG01）”或“给定及调节器挂箱（DSG02）”—DG01单元
5、“可控硅主电路挂箱（DSM01）”—DM01单元
6、“IPM主电路挂箱（DSM02）”—DM02单元
7、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
图2-18 三相晶闸管逆变桥
四、实验电路的组成及实验操作
1、实验电路的组成：
实验电路主要由三相晶闸管逆变桥（如图2-18）、直流电源、三相锯齿波触发器、三相逆变变压器及扼流电抗器组成。
三相有源逆变电路的主电路结构有多种形式，实验采用全桥拓扑形式。
这种主电路结构与三相全控整流电路是相同的。
只是能量的传递方向不同，有源逆变电路是将与其导通方向一致的直流电逆变成与电网频率相同的交流电送回到交流电网。
此类电路主要应用于直流电动可逆调速系统、交流电动机串级调速和高压直流输电等方面。
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“1”位置，即主电源相电压输出设定为52V。
按附图5完成实验接线。
将DG01单元的正给定电位器RP1顺时针旋到头；将DT04单元的触发脉冲相位限定于β＜90°位置经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关，最后闭合主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，逆时针缓慢调节RP1，逐渐减小给定电压，观察并记录负载电压波形的变化情况，分析电路工作原理。
实验完毕依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，分析三相有源逆变电路的工作原理和工作特性。
2、观察记录并绘制有关实验波形。
3、分析有源逆变应该满足的条件。
实验六三相半波可控整流电路
一、实验目的
1、了解三相半波可控整流电路的工作原理。
2、掌握三相半波可控整流电路的基本组成。
3、熟悉三相半波可控整流电路的基本特性。
二、实验内容
1、三相半波可控整流电路供电给电阻性负载的工作情况。
2、三相半波可控整流电路供电给电阻—电感性负载的工作情况。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅳ（DSE05）”或“可控硅主电路挂箱（DSM01）”—DM01单元
2、“触发电路挂箱Ⅱa（DST02）—DT04单元
3、主控“信号检测电路”—DD05单元
4、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”—DP03单元（灯泡负载）
5、主控“电机接口电路”—DD16单元（电阻负载）
6、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
图2-5 三相半波可控整流电路示意图
四、实验电路的组成及实验操作
1、实验电路的组成：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、电源及负载组成。
负载选择灯泡或者电阻要根据设备配置情况而定。
三相半波可控整流电路是三相可控整流电路的一种基本形式。
主电路中有有三只晶闸管，分别负责限定每一相电流的流通路径。
为了获得中线，要求电源变压器的副边必须采用星型接法，电路每隔120º换相一次。
原理示意图如图2－5所示：
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“1”位置，即主电源相电压输出设定为52V。
按附图6完成实验接线。
将DG01单元的正给定电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关；将DT04单元脉冲的初始相位整定到α=120°位置，闭合主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DG01单元的正给定电位器，观察并记录负载电压波形及变化情况，分析电路工作原理。
实验完毕，依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，掌握三相桥式半波可控整流电路的工作特性。
2、拟定数据表格，分析实验数据。
3、观察并绘制有关实验波形。
实验七三相桥式全控整流电路
一、实验目的
1、掌握三相桥式全控整流电路的基本组成和工作原理。
2、熟悉三相桥式全控整流电路的基本特性。
二、实验内容
1、验证三相桥式全控整流电路的工作特性。
2、验证不同负载对整流输出电压波形的影响。
三、实验设备与仪器
1、“电力电子变换技术挂箱Ⅳ（DSE05）”或“可控硅主电路挂箱（DSM01）”—DM01单元
2、“触发电路挂箱Ⅱ（DST02）—DT04单元
3、主控“信号检测电路”—DD05单元
4、“电源及负载挂箱Ⅰ（DSP01）”—DP03单元（灯泡负载）
5、主控“电机接口电路”—DD11、DD16单元（电阻和电感负载）
6、慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器
图2-7 三相桥式全控整流电路示意图
四、实验电路的组成及实验操作
1、实验电路的组成：
实验电路主要由触发电路、脉冲隔离、功率开关（晶闸管）、电源及负载组成。
负载选择灯泡或者电阻要根据设备配置情况而定。
三相全控桥主电路包含六只晶闸管，在工作时，同时有不处在同一相上的两只管导通，每隔60º会有一次换相，输出电压在每个交流电源周期内会有六次相同的脉动，就输出电压纹波而言，较三相半波可控整流电路小一半。
示意图如图2-7所示：
2、实验操作：
打开系统总电源，系统工作模式设置为“电力电子”。
将主电源面板上的电压选择开关置于“1”位置，即主电源相电压输出设定为52V。
按附图7完成实验接线。
将DG01单元的正给定电位器逆时针旋到头，经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关；将DT04单元脉冲的初始相位整定到α=120°位置，闭合主电路；用示波器监测负载电阻两端的波形，顺时针缓慢调节DG01单元的正给定电位器，观察并记录负载电压波形跟随α的变化情况，分析电路工作原理。
实验完毕，依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路；改变负载特性，将电DD11单元的电感L1串入负载回路，重复实验，记录负载电压波形跟随α的变化情况。
若系统配有直流电动机，还可以将电动机作为负载，重复上述实验操作，记录相关波形。
实验完毕依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
五、实验报告
1、通过实验，分析三相桥式全控整流电路的工作特性及工作原理。
2、拟定数据表格，分析实验数据。
3、观察并绘制有关实验波形。
（1）、带电阻负载时的整流电压波形
ωt
ud
（2）、带电阻串联大电感负载时的整流电压波形
ωt
ud
（3）、带反电动势（电动机）负载时的整流电压波形
ωt
ud
附录
附图1单结晶体管触发的单相半波可控整流电路
附图2单相锯齿波移相触发的单相全波可控整流电路
附图3锯齿波触发单相桥式半控整流电路
附图4锯齿波移相触发的单相桥式全控整流
附图5三相有源逆变电路实验研究
附图6锯齿波触发的三相半波可控整流电路
附图7锯齿波移相触发的三相桥式全控整流电路
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