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

第一章DJDK－1型电力电子技术实验装置简介

§1.1控制屏介绍及操作说明

一、特点

（1）实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》及《控制理论》等课程所开设的主要实验项目。

（2）实验机组容量小，耗电小，配置齐全；装置使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。

图1-1DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置外形图

（3）装置布局合理，面板示意图明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；电路连接方式安全、可靠、迅速、简便；除电源控制屏和挂件外，实验桌上可放置机组、示波器等实验仪器，操作舒适、方便。

电机采用导轨式安装，更换机组简捷、方便；实验台底部安装有轮子和不锈钢固定调节机构，便于移动和固定。

实验装置外形如上图1-1.

（4）控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，可保护教师和学生的人身安全。

（5）挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。

二、技术参数

（1）输入电压三相四线制380V±10%50Hz

（2）工作环境环境温度范围为-5—40℃,相对湿度<75%。

（3）装置容量：

＜１.5kVA

（4）电机输出功率:

＜200W

（5）外形尺寸：

长×宽×高=1870㎜×730㎜×1600㎜

§1.2各挂件功能介绍

这里只介绍《电力电子技术》实验所用到的挂件使用方法，并简单说明其工作原理和单元电路原理图。

一、电源控制屏

电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。

屏上还设有定时器兼报警记录仪，教师可考核学生的实验时间和质量；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用40W日光灯。

图1-2DJK01主控制屏面板图

1、三相电网电压指示

三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

2、定时器兼报警记录仪

平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。

3、电源控制部分

它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。

当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。

4、三相主电路输出

三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。

输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。

在A、B、C三相附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。

同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定主电源输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。

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5、励磁电源

在按下启动按钮后将励磁电源开关拨向“开”侧，则励磁电源输出为220V的直流电压，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A熔丝做短路保护，由于励磁电源的容量有限，仅作为直流电机提供励磁电流，故一般不能作为大电流的直流电源使用。

6、面板仪表

面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为可逆调速系统提供电压及电流指示；面板上部设置有500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，精度为0.5级，供交流调速系统实验时使用。

二、晶闸管主电路

该挂件装有12只晶闸管、直流电压和电流表等，其面板如图1-3所示。

图1-3DJK02三相变流桥路面板图

1、三相同步信号输出端

同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有△/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，供DJK02-1挂件内的KC04集成电路，从而产生移相触发脉冲；只要将本挂件的12芯插头与屏相连接，则输出相位一一对应的三相同步电压信号；接口的详细引脚情况详见附录相关内容。

2、正、反桥脉冲输入端

从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上；接口的详细情况详见附录相关内容。

3、正、反桥钮子开关

从正、反桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正、反桥钮子开关”接至相应晶闸管的门极和阴极。

面板上共设有十二个钮子开关，分为正、反桥两组，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲；开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极；开关打到“断”侧，触发脉冲被切断；通过钮子开关的切换可以模拟晶闸管失去触发脉冲的故障情况。

4、三相正、反桥主电路

正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管组成；其中由VT1～VT6组成正桥元件（一般不可逆、可逆系统的正桥使用正桥元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ组成反桥元件（可逆系统的反桥以及需单个或几个晶闸管的实验可使用反桥元件）；所有这些晶闸管元件均配置有阻容吸收及快速熔断丝保护，此外正桥还设有压敏电阻接成三角形，起过压吸收。

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5、电抗器

实验主回路中所使用的平波电抗器装在电源控制屏内，其各引出端通过12芯的插座连接到DJK02面板的中间位置，有3档电感量可供选择，分别为lOOmH、2O0mH、700mH（各档在1A电流下能保持线性），可根据实验需要选择合适的电感值。

电抗器回路中串有3A熔丝保护，熔丝座装在电抗器旁。

6、直流电压表及直流电流表

面板上装有±300V的带镜面直流电压表、±2A的带镜面直流电流表，均为中零式，精度为1.0级，为可逆调速系统提供电压及电流指示。

三、三相晶闸管触发电路

该挂件装有三相晶闸管触发电路和正反桥功放电路等，面板图如图1-4。

图1-4DJK02-1三相触发电路面板图

1、移相控制电压Uct输入及偏移电压Ub

观测及调节Uct及Ub用于控制触发电路的移相角；在一般的情况下，我们首先将Uct接地，调节Ub，以确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角定下后，在以后的调节中只调节Uct的电压，这样确保移相角不会大于初始位置；如在逆变实验中初始移相角α=150o定下后，无论调节Uct，都能保证β>300，防止出现逆变颠覆的情况。

2、触发脉冲指示

在触发脉冲指示处设有钮子开关用以控制触发电路，开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、前沿可调的宽脉冲链；开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生双窄脉冲。

3．三相同步信号输入端

通过专用的十芯扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号；同步信号也可以从其他地方提供，但要注意同步信号的幅度和相序问题；接口的详细情况详见附录相关内容.

4、锯齿波斜率调节与观测孔

打开挂件的电源开关，由外接同步信号经KC04集成触发电路，产生三路锯齿波信号，调节相应的斜率调节电位器，可改变相应的锯齿波斜率，三路锯齿波斜率应保证基本相同，使六路双窄脉冲间隔基本一致，才能使主电路输出的波形整齐划一。

5、控制电路

其线路原理如图1-6所示。

在由原KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60°的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。

在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔。

VT1～VT6为单脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）或宽脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）；VT1’～VT6’为双脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）或宽脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）。

三相同步电压信号从每个KC04的“8”脚输入，在其“4”脚相应形成线性增加的锯齿波，移相控制电压Uct和偏移电压Ub经叠加后，从“9”脚输入。

当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066（电子开关）,使得每个KC04从“1、15”脚输出相位相差180°的单窄脉冲（可在上面的VT1～VT6脉冲观测孔观测到），窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲（可在下面的VT1’～VT6’脉冲观测孔观测到）。

将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04的“1、15”脚输出宽脉冲，同时将KC41的控制端“7”脚接高电平，使KC41停止工作，宽脉冲则通过4066的“3、9”两脚直接输出。

4069为反相器，它将部分控制信号反相，用以控制4066；KC42为调制信号发生器，对窄脉冲和宽脉冲进行高频调制。

具体有KC04、KC41、KC42的内部电路原理图，请查阅附录中的相关内容。

图1-6所示触发电路原理图

6、正、反桥功放电路

正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图1-5所示；由触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。

Ulf即为DJKO2面板上的Ulf,接地才可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲；正桥共有六路功放电路，其余的五路电路完全与这一路一致；反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是控制端不一样，将Ulf改为Ulr。

图1-5功放电路原理图

7、正桥控制端Ulf及反桥控制端Ulr

这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作；Ulf控制正桥功放电路，Ulr控制反桥。

8、正、反桥脉冲输出端

经功放电路放大的触发脉冲，通过专用的20芯扁平线将DJK02“正反桥脉冲输入端”与DJK02-1上的“正反桥脉冲输出端”连接，为其晶闸管提供相应的触发脉冲；接口的详细情况详见附录相关内容。

四、DJKO6挂件给定及实验器件

该挂件由给定、负载及+24V直流电源等组成。

面板示意图如图1-7所示。

图1-7DJK06面板图

1、负载:

灯泡作为电力电子实验的电阻性负载。

2、给定:

作为新器件特性实验中的给定电平触发信号，或提供DJK02-1的移相控制电压。

电压范围-15V～0V～+15V。

原理图如下图1－8:

图1-8给定原理图

电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。

S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。

按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：

（1）将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。

（2）将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。

（3）将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。

当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。

元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。

此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。

要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。

注意由于该二极管工作频率不高，故不能将此二极管当快速恢复二极管使用，规格为：

耐压800V,最大电流3A。

3、+24V电源

该+24V直流电源主要提供单相并联逆变实验所需的直流电源，输出最大电流为0.5A。

输出通过一钮子开关控制，输出端有0.5A熔丝保护。

4、二极管

提供四个二极管可作为普通整流二极管，也可用做为晶闸管实验带电感性负载时所需续流二极管。

在回路中有一个钮子开关对其进行通断控制。

5、压敏电阻

三个压敏电阻（规格为：

3kA/510V）用于三相反桥主电路（逻辑无环流直流调速系统）的电源输入端，作为过电压保护，内部已连成三角形接法。

注意不可输入峰值电压高于510V，否则造成压敏电阻损坏。

6、电感5mH，额定电流0.5A。

用于单相并联逆变电路实验。

五、DJK09挂件单相调压与可调负载

图1-9JK09面板图:

该挂件由可调电阻、整流与滤波、单相自耦调压器组成，面板如图1-9。

可调电阻由两个同轴90Ω/1.3A瓷盘电阻构成，通过旋转手柄调节电阻值的大小，单个电阻回路中有1.5A熔丝保护。

整流与滤波的作用是将交流电源通过二极管整流输出直流电源，供实验中直流电源使用，交流输入侧输入最大电压为250V,有2A熔丝保护。

单相自耦调压器额定输入交流220V，输出0～250V可调电压。

六、DJK10挂件变压器实验

该挂件由三相心式变压器，逆变变压器以及三相不控整流桥组成。

面板图如图1-10。

图1-10DJK10面板图

1、三相心式变压器

在绕线式异步电机串级调速系统中作为逆变变压器使用，在三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验中也要使用该挂箱。

该变压器有2套副边绕组，原、副边绕组的相电压为127V/63.5V/31.8V。

（如果Y/Y/Y接法，则线电压为220V/110V/55V）

2、逆变变压器

额定电压24V，额定电流0.5A，变压比为1，用于单相并联逆变实验。

3、三相不控整流桥

由六只二极管组成桥式整流，最大电流3A。

可用于三相桥式、单相桥式有源逆变电路及直流斩波原理实验中的高压直流电源等。

七、DJK20挂件（直流斩波实验）

该挂件主要依据西安交通大学王兆安、黄俊编写的电力电子技术（第四版）教材中的有关斩波电路的六种典型的电路实验。

通过利用主电路元器件的自由组合，可构成降压斩波电路（BuckChopper）、升压斩波电路（BoostChopper）、升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路六种电路实验。

DJK20面板图如下页图1-11。

图1-11DJK20面板图

1．主电路接线图

包括六种电路实验详细接线图，在实验过程中按原器件标号进行接线。

2．主电路原器件

实验中所用的器件，包括电容、电感、IGBT等。

3．整流电路

输入交流电源得到直流电源，要注意输出的直流电源不能超过50V。

直流侧有2A熔丝保护。

4．控制电路及脉宽调节电位器

PWM发生器由SG3525构成，具体原理见实验部分。

调节“PWM脉宽调节电位器”改变输出的触发信号脉宽。

第二章电力电子实验的基本要求和安全操作说明

《电力电子技术》是电气工程专业的三大电子技术基础课程之一。

本课程涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机控制技术等，而实验环节是这些课程的重要组成部分。

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。

1、实验的特点和要求

电力电子技术实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。

电力电子技术实验是《电力电子技术》课程理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。

学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实践相结合，使认识不断提高、深化。

具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力:

（1）掌握电力电子变流装置主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路。

（2）系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法。

（3）熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。

（4）能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题。

（5）能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。

2、实验前的准备

实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤。

每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完不成实验要求，甚至有可能损坏实验装置。

因此，实验前应做到：

（1）复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。

（2）阅读本教材中的实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法；明确实验过程中应注意的问题。

（3）写出预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等。

（4）进行实验分组，一般情况下，每组人应与每次的装置对应。

3、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，学生的预习报告应给任课教师作检查，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）认真听取实验教师对实验装置的介绍，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。

（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，应按实验指导书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。

4、实验总结

实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。

每位实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。

如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。

实验报告的一般格式如下:

（1）实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。

（2）实验目的、实验线路、实验内容。

（3）实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。

（4）实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。

（5）画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。

（6）用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。

（7）对实验中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。

（8）实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。

（9）每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。

5、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，绝对不允许做实验者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）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，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告警，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）系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。

第三章实验内容

§3.1实验一三相半波可控整流实验

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情况。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

图3-1三相半波可控整流电路实验原理图

图3-1中晶闸管用DJK02正桥组的三个（共阴极），电阻R用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式，Ld电感用DJK02面板上的700mH，其三相触发信号由DJK02-1内部提供，只需在其外加一个给定电压接到Uct端即可。

直流电压、电流表由DJK02获得。

四、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。

五、实验方法与步骤

1、DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。

③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“宽”的发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK06上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形。

⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到脉冲变化（移相）。

⑦将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的三个开关拨至“通”，观察正桥VT1、TV3、VT5晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

2、三相半波可控整流电路带电阻性负载

按图3-1接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启