电力电子及变流技术实验指导书求是.docx
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电力电子及变流技术实验指导书求是
惠州学院电子科学系
电力电子技术
实验指导书
易春阳罗志伟编制
电力电子实验室
2006年5月
目录
前言实验的基本要求------------------------------------------------1
实验1单结晶体管触发电路实验-----------------------------3
实验2正弦波触发电路实验-----------------------------7
实验3三相桥式全控整流电路实验-----------------------------8
实验4直流斩波电路实验-------------------------------------------10
实验5单相交流调压电路实验-----------------------------------11
实验6西门子TCA785集成触发电路实验------------------13
前言实验的基本要求
《电力电子技术》是电气工程及其自动化、自动化等专业的三大电子技术基础课程之一，而《电力拖动自动控制系统》又是其这些专业的重要专业课程之一，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等多个方面，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问题、解决问题的能力。
一实验的特点和要求
电力电子技术和电力拖动控制系统实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。
该实验是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）熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。
（3）掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法。
（4）能设计交、直流电机控制系统的具体实验线路，列出实验步骤。
（5）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。
（6）能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。
二实验前的准备
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。
三实验实施
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。
在进行调速系统实验时，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。
除作阶跃启动试验外,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。
四实验总结
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。
实验1单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验
1.1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。
1.2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。
1.3实验设备及仪器
⑴MCL-III型教学实验台
⑵NMCL-33组件：
触发电路和晶闸管主电路
⑶NMCL-05（E）组件：
触发电路
⑷MEL03A组件：
可调电阻
⑸双踪示波器
⑹万用表
1.4注意事项
⑴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。
⑵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-05E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。
⑶使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。
⑷NMCL-05E的同步电源输入端相序不要接反。
1.5实验方法
1.5.1单结晶体管触发电路调试及各点波形的观察
先不接主电路，NMCL-32的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”侧。
将NMCL-05E面板左上角的同步电压输入端与NMCL—32的U、V端相连，单结晶体管触发电路中G、K接线端悬空，“2”端（地）与脉冲输出“K”端相连。
按下“闭合”按钮，用示波器观察触发电路单相半波整流输出（“1”），梯形电压（“3”、“4”），锯齿波电压（“5”）及单结晶体管输出电压（“6”）和脉冲输出（“GK”）等波形。
调节移相可调电位器RP，参照图1-1，观察输出脉冲的移相范围，之后使相位角=180°。
图1-1单相半波整流相位角的观察
观察完毕，断开主电源。
注：
由于在以上操作中，脉冲输出未接至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。
1.5.2单相半波可控整流电路带电阻性负载
断开触发电路中“2”端与“K”端的连接，按图1-2连好触发电路及主电路，其中主电路中负载为纯电阻（由MEL—03A的两个900Ω电阻并联，并调至阻值最大位置），电感和续流二极管暂不接。
触发电路的“G”、“K”分别接至NMCL-33中任一晶闸管VT的控制极和阴极。
合上主电源，调节触发电路中脉冲移相电位器RP，用示波器观察=120°、90°、60°、30°时负载两端电压Ud以及晶闸管的阴极阳极两端的电压波形UVt。
测量Ud及电源电压U2，完成实验表格1-1，验证公式：
图1-1单结晶体管出发电路及半波整流电路
表1-1单结晶体管触发电路实验表格
α
U2,ud
120°
90°
60°
30°
Ud（记录值）
U2
Ud/U2
Ud（理论值）
1.5.3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（700mH），不接续流二极管。
用示波器观察并记录较大电阻和较小电阻（对应不同的阻抗角）、=90O时的电阻电感两端电压Ud以及晶闸管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。
1.5.4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。
1.6实验报告内容
1．画出触发电路在α=90°时1，3，4，5，6各点以及GK两端的波形。
2．分别画出纯电阻负载、电阻电感负载下，α=90°时Ud和Uv波形。
3．画出在电阻电感性负载下，当电阻较大和较小时，Ud、UVT的波形（α=90°），并对两者波形进行分析比较。
4．画出纯电阻负载时Ud/U2=f（a）曲线，并与
进行比较。
5．分析续流二极管的作用。
1.7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2正弦波同步移相触发电路实验
2.1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。
2.2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。
2.3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
2.4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。
2．合上主电路电源开关。
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。
2.5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。
实验3三相桥式全控整流电路实验
3.1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．了解整流电路中对触发脉冲的要求；
3.掌握三相全控整流电路阻感负载下的整流特性。
3.2实验原理
三相桥式全控整流主电路由六个晶闸管采用桥式接法；触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。
三相桥式整流工作原理可参见教材第二章的有关内容。
3.3实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．NMEL—03组件
4．NMCL—35组件
5．双踪示波器
6．万用表
3.4实验步骤方法
3.4.1触发电路的调试
（1）低压控制电源开关打至ON，Ublf接地。
用示波器观察NMCL-33的双脉冲观察孔1~6，是否有相位相互60o且幅度相同的双脉冲。
（2）用示波器观察每只晶闸管的控制极与阴极之间（示波器主探头接控制极，地线接阴极），是否有双脉冲。
注：
调试前应将NMCL-33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，六个脉冲通断控制按钮处于“弹出”状态。
（3）将NMCL-31的给定输出Ug接至NMCL-33面板的Uct端，正给定电位器RP1逆时针旋到底，此时Uct=0。
调节偏移电压（Ub）电位器，使1孔脉冲的相位角=90o（参照图3-1所示）。
然后增加给定，观察的变化情况。
观察完毕，给定调回到零。
图3-1三相全控整流电路相位角
3.4.2三相桥式全控整流电路
主电路按图3-2接线，控制回路按图3-3所示。
阻感负载，电阻RD由2个900欧电阻并联并调至阻值最大处，电感700mL。
图3-2三相全控整流主电路图3-3控制电路
合上主电源之前，确保给定Ug为零。
合上主电源。
调节真给定正给定电位器RP1，使在90o~0o范围内变化。
用示波器观察记录=90O、60O、30O、0O时，整流桥输出电压ud，单个晶闸管端电压uV的波形，并记录相应的整流电压Ud和交流输入电压U2数值。
表3-2三相全控整流电路数据表格
90O
60O
30O
0O
U2
Ud
Ud/U2
Ud（理论值）
Uct
3.4.3电路模拟故障现象观察
在=60O时，断开某一晶闸管元件的触发脉冲开关，则该元件无触发脉冲即该支路不能导通，观察并记录此时的ud波形的变化情况。
3.5实验报告
1．画出电路的移相特性Ud=f（）曲线；
2.画出触发电路的传输特性α=f（Uct）。
3．画出三相桥式全控整流电路时，角为0O、30O、60O、90O时的ud、uVT波形；
4．简单分析模拟故障现象；
5．分析如何提高输出电压的平均值。
实验4直流斩波电路实验
4.1实验目的
熟悉各种斩波电路（buckchopper、boostchopper、buck-boostchopper、cukchopper、sepicchopper、zetachopper）的工作原理，掌握斩波电路的工作状态及波形情况。
4.2实验内容
1．斩波电路的连接
2．斩波电路的波形观察及电压测试
4.3实验设备及仪器
1．试验台主控制屏
2．MCL-22A组件
3．示波器
4．万用表
4.4实验方法
按照面板上各种斩波器的电路图，取用相应的元件（电感选用L1），搭成相应的斩波电路。
注意，最后观测时，负载R两端应并上一个电容。
4.4.1buckchopper
（1）连接电路。
将PWM（脉宽调制器）的输出端1端接到斩波电路中IGBT管VT的G端，按照面板上的电路图接成buckchopper斩波器。
（2）观察电压波形。
经检查电路无误后，用示波器分别观察二极管VD两端以及IGBT管G、E两端的电压波形。
调节PWM的电位器，改变触发脉冲的占空比，观察负载R电压波形及变化情况；记录在最大和最小占空比时，负载R的电压值。
4.4.2boostchopper
照图接成boostchopper电路。
实验步骤同buckchopper。
4.4.3buck-boostchopper
照图接成buck-boostchopper电路。
实验步骤同buckchopper。
实验5单相交流调压电路实验
5.1实验目的
1．加深理解单相交流调压电路的工作原理。
2．加深理解交流调压感性负载时对移相范围要求。
5.2实验内容
1．单相交流调压器带电阻性负载。
2．单相交流调压器带电阻—电感性负载。
5.3实验原理
本实验采用了锯齿波移相触发电路，该触发电路适用于双向晶闸管或两只反向并联晶闸管电路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。
5.4实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．MEL—03A组件
4．NMCL-05E组件
5．二踪示波器
6．万用表
5.5注意事项
在电阻电感负载时，当时，若脉冲宽度不够会使负载电流出现直流分量，损坏元件。
为此主电路可通过变压器降压供电，这样即可看到电流波形不对称现象，又不会损坏设备。
5.6实验方法
5.6.1锯齿波触发电路的调试
1）低压控制电源开关打至ON，将NMCL-32的U、V端接入NMCL-05E的同步电压输入端。
合上主电源开关，用示波器观察锯齿波触发电路中“1~6”孔以及G1K1两端的波形。
2）调节面板上的RP1，使得3孔处的锯齿波刚出现平顶为止。
3）将G1K1和G3K3分别接到晶闸管的门极和阴极，再将K1与K3相连，用双踪示波器同时观察G1K1和G3K3的脉冲波形。
调节RP3，使得G1K1与G3K3互差180°。
4）断开K1与K3的连线。
NMCL-31的正给定Ug与锯齿波触发电路的Uct端相连，给定电位器RP1逆时针调到底，此时Uct=0。
调节锯齿波同步移相触发电路上的偏移电压电位器RP2，使=150°。
完成后断开主电源，准备连接主电路。
5.6.2单相交流调压器带电阻性负载
将NMCL-33上任意两只晶闸管（比如VT1和VT4）反向并联，按图5-1接线构成交流电调电路，锯齿波触发电路的输出脉冲端G1K1，G3K3分别接至主电路相应VT1和VT4的门极和阴极。
接上纯电阻性负载（两只900Ω电阻并联，不要接入电感），并调节电阻负载至最大。
合上主电源，调节正给定电位器RP1，用示波器观察不同角时Ud的波形，记录=60、90、120时的波形图。
图5-1交流调压电路
5.6.3单相交流调压器接电阻—电感性负载
在图5-1的主电路中接入阻感负载，电感采用700mH。
合上主电源，在相位角不变的情况下，调节负载中电阻的大小，观察负载波形的变化情况；
在阻抗角（假设电路阻抗角为φ）不变的情况下，调节给定电位器RP1，用示波器观察负载电压Ud的波形，用示波器观察并记录φ，=φ，φ三种情况下负载两端电压Ud的波形。
注：
调节电阻R时，需观察负载电流，不可大于1A。
5.7实验报告
1．整理并分析实验中记录下的各类波形
2．分析电阻电感负载时，角与角相应关系的变化对调压器工作的影响。
3．分析实验中出现的问题。
实验6西门子TCA785集成触发电路实验
6.1实验目的
1．熟悉TCA785触发电路的工作原理。
2．掌握TCA785触发电路的调试步骤和方法。
6.2实验内容
1．TCA785触发电路的调试。
2．TCA785触发电路各点波形的观察。
6.3实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．MEL—03组件
4．NMCL—31组件
5．NMCL-05B组件
6．双踪示波器
6.4注意事项
本实验中，因用NMCL—05B组件中TCA785触发电路控制晶闸管，注意须断开NMCL—33的内部触发脉冲。
6.5实验线路及原理
西门子TCA785集成电路的内部框图如图6-1所示。
TCA785集成块内部主要由“同步寄存器”、“基准电源”、“锯齿波形成电路”、“移相电压”和“锯齿波比较电路”和“逻辑控制功率放大”等功能块组成。
同步信号从TCA785集成电路的第5脚输入，“过零检测”部分对同步电压信号进行检测，当检测到同步信号过零时，信号送“同步寄存器”。
“同步寄存器”输出控制锯齿波发生电路，锯齿波的斜大小由第9脚外接电阻和10脚外接电容决定：
输出脉冲宽度由12脚外接电容的大小决定；14、15脚输出对应负半周和正半周的触发脉冲；移相控制电压从11脚输入。
具体电路如图6-2所示。
图6-1西门子TCA785集成电路内部框图
图6-2TCA785集成移相触发电路原理图
图6-3单相集成锯齿波触发电路的各点电压波形（α=90°）
6.6实验方法
1．按图6-4接线，将NMCL—05B面板的同步电压输入直接与主控制屏的U、V输出端相连，“3”端和NMCL-31的给定Ug相连。
图6-4TCA785触发电路
2．将NMCL-31上低压电源控制开关打至ON，合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，用示波器分别观察“7”端和“4”端波形；调节9脚RP，观察7点波形的变化情况。
3．NMCL-31的给定Ug调节到零，调节NMCL-31移相可调电位器RP1，观察TCA785输出脉冲的移相范围。
4．调节NMCL-31的给定Ug，用双踪示波器同时观察“7”和“5”的波形，分别记录当α为600、900、1200、1500时的给定电压值。
α
600
900
1200
1500
Ug
5．用双踪示波器同时观察“6”和“5”的波形，并比较两波形的相位关系。
6.7实验内容
1．画出触发电路中α=90°时的1、4、5、6、7各点波形。
2．画出给定电压Ug和α角的关系曲线。
3．比较集成触发电路和分立元件组成的锯齿波电路的优缺点。
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