电力电子实验教案.docx
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电力电子实验教案
《电力电子技术实验》
指导书
湖南工学院电气与信息工程系
第一组：
01号~23号
第二组：
24号~47号
实验一SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT
特性实验
一、实验目的
（1）掌握各种电力电子器件的工作特性。
（2）掌握各器件对触发信号的要求。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”。
3
DJK07新器件特性实验
4
DJK09单相调压与可调负载
5
万用表
自备
三、实验线路及原理
将电力电子器件（包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种）和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09上的可调电阻负载，将两个90Ω的电阻接成串联形式，最大可通过电流为1.3A；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的直流电压源。
实验线路的具体接线如下图所示：
图3-26新器件特性实验原理图
四、实验内容
（1）晶闸管（SCR）特性实验。
（2）可关断晶闸管（GTO）特性实验。
（3）功率场效应管（MOSFET）特性实验。
（4）大功率晶体管（GTR）特性实验。
（5）绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。
五、预习要求
阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。
六、思考题
各种器件对触发脉冲要求的异同点？
七、实验方法
（1）按图3-26接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK06上的给定电位器RP1沿逆时针旋到底，S1拨到“正给定”侧，S2拨到“给定”侧，单相调压器逆时针调到底，DJK09上的可调电阻调到阻值为最大的位置；打开DJK06的电源开关，按下控制屏上的“启动”按钮，然后缓慢调节调压器，同时监视电压表的读数，当直流电压升到40V时，停止调节单相调压器（在以后的其他实验中，均不用调节）；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv。
Ug
Id
Uv
（2）按下控制屏的“停止”按钮，将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（3）按下控制屏的“停止”按钮，换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（4）按下控制屏的“停止”按钮，换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
（5）按下控制屏的“停止”按钮，换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。
Ug
Id
Uv
八、实验报告
根据得到的数据，绘出各器件的输出特性。
九、注意事项
（1）可参考实验六的注意事项
（1）。
（2）为保证功率器件在实验过程中避免功率击穿，应保证管子的功率损耗（即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积）小于8W。
（3）为使GTR特性实验更典型，其电流控制在0.4A以下。
（4）在本实验中，完成的是关于器件的伏安特性的实验项目，老师可以根据自己的实际需要调整实验项目，如可增加测量器件的导通时间等实验项目。
实验二直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）
一、实验目的
（1）熟悉直流斩波电路的工作原理。
（2）熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。
（3）了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
二、实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK09单相调压与可调负载
3
DJK20直流斩波电路
4
D42 三相可调电阻
5
慢扫描示波器
自备
6
万用表
自备
三、实验线路及原理
1、主电路
①、降压斩波电路（BuckChopper）
降压斩波电路（BuckChopper）的原理图及工作波形如图4-14所示。
图中V为全控型器件，选用IGBT。
D为续流二极管。
由图4-14b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。
当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。
负载电压的平均值为：
式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比（α=ton/T）。
由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
（a）电路图
（b）波形图
图4-14降压斩波电路的原理图及波形
②、升压斩波电路（BoostChopper）
升压斩波电路（BoostChopper）的原理图及工作波形如图4-15所示。
电路也使用一个全控型器件V。
由图4-15b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。
设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。
当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。
设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为（UO-Ui）I1ton。
当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：
UiI1ton=（UO-Ui）I1toff
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
（a）电路图
（b）波形图
图4-15升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）
升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）的原理图及工作波形如图4-16所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。
此后，V关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。
可见,负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
（a）电路图
（b）波形图
图4-16升降压斩波电路的原理图及波形
④、Cuk斩波电路
Cuk斩波电路的原理图如图4-17所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
图4-17Cuk斩波电路原理图
⑤、Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图4-18所示。
电路的基本工作原理是：
可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
输出电压为：
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
图4-18Sepic斩波电路原理图
⑥、Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的原理图如图4-19所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源Ui经开关V向电感L1贮能。
当V处于断态后，L1经D与C2构成振荡回路，其贮存的能量转至C2，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C2上之后，D关断，C2经L2向负载R供电。
输出电压为：
图4-19Zeta斩波电路原理图
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。
2、控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图4-20所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。
它适用于各开关电源、斩波器的控制。
详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。
图4-20SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件
四、实验内容
（1）控制与驱动电路的测试
（2）六种直流斩波器的测试
五、思考题
（1）直流斩波电路的工作原理是什么？
有哪些结构形式和主要元器件？
（2）为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？
六、实验方法
1、控制与驱动电路的测试
（1）启动实验装置电源，开启DJK20控制电路电源开关。
（2）调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，并填入下表。
Ur（V）
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
11（A）占空比（%）
14（B）占空比（%）
PWM占空比（%）
（3）用示波器分别观测A、B和PWM信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。
观测点
A（11脚）
B（14脚）
PWM
波形类型
幅值A（V）
频率f（Hz）
（4）用双踪示波器的两个探头同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，测出两路信号的相位差，并测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间。
2、直流斩波器的测试（使用一个探头观测波形）
斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经DJK20挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。
接通交流电源，观测Ui波形，记录其平均值（注：
本装置限定直流输出最大值为50V，输入交流电压的大小由调压器调节输出）。
按下列实验步骤依次对六种典型的直流斩波电路进行测试。
（1）切断电源，根据DJK20上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载，负载电流最大值限制在200mA以内。
将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
（2）检查接线正确，尤其是电解电容的极性是否接反后，接通主电路和控制电路的电源。
（3）用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。
（4）调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比（α）时，记录Ui、UO和α的数值于下表中，从而画出UO=f（α）的关系曲线。
Ur（V）
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
占空比α（%）
Ui（V）
Uo（V）
七、实验报告
（1）分析图4-20中产生PWM信号的工作原理。
（2）整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线，并作比较与分析。
（3）讨论、分析实验中出现的各种现象。
八、注意事项
（1）在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路。
（2）用示波器两探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍，在做直流斩波器测试实验时，最好使用一个探头。
实验三单相桥式半控整流电路实验
一、实验目的
（1）加深对单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。
（2）了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。
二、实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK02晶闸管主电路
该挂件包含“晶闸管”以及“电感”等几个模块。
3
DJK03-1晶闸管触发电路
该挂件包含“锯齿波同步触发电路”模块。
4
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”等几个模块。
5
D42 三相可调电阻
6
双踪示波器
自备
7
万用表
自备
三、实验线路及原理
本实验线路如图3-7所示，两组锯齿波同步移相触发电路均在DJK03-1挂件上，它们由同一个同步变压器保持与输入的电压同步，触发信号加到共阴极的两个晶闸管，图中的R用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式，二极管VD1、VD2、VD3及开关S1均在DJK06挂件上，电感Ld在DJK02面板上，有100mH、200mH、700mH三档可供选择，本实验用700mH，直流电压表、电流表从DJK02挂件获得。
图3-7单相桥式半控整流电路实验线路图
四、实验内容
（1）锯齿波同步触发电路的调试。
（2）单相桥式半控整流电路带电阻性负载。
（3）单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载。
（4）单相桥式半控整流电路带反电势负载（选做）。
五、预习要求
（1）阅读电力电子技术教材中有关单相桥式半控整流电路的有关内容。
（2）了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用。
六、思考题
（1）单相桥式半控整流电路在什么情况下会发生失控现象?
（2）在加续流二极管前后，单相桥式半控整流电路中晶闸管两端的电压波形如何?
七、实验方法
（1）将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用双踪示波器观察“锯齿波同步触发电路”各观察孔的波形。
（2）锯齿波同步移相触发电路调试：
其调试方法与实验三相同。
令Uct=0时（RP2电位器顺时针转到底），α＝170o。
（3）单相桥式半控整流电路带电阻性负载：
按原理图3-7接线，主电路接可调电阻R，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管两端电压UVT和整流二极管两端电压UVD1的波形，调节锯齿波同步移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并记录在不同α角时Ud、UVT、UVD1的波形，测量相应电源电压U2和负载电压Ud的数值，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud=0.9U2（1+cosα）/2
（4）单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载
①断开主电路后，将负载换成将平波电抗器Ld（70OmH）与电阻R串联。
②不接续流二极管VD3，接通主电路，用示波器观察不同控制角α时Ud、UVT、UVD1、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
③在α=60°时，移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD1、UVD2、Id的波形。
④接上续流二极管VD3，接通主电路，观察不同控制角α时Ud、UVD3、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
⑤在接有续流二极管VD3及α=60°时，移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD2、UVD1和Id的波形。
（5）单相桥式半控整流电路带反电势负载（选做）
要完成此实验还应加一只直流电动机。
①断开主电路，将负载改为直流电动机，不接平波电抗器Ld，调节锯齿波同步触发电路上的RP2使Ud由零逐渐上升，用示波器观察并记录不同α时输出电压Ud和电动机电枢两端电压Ua的波形。
②接上平波电抗器，重复上述实验。
八、实验报告
（1）画出①电阻性负载，②电阻电感性负载时Ud/U2=f（α）的曲线。
（2）画出①电阻性负载，②电阻电感性负载，α角分别为30°、60°、90°时的Ud、UVT的波形。
（3）说明续流二极管对消除失控现象的作用。
九、注意事项
（1）参照实验四的注意事项。
（2）在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。
（3）带直流电动机做实验时，要避免电枢电压超过其额定值，转速也不要超过1.2倍的额定值，以免发生意外，影响电机功能。
（4）带直流电动机做实验时，必须要先加励磁电源，然后加电枢电压，停机时要先将电枢电压降到零后，再关闭励磁电源。
实验四三相桥式全控整流及有源逆变电路实验
一、实验目的
（1）加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。
（2）了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK02晶闸管主电路
3
DJK02-1三相晶闸管触发电路
该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放”等几个模块。
4
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”等几个模块。
5
DJK10变压器实验
该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流”。
6
D42 三相可调电阻
7
双踪示波器
自备
8
万用表
自备
三、实验线路及原理
实验线路如图3-13及图3-14所示。
主电路由三相全控整流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流电路组成，触发电路为DJKO2-1中的集成触发电路，由KCO4、KC4l、KC42等集成芯片组成，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。
集成触发电路的原理可参考1-3节中的有关内容，三相桥式整流及逆变电路的工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。
图中的R用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式；电感Ld在DJK02面板上，选用700mH，直流电压、电流表由DJK02获得。
在三相桥式有源逆变电路中，电阻、电感与整流的一致，而三相不控整流及心式变压器均在DJK10挂件上，其中心式变压器用作升压变压器，逆变输出的电压接心式变压器的中压端Am、Bm、Cm,返回电网的电压从高压端A、B、C输出，变压器接成Y/Y接法。
图3-13三相桥式全控整流电路实验原理图
四、实验内容
（1）三相桥式全控整流电路。
（2）三相桥式有源逆变电路。
（3）在整流或有源逆变状态下，当触发电路出现故障（人为模拟）时观测主电路的各电压波形。
五、预习要求
（1）阅读电力电子技术教材中有关三相桥式全控整流电路的有关内容。
（2）阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的有关内容，掌握实现有源逆变的基本条件。
（3）学习本教材1-3节中有关集成触发电路的内容，掌握该触发电路的工作原理。
图3-14三相桥式有源逆变电路实验原理图
六、思考题
（1）如何解决主电路和触发电路的同步问题?
在本实验中，主电路三相电源的相序可任意设定吗?
（2）在本实验的整流及逆变时，对α角有什么要求?
为什么?
七、实验方法
（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“窄”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，使α=150°。
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，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
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”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。
（2）三相桥式全控整流电路
按图3-13接线，将DJK06上的“给定”输出调到零（逆时针旋到底），使电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，调节给定电位器，增加移相电压，使α角在30°～150°范围内调节，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得负载电流Id保持在0.6A左右（注意Id不得超过0.65A）。
用示波器观察并记录α=30°、60°、90°时的整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录相应的Ud数值于下表中。
α
30˚
60˚
90˚
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