电力电子技术实验指导书廖冬初.docx

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电力电子技术实验指导书廖冬初

《电力电子技术》

实验指导书（第4版）

长江大学电信学院

目录

实验名称

实验1锯齿波同步移相触发电路与单相桥式半控整流电路实验

实验2单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验

实验3三相桥式全控整流及有源逆变电路实验

实验4直流斩波电路实验

实验5电力晶体管（GTR）特性与驱动电路研究

实验6绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究

实验一锯齿波同步移相触发电路与单相桥式半控整流电路实验

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。

3．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。

4．进一步理解可控硅的开关条件，了解续流二极管在电路中的作用。

5．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

3．单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载。

4．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）。

5．单相桥式半控整流电路供电给反电势负载（带续流二极管）。

6．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）

三．实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ）或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）

3．MCL—33组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）

4．MCL—05组件或MCL—05A组件

5．MEL—03三相可调电阻器或自配滑线变阻器。

6．MEL—02三相芯式变压器。

4．双踪示波器

5．万用表

四．实验方法

1.触发电路实验

（1）．如图1所示，将MCL-05面板上左上角的同步电压输入接MCL—18的U、V端（如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，则同步电压输入直接与主控制屏的U、V输出端相连），“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

（2）．三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v，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。

以下均同.

先将控制电压Uct（即Ug）调到零，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。

图1。

锯齿波同步移相触发电路图2。

脉冲移相范围

（3）．调节脉冲移相范围

将MCL—18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（即调电位器RP2），使=180O，其波形如图2所示。

调节MCL—18的给定电位器“Ug”输出电压，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。

（5）．用导线连接“K1”和“K3”端，接双踪示波器地线。

用双踪示波器观察“G1”和“G3”的波形，调节电位器RP3，使“G1”和“G3”间隔1800。

（6）．将MCL—05（或MCL—05A，以下均同）面板左上角的同步电压输入接MCL—18的U、V输出端，“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

实验原理图如图3所示。

图3。

实验原理图

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v，并打开MCL—05面板右下角的电源开关。

观察MCL—05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°。

注意观察波形时，须断开MEL-02和MCL-33（或MCL—53组件）的连接线。

2．单相桥式晶闸管半控整流电路供电给电阻性负载：

按图4连接MEL-02和MCL-33（或MCL—53组件）。

（a）把开关S2合向左侧连上负载电阻Rd（可选择900Ω电阻并联，最大电流为0.8A），并调节电阻负载至最大。

MCL-18（或MCL—Ⅲ型主控制屏，以下均同）的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源，调节主控制屏输出Uuv=220V。

调节MCL-18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）把开关S1合向左侧接上续流二极管，把开关S2合向右侧接上平波电抗器，短接直流电动机电枢绕组A1A2。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出使Uuv=220V。

（b）调节Uct，使α=90°，测取输出电压Ud=f（t），电感上的电流iL=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。

4．单相桥式半控整流电路接反电势负载

（1）.断开主电路，改接直流电动机作为反电势负载（断开直流电动机电枢绕组A1A2的短接线。

）

短接平波电抗器，短接负载电阻Rd。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

，合上主电源，调节主控制屏输出使Uuv=220V。

调节Uct，用示波器观察并记录不同角时输出电压Ud、电流id及电动机电枢两端电压uM的波形，记录相应的U2和Ud的波形。

（可测取α=60°，90°两点）。

2）.断开平波电抗器的短接线，接上平波电抗器（L=700mH），重复以上实验并加以记录。

五．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．讨论分析实际移相范围能否从=0O调起及其它实验现象。

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

6．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。

7．分析续流二极管作用及电感量大小对负载电流的影响。

六．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。

七．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？

3．叙述可控硅的导通和关断的过程

图4。

单相桥式半控整流

实验二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4-1所示的实验线路。

四．实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ）或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）

3．MCL—33（A）组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）

4．MCL—05组件或MCL—05A组件

5．MEL—03三相可调电阻器或自配滑线变阻器

6．二踪示波器

7．万用表

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MCL—05组件中单结晶触发电路控制晶闸管，注意须断开MCL—33（MCL—53组件）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MCL—05（或MCL—05A，以下均同）面板左上角的同步电压输入接MCL—18的U、V输出端（如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，则同步电压输入直接与主控制屏的U、V输出端相连），“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MCL—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。

三相调压器逆时针调到底，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，大小通过三相调压器调节。

本实验中，调节Uuv=220V，这时候MCL—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。

注：

如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。

以下均同

合上MCL—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MCL—33（或MCL—53）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MEL—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，调节主控制屏输出电压至Uuv=220V，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？

实验三三相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一．实验目的

1．熟悉MCL-18,MCL-33组件。

2．熟悉三相桥式全控整流及有源逆变电路的接线及工作原理。

3．了解集成触发器的调整方法及各点波形。

二．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．观察整流或逆变状态下，模拟电路故障现象时的波形。

三．实验线路及原理

实验原理图如图1所示。

主电路由三相全控变流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流桥组成。

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。

三相桥式整流及有源逆变电路的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。

图1。

实验原理图

四．实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ）或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33（A）组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）

4．MEL-03可调电阻器（或滑线变阻器1.8K,0.65A）

5．MEL-02芯式变压器

6．二踪示波器

7．万用表

五．实验方法

1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）打开MCL-18电源开关，给定电压有电压显示。

（2）用示波器观察MCL-33（或MCL-53，以下同）的双脉冲观察孔“1”至“6”，应有间隔均匀，相互间隔60o的幅度相同的双脉冲。

该信号与±15V电源共地。

（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”单脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（4）用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

注：

将面板上的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，将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”。

（5）将给定器输出Ug接至MCL-33面板的Uct端，调节偏移电压Ub，在Uct=0时，使=150o。

方法是，将同步电压“U”接入示波器第一通道，双脉冲观察孔“1”接入示波器第二通道，地线接±15V电源地，调节偏移电压Ub，使观察孔“1”第一个脉冲落后“U”相正弦波180o。

偏移电压Ub即调好，此后不再调偏移电压Ub。

（6）调=90o。

方法是调节给定器输出Ug使观察孔“1”第一个脉冲落后“U”相正弦波120o。

2．三相桥式全控整流电路

按图接线，S拨向左边短接线端，将Rd调至最大（450）。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从0V调至220V。

注：

如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。

以下均同

调节Uct，使在30o~90o范围内，用示波器观察记录=30O、60O、90O时，整流电压ud=f（t），晶闸管两端电压uVT=f（t）的波形，并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值。

3．三相桥式有源逆变电路

断开电源开关后，将S拨向右边的不控整流桥，调节Uct，使仍为150O左右。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从0V调至220V合上电源开关。

调节Uct，观察=90O、120O、150O时,电路中ud、uVT的波形，并记录相应的Ud、U2数值。

4．电路模拟故障现象观察。

在整流状态时，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。

说明：

如果采用的组件为MCL—53或MCL—33（A），则触发电路是KJ004集成电路，具体应用可参考相关教材。

六．实验报告

1．画出电路的移相特性Ud=f（）曲线

2．作出整流电路的输入—输出特性Ud/U2=f（α）

3．画出三相桥式全控整流电路时，角为30O、60O、90O时的ud、uVT波形

4．画出三相桥式有源逆变电路时，β角为150O、120O、90O时的ud、uVT波形

4．简单分析模拟故障现象

图2。

三相桥式全控整流及有源逆变

实验四直流斩波电路研究

．实验目的

1．掌握直流斩波Buck—Boost变换器的工作原理、特点与电路组成。

2．熟悉直流斩波Buck—Boost变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。

3．掌握直流斩波Buck—Boost变换器的调试方法。

．实验内容

1．连接实验线路，构成一个实用的直流斩波Buck—Boost变换器。

2．调节占空比，测出电感电流iL处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。

3．将电感L增大一倍，测出iL处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。

4．测出连续与不连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、VL、iL、iC、iD等波形。

5．测出直流电压增益M=VO/VS与占空比D的函数关系。

6．测试输入、输出滤波环节分别对输入电流iS与输出电流iO影响。

三．实验线路

见图5—5。

四．实验设备和仪器

1．MCL-08直流斩波及开关电源实验挂箱

2．万用表

3．双踪示波器

五．实验方法

1．检查PWM信号发生器与驱动电路工作是否正常

连接有关线路，观察信号发生器输出与驱动电路的输出波形是否正常，如有异常现象，则先设法排除故障。

2．电感L=1.6mH，电感电流iL处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试

将“16”与“18”、“21”与“4”、“22”与“5”、“19”与“6”、“1”与“4”、“9”与“12”相连，即按照以下表格连线。

16

18

21

4

22

5

19

6

1

4

9

12

合上开关S1与S2、S3、S4，用示波器观察“7”与“13”（即iL）之间波形，然后调节RP1使iL处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比D与工作周期T。

3．L=1.6mH，测出处于连续与不连续临界工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形

调节RP1，使iL处于连续与不连续临界工作状态，用示波器测出GTR基-射极电压Vbe与集-射极电压Vce；二极管VD阴极与阳极之间电压VD；电感L3两端电压VL；电感电流iL；三极管集电极电流iC以及二极管电流iD等波形。

4．L=1.6mH,测出连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形

调节RP1，使iL处于连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。

5．L=1.6mH,测出不连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形

调节RP1，使iL处于不连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。

6．L=1.6mH，iL处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试

将开关S2断开，观察iL波形，调节RP1，使iL处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比D与工作周期T。

7．L=3.2mH，测出连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形

调节RP1，使iL处于连续工作状态，测试方法同前。

8．L=3.2mH，测出不连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形

9．测出M=VO/VS与占空比D的函数关系

（1）L=1.6mH，占空比D从最小到最大范围内，测试5～6个D数据，以及与此对应的输出电压VO。

D

Vo（V）

（2）L=3.2mH，测试方法同上。

D

Vo（V）

9．输入滤波器功能测试

有与没有输入滤波器时，电源电流（即15～14两端）波形测试。

10．输出滤波器功能测试

有与没有输出滤波器时，输出电流纹波测试。

五．实验报告

1．分别在L=1.6mH与3.2mH条件下,列出iL连续与不连续临界状态时的占空比D,并与理论值相比较。

理论上iL连续与断续的临界条件为τLC=（1-D）2/2，式中τLC=L/RT为连续与断续临界状态时的临界时间常数，负载电阻R=300Ω，工作周期T按实测数据。

2．画出不同L，连续与断续时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形，并与理论上的正确波形相比较。

3．根据不同的L值，按所测的D，VO值计算出M值，列出表格，并画出曲线。

连续工作状态时的直流电压增益表达式为M=D/（1-D），请在同一图上画出该曲线，并在图上注明连续工作与断续工作区间。

4．试对Buck-Boost变换器的优缺点作一评述。

5．试说明输入、输出滤波器在该变换中起何作用？

6．实验的收获、体会与改进意见。

六．思考题

试分析连续工作状态时，输出电压VO由哪个参数决定？

当断续工作状态时，VO又由哪些参数决定？

实验五电力晶体管（GTR）特性与驱动电路研究