电力电子技术实验指导书定.docx

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电力电子技术实验指导书定

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1电力电子技术实验概述

《电力电子技术》是电气工程及自动化、工业自动化等专业的三大电子技术基础课程之一，课程涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等，而实验环节是课程的重要组成部分。

通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高实际动手能力、独立分析和解决问题的能力。

1-1实验的特点和要求

电力电子技术实验的内容较多，实验系统比较复杂，系统性较强。

电力电子技术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，促使理论和实际相结合，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的主电路、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、测试仪器的性能和使用方法；

（3）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；

（4）能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。

1-2实验准备

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，则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完成不成实验要求，甚至损坏实验装置。

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）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；

（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）熟悉实验所用的实验装置、测试仪器等；

1-3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。

实验时要做到地下几点：

（1）实验开始前，检查预习报告，了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验开始。

（2）熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能、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，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。

（5）完成实验系统接线后，必须进行检查。

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、负载的位置和极性等是否正确；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尽量选用长导线直接连接，尽可能不用多根导线做过渡连接。

自查完成后，须经指导教师复查后方可合闸通电，开始实验。

（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；测试点的分布应均匀；改接线路时，必须断开电源。

实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否正确，实验结果是否与理论值一致。

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。

1-4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、绘制波形曲线和图表、分析实验现象、撰写实验报告。

每个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扰，而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找到引起较大误差的原因。

1-5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。

2实验装置及控制组件介绍

一、概述：

本实验台包括了目前国内各类理工科高等院校及中等专业学校开设的“半导体变流技术”、“电力电子技术”、“电机控制”、“交、直流调速系统”等课程的实验内容，充分满足各类学校相应课程的教学与实验的要求。

实验人员可通过对不同实验箱的灵活组合，来完成多个实验项目。

仪器仪表、专用电源、实验实验箱以及实验连接导线等，均配套齐全，性能、规格均符合实验的需求。

各高校还可以根据自身需求，选择不同类型的实验箱，同一类实验箱选用不同的产品，来组建理想、经济型的实验室。

二、实验箱介绍：

1．JPDL03变压器实验箱

该变压器为芯式变压器，有2套副边绕组，原、副边绕组的额定电压分别为220V／110V／55V（Y／Y／Y）。

该装置还包括一个逆变变压器和一个三相全波不控整流桥。

2．JPDL04可调电容实验箱

可调电容，从0.1—0.9μF可调，共有六组电容器，可用按键选择所需电容值。

该实验箱不能独立完成某一个实验，只用于辅助其他实验箱完成实验。

（注：

电容耐压值均为63V）

3．JPDL05直流电机调速控制箱（或JPDL05A）

该实验箱主要有下几个模块：

给定器（G）、速度调节器（ASR）、转速变换器（FBS）、电流反馈与过流保护（FBC+FA）、电流调节器（ACR）、反号器（AR）、转矩极性鉴别（DPT）、零电平检测（DPZ）、逻辑控制器（DLC）。

（1）给定器（G）：

原理图如图2-1所示。

电压给定器由电位器RP1、RP2及两个钮子开关组成。

SA1为正负极性转换开关。

SA2为输出控制开关。

输出正负电压大小分别由RP1、RP2来调节。

给定器输出范围-15V~+15V。

（2）转速变换器（FBS）：

原理图如图2-2所示。

转速变换器（FBS）用于各种有转速反馈的闭环系统中，将直流旋转编码器的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压。

使用时旋转编码器接1、2，调节RP1可改变速度反馈系数大小。

（3）速度调节器（ASR）：

原理图如图2-3所示。

图中RP1为运放调零电位器。

VD3、VD4、RP2、RP3组成可调的正负限幅电路。

C1、R1组成微分校正环节。

R5、C3组成速度环串联校正环节。

RP4为放大系数调节电位器。

元件RP1、RP2、RP3、RP4均装在面板上。

电容C3两端引出接线柱，可根据实验要求外接电容。

（4）电流反馈及过流保护（FBC+FA）：

原理图如图2-4所示。

图中TA1、TA2、TA3接电流互感器的输出端。

IO经分压电阻分压，再接到零电平检测，用于检测是否有电流流过电机，其中二极管VD1起到限幅保护的作用。

IF为电流反馈输出端，通过调节电位器RP1可调节电流反馈系数。

RP2用于调节过流保护的电流值的大小。

当RP2中间抽头上的电压高于稳压管DW1的稳压值时，DW1被击穿，T1三极管导通,T2三极管不导通，其集电极为高电位，通过R5、SB1和VD1反馈到T1的基极，电路处于自锁状态，则Uβ输出高电位，调节器的输出被封锁。

同时T3三极管导通继电器吸合，报警灯指示过流。

按下复位按钮可解除自锁状态。

（5）电流调节器（ACR）：

原理图如图2-5所示。

电流调节器（ACR）由运放、二极管限幅器、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理上与速度调节器相同。

RP1、RP2、RP3、RP4分别为正限幅调节电位器、负限幅调节电位器、放大系数调节电位器、运放调零电位器。

（6）反号器（AR）：

原理图如图2-6所示。

反号器用于调速系统中需倒向的环节。

实际上是一个比例电路其放大倍数为K=-（RP1+R2）/R1可调节RP1的值使K=-1。

RP1装在面板上，手动调节。

（7）转矩极性鉴别（DPT）：

原理图如图2-7所示。

转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转换器，可将连续变化的电平转换成逻辑运算所需的“0”、“1”状态信号。

转矩极性鉴别输入输出特性如图2-8所示，它具有继电器特性。

（8）零电平检测（DPZ）：

原理图如图2-9所示。

零电平检测工作原理与转矩极性鉴别相同，他在控制系统中进行零电流检测。

输入输出特性如图2-10所示。

（9）逻辑控制器（DLC）：

原理图如图2-11所示。

逻辑控制器用于逻辑无环流可逆调速系统，作用是对转矩极性和主回路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。

a．逻辑判断环节

逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电流检测环节的输出UM和UI的状态，正确的判断出晶闸管的触发脉冲是否要切换（由UM是否变换状态决定）及切换条件是否具备（由UI是否由“0”变“1”决定）。

当UM变号后，零电流检测器检测到主电路电流过零（UI=“1”）时，逻辑判断电路立即翻转，同时保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态相反。

b．延时环节

要使正、反两组整流装置安全、可靠的切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2（约10ms）之后才能执行切换指令，故设置相应延时电路，延时电路VD1、VD2、C1、C2起t1延时作用，VD3、VD4、C3、C4起t2延时作用。

c．逻辑保护环节

当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为“1”，逻辑控制器的两个输出端UIf、UIr全为“0”状态，造成两组桥路全工作，引起短路事故。

加入逻辑保护环节后，UZ、UF全为“0”状态时，UIf、UIr都为“1”状态，两组桥路的触发脉冲全部被封锁，避免了短路事故发生。

d．推β环节

在正反桥切换时，逻辑控制器中的Uβ输出“1”，将此信号送入ACR的输入端作为脉冲后移推β指令，避免了切换时的电流冲击。

（10）JPDL05A比JPDL05多计算机接口一个,用于计算机PID控制时与计算机板卡连接.当用计算机控制时将面板上的扭子开关打到右侧,计算机接口各端子功能定义如下:

1脚——速度调节器输出端与面板上速度调节器部分6（Usc）相接

3脚——电流反馈信号输入端与面板上电流反馈与保护部分2（If）相接

5脚——速度反馈信号输入端与面板上速度变换部分3脚相接，实验时应将面板上转速变换电位器调到适合板卡的电压范围。

7脚——计算机速度给定信号输出端与面板上给定单元Ug1脚相接

9脚——电流调节器输出端与面板上电流调节器部分10（Usc）相接

其他脚为悬空。

4．JPDL08三相变流桥路

a．该实验箱装有12只晶闸管，其中SCR1~SCR6为正组桥，SCR1~SCR6为反组桥，所有晶闸管均配有阻容吸收、熔丝保护。

触发电路采用三片KC04、一片KC41和一片KC42（或三片TCA785），能输出双窄脉冲（或宽脉冲序列）。

触发脉冲通过钮子开关连到晶闸管的门极与阴极，正、反组脉冲功放电路分别由UIf、UIr控制，将UIf接地则正组桥接入触发脉冲，将UIr接地，则反组桥接入触发脉冲。

UIf和UIr悬空时，无触发脉冲输出。

触发电路可通过钮子开关切换分别输出宽脉冲或双窄脉冲。

面板上设有脉冲观察孔，当输出为窄脉冲时，可观察到互差60゜的双窄脉冲。

当输出为宽脉冲时，可观察到后沿固定、前沿可变的脉冲链。

面板上电位器RP用于调节偏移电压，移相控制端UCT接直流电压用于调节导通角大小。

实验接线时要分清测试孔、强电孔、弱电孔，严禁混接！

因原来采用的三片KC04、一片KC41和一片KC42组成的输出双窄脉冲的触发电路存在稳定性差的问题，故现在经改进均采用三片TCA785组成的能输出宽脉冲序列的触发电路。

单向交流调功电路触发电路，原理如下图。

电路左半部分是一个矩形波发生器:

当调节RP时，可得到占空比可变的矩形波。

矩形波信号加到光耦合双向可控硅，当调节矩形波的占空比，就可调节双向可控硅的导通的时间，将两个输出端接到两只反并联的可控硅的门极，就构成强触发的过零触发电路。

5．JPDL09晶阐管触发电路实验箱

该挂件包括了单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路、单相交流调压触发电路、单相并联逆变触发电路，共五种晶闸管触发电路。

（1）单结晶体管触发电路

原理图如图2-14所示。

单结晶体管T3、整流稳压环节及由T1、T2等组成的等效可变电阻组成。

由同步变压器副边输出60V的交流同步电压Ur，经VD1半波整流，再由稳压管DW1、DW2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R4、T2向电容C2充电，由于单结晶体管具有负阻特性，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管T3导通，从而通过脉冲变压器输出脉冲。

同时C2经T3放电，由于时间常数很小，UC2很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，T3重新关断，C2再次充电。

每个梯形波周期内，T3可能导通、关断多次，但只有第一个输出脉冲起作用。

电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，由RP1来调节。

（2）正弦波同步移相触发电路

原理图如图2-15所示。

正弦波同步移相触发电路由同步移相、脉冲形成与放大等环节组成，同步信号由同步变压器提供。

晶体管T1左边部分为同步移相环节，在T1的基极综合了同步信号电压UT、偏移电压Ub及控制电压Uct，RP1可调节Uct，RP2调节Ub。

调节Uct可改变触发电路的控制角α。

脉冲形成环节是一集基耦合单稳态脉冲电路，T2的集电极耦合到T3的基极，T3的集电极通过C4、RP3耦合到T2的基极。

当同步移相环节送出负脉冲时，使单稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。

（3）锯齿波同步移相触发电路

原理图如图2-16所示。

锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形脉冲放大等环节组成。

由T1、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。

由T1等元件组成的恒流源电路及T2、T3、C2等组成锯齿波形成环节。

控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压Ut在T4基极叠加，从而构成移相控制环节。

T5、T6构成脉冲形成放大环节，脉冲变压器输出触发脉冲。

（4）单相交流调压触发电路

原理图如图2-17所示。

单相交流调压触发电路采用了KC05集成晶闸管移相触发器。

该触发器适用于双向晶闸管或反并联晶闸管电路的交流相位控制，有失交保护、输出电流大等优点，是交流调压的理想触发电路。

KC05的内部原理结构请查阅有关资料。

（5）

单相并联逆变器触发电路

原理图如图2-18所示。

单相并联逆变器触发电路以LM555集成时基电路为基础振荡电路，通过JK触发器（4095）二分频后得到相位相差180º的触发脉冲，经T2、T3功率放大后交替触发主电路中的两个晶闸管。

振荡电路的振荡频率由电位器RP1调节，频率可在30-160Hz之间变化。

LM555的输出“3”端接T1，使信号放大，并将LM555的5V电源过渡到4095芯片的15V电源系统。

JK触发器输出为相位相差180º的脉冲。

6．JPDL11给定负载及吸收电路实验箱

给定：

输出0到±15V连续可调的直流电压。

压敏电阻：

作为过压保护元件，内部已连成三角形接法。

二极管：

有四个二极管配合完成各种实验。

7．JPDL15直流脉宽调速系统实验箱

JPDL15采用H桥式电路，它是由四个MOSFET和四个续流二极管组成，其工作方式可以是双极式或单极式。

双极式运行时，驱动脉冲采用死区控制，从而避免了由于开关的延时造成桥臂直通现象。

实验箱采用TL494作为PWM信号发生器，并采用隔离驱动和过流保护施措，确保了安全性和可靠性。

8．JPDL22新特器件驱动实验箱

本实验箱研究对象是全控型器件，内容包括：

GTR（功率晶体管）、MOSFET（功率场效应管）、GTO（可关断晶闸管）、IGBT（绝缘栅型场效应管）器件的驱动及开关特性。

PWM信号发生器采用TL494芯片，GTR、MOSFET`GTO的驱动电路由分立器件组合而成，IGBT采用专门集成驱动芯片，它们都具有过流保护功能，确保功率器件可靠的工作，从而降低了损坏的可能性。

3电力电子技术实验

本章内容主要是关于晶闸管的各种实验，其中包括单相、三相整流和有源逆变电路，直流斩波电路，单相、三相交流调压电路，单相、三相交流调压电路，单相并联逆变电路，电压型逆变器，电流型逆变器，晶闸管器件及触发、驱动电路。

实验一单结晶体管触发电路和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的工作作全面分析；

4.了解续流二极管的作用。

二、实验线路及原理

熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及线路图,了解各点波形形状。

将单结晶体管触发电路的输出端“G”和“K”端接至晶闸管的门极和阴极，即构成如图3-1所示的实验线路。

三、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电压波形的观察；

3.单相半波整流电路带电阻性负载时Ud/UUV=f（α）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；

四、实验设备

1.电力电子实验台

2.JPDL09实验箱

3.JPDL08实验箱

4.JPDJ10实验箱（或JPDL11实验箱）

5.示波器（自备）；

6.万用表（自备）。

五、预习要求

1.阅读第二章相关介绍及教材中有关单结晶体管触发电路的内容，了解单结晶体管触发电路的工作原理，熟悉JPDL09实验箱；

2.复习单相半波可控整流电路的有关内容，掌握在接纯阻性负载和阻感性负载时，电路各部分的电压和电流波形；

3.掌握单相半波可控整流电路接不同负载时Ud、Id的计算方法。

六、思考题

1.单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中的各元件有什么关系？

2.单相桥式半波可控整流电路接阻感性负载时会出现什么现象？

如何解决？

七、实验方法

1．单结晶体管触发电路的调试

将实验台交流电源切换到“直流调速（或调压器调到115V）”状态，此时U、V间输出电压为~220V（在电网相电压为~220V前提下）,JPDL09的电源接U、V两相。

打开实验箱电源开关，用示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出梯形波、锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形。

调节移相可变电位器RP1，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在20o~180o范围内。

2．单结晶体管触发电路各点波形的记录

将单结晶体管触发电路的各点波形描绘下来，并与理论波形进行比较。

3．单相半波可控整流电路接纯阻性负载

触发电路调试正常后，按图3-1电路图接线，负载为JPDJ10实验箱或JPDL11的白炽灯泡，选择大小合适的电阻值。

合上电源，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压波形UT，调节电位器RP1，观察α=30o、60o、90o、120o、150o、180o时的Ud、UT波形，并测定直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表3-1中。

表3-1

α

30o

60o

90o

120o

150o

180o

U2

Ud（记录值）

Ud/UUV

Ud（计算值）

4．单相半波可控整流电路接电阻电感性负载

将负载改接成阻感性负载（由JPDJ10实验箱的可变电阻或JPDL11的白炽灯与电抗器串联而成）。

不接续流二极管VD，在不同阻抗角（改变Rd的电阻值）情况下，观察并记录α=30o、60o、90o、120o时的Ud及Ue的波形。

并测定直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表3-2中。

表3-2

30°

60°

90°

120°

（记录值）

（计算值）

接入续流二极管VD1，重复上述实验，观察续流二极管的作用，以及

波形的变化。

并测定直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表3-3中。

表3-3

30°

60°

90°

120°

（记录值）

（计算值）

计算公式：

Ud=[0.45*UUV*（1+cosα）]/2

八、实验报告

1.画出单结晶体管触发电路各点的电压波形；

2.画出α=90o时，电阻性负载和电阻电感性负载的Ud、UT波形。

3.画出电阻性负载时Ud/UUV=f（α）的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。

4.分析实验中出现的现象，写出体会。

九、注意事项

1.双踪示波器两个探头的地线端应接在电路的同电位点，以防通过两探头的地线造成被测量电路短路事故。

示波器探头地线与外壳相连，使用时应注意安全。

2.在本实验中，触发脉冲是从外部接入JPDL08面板上晶闸管的门极和阴极，此时，应将所用晶闸管对应的触发脉冲开关拨向“断开”位置。

3.当有触发脉冲而主电路没有故障，而晶闸管不能触发导通，有可能是同步信号反相，只需颠倒一下JPDL09电源的极性即可。

实验二锯齿波同步移相触发电路

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.掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。

二、实验线路及原理

锯齿波同步移相触发电路的原理请参看第二章相关介绍及教材有关内容。

锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其工作原理可参见实验箱面板和电力电子技术教材中的相关内容。

三、实验内容

1.锯齿波同步移相触发电路的调试；

2.锯齿波同步移相触发电路各点波形的观察和分析。

四、实验设备

1.电力电子实验台

2.JPDL09实验箱

3.JPDL08实验箱

4.JPDJ10实验箱；

5.示波器（自备）；

6.万用表（自备）。

五、预习要求

1.阅读电力电子技术教材中有关锯齿波同步移相触发电路的内容，弄清锯齿波同步移相触发电路的工作原理；

2.掌握锯齿波同步移相触发电路脉冲初始相位的调整方法。

六、思考题

1.锯齿波同步移相触发电路有哪些特点？

2.锯齿波同步移相触发电路的移相范围与哪些参数有关？

3.为什么锯齿波同步移相触发电路的脉冲移相范围比正弦波同步移相触发电路的移相范围要大？

七、实验方法

1.接通电源，用示波器观察各观察孔的电压波形。

2.观察“1”、“2”孔的电压波形，了解锯齿波宽度和“1”孔电压波形的关系；

3.观察“3”-“5”孔电压波形和输出电压Ug的波形，记下各波形的幅值与宽度，并比较“3”孔电压和“5”孔电压的对应关系；

4.调节触发脉冲的移相范围。

5.将控制电压Uct调至零（调电