电力电子技术实验课程教案.docx
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电力电子技术实验课程教案
课程教案
课程名称：
电力电子技术实验
任课教师：
张振飞
所属院部：
电气与信息工程学院
教学班级：
电气1501-1504班、自动化1501-1504自动化卓越1501
教学时间：
2017-2018学年第一学期
湖南工学院
课程基本信息
课程
名称
电力电子技术实验
课程代码
G0100434
总计：
学时
讲课：
学时
实验：
12学时上机：
学时
课程设计：
周
学分
类别
必修课（√）选修课（）理论课（）实验课（√）
任课
教师
张振飞
职称
高级实验师
授课
对象
专业班级：
电气1501-1504班（12课时）、自动化1501-1504（8课时）、自动化卓越1501（8课时）共9个班
课
程
简
介
（不超过1000字）
1、课程性质、地位：
本课程为实验课，是自动化、电气工程及其自动化专业的专业基础课程实验。
2、课程目标、
本课程目标是提高学生在本课程领域的实践动手能力，侧重培养学生对电力电子技术的认知、分析和调试能力，并在此基础上加深对理论课程的理解。
3、主要内容（自动化专业只做实验一、三、四、五）
实验一、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验（验证性）
实验二、正弦波同步移相触发电路实验（验证性）
实验三、三相交流调压电路实验（综合性）
实验四、直流斩波电路的性能研究（验证性）
实验五、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验（综合性）
实验六、综合测试
基本
教材
和主
要参
考资
料
1．教材
《电力电子技术实验指导书》湖南工学院电气与信息工学院实验中心编
2．参考资料
《DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验指导书》天煌教仪编写
实验一、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验
一、本次课主要内容
1、晶闸管（SCR）特性实验。
2、可关断晶闸管（GTO）特性实验（选做）。
3、功率场效应管（MOSFET）特性实验。
4、大功率晶体管（GTR）特性实验（选做）。
5、绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。
二、教学目的与要求
1、掌握各种电力电子器件的工作特性测试方法。
2、掌握各器件对触发信号的要求。
三、教学重点难点
1、重点是掌握各种电力电子器件的工作特性测试方法。
2、难点是各器件对触发信号的要求。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。
五、作业与习题布置
撰写实验报告
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1-1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1-1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、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。
2、为使GTR特性实验更典型，其电流控制在0.4A以下。
3、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。
实验后记：
实验二正弦波同步移相触发电路实验
一、本次课主要内容
1、正弦波同步移相触发电路的调试。
2、正弦波同步移相触发电路中各点波形的观察。
二、教学目的与要求
1、熟悉正弦波同步移相触发电路的工作原理和各元件的作用。
2、掌握正弦波同步移相触发电路的调试步骤和方法。
三、教学重点难点
1、重点是正弦波同步移相触发电路的调试步骤和方法。
2、难点是正弦波同步移相触发电路的工作原理和各元件的作用。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。
五、作业与习题布置
撰写实验报告
一、实验目的
1、熟悉正弦波同步移相触发电路的工作原理和各元件的作用。
2、掌握正弦波同步移相触发电路的调试步骤和方法。
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”等几个模块。
2
DJK03-1晶闸管触发电路
该挂件包含“正弦波同步移相触发电路”等模块。
3
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
正弦波同步移相触发电路的原理在1－3节已作介绍。
电路分脉冲形成、同步移相、脉冲放大等几个环节，具体工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。
四、实验内容
1、正弦波同步移相触发电路的调试。
2、正弦波同步移相触发电路中各点波形的观察。
五、预习要求
1、阅读本教材1-3节及电力电子技术教材中有关正弦波同步移相触发电路的内容，弄清正弦波同步移相触发电路的工作原理。
2、掌握脉冲初始相位的调整方法。
六、思考题
1、正弦波同步移相触发电路由哪些主要环节组成?
2、正弦波同步移相触发电路的移相范围能否达到180°?
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（不能打到“交流调速”侧工作，因为DJK03-1的正常工作电源电压为220V10%，而“交流调速”侧输出的线电压为240V。
如果输入电压超出其标准工作范围，挂件的使用寿命将减少，甚至会导致挂件的损坏。
在“DZSZ-1型电机及自动控制实验装置”上使用时，通过操作控制屏左侧的自藕调压器，将输出的线电压调到220V左右，然后才能将电源接入挂件），用两根导线将200V交流电压接到DJK03的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察正弦波触发电路各观察点的电压波形，并与图2-1中各点波形相比较。
图2-1正弦波同步移相触发电路的各点电压波形（α=00）
2、确定脉冲的初始相位
当Uct=0时（将RP1电位器顺时针旋到底），调节Ub（调RP2），使U1波形与图2-2中的U1波形相同，这时正好有脉冲输出，此时的α接近于180°。
3、保持RP2电位器不变，逆时针旋转RP1（即逐渐增大Uct），用示波器观察同步电压信号及输出脉冲“5”点的波形，注意Uct增加时脉冲的移动情况，并估计移相范围。
4、调节Uct（调RP1），使α=60°，观察并记录面板上观察点“1”～“5”及输出脉冲“G1”、“K1”的电压波形及其幅值。
调节RP3，观测“5”点脉冲宽度的变化。
八、实验报告
1、画出α=60°时，观察点“1”～“5”及输出脉冲电压的波形。
2、指出Uct增加时,α应如何变化?
移相范围大约等于多少度?
指出
同步电压的哪一段为脉冲移相范围。
3、分析RP3对输出脉冲宽度的影响。
a）α<180° b）α接近于180°
图2-2初始脉冲相位的确定
九、注意事项
1、参见本教材实验一的注意事项。
2、由于脉冲“G”、“K”输出端有电容影响，故观察输出脉冲电压波形时，需将输出端“G”和“K”分别接到晶闸管的门极和阴极（或者也可用约100Ω左右阻值的电阻接到“G”、“K”两端，来模拟晶闸管门极与阴极的阻值），否则，无法观察到正确的脉冲波形。
实验后记：
实验三、三相交流调压电路实验
一、本次课主要内容
1、三相交流调压器触发电路的调试。
2、三相交流调压电路带电阻性负载测试。
3、三相交流调压电路带电阻电感性负载测试（选做）。
二、教学目的与要求
1、了解三相交流调压触发电路的工作原理。
2、加深理解三相交流调压电路的工作原理。
3、了解三相交流调压电路带不同负载时的工作特性。
三、教学重点难点
1、重点是三相交流调压器触发电路的调试和三相交流调压电路带电阻性负载测试。
2、难点是三相交流调压触发电路的工作原理的理解。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。
五、作业与习题布置
撰写实验报告
一、实验目的
1、了解三相交流调压触发电路的工作原理。
2、加深理解三相交流调压电路的工作原理。
3、了解三相交流调压电路带不同负载时的工作特性。
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“给定”以及“开关”等模块。
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
交流调压器应采用宽脉冲或双窄脉冲进行触发。
实验装置中使用双窄脉冲。
实验线路如图3-1所示。
图中晶闸管均在DJK02上，用其正桥，将D42三相可调电阻接成三相负载，其所用的交流表均在DJK01控制屏的面板上。
四、实验内容
1、三相交流调压器触发电路的调试。
2、三相交流调压电路带电阻性负载。
3、三相交流调压电路带电阻电感性负载（选做）。
图3-1三相交流调压实验线路图
五、预习要求
1、阅读电力电子技术教材中有关交流调压的内容，掌握三相交流调压的工作原理。
2、如何使三相可控整流的触发电路用于三相交流调压电路。
六、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=180°。
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）三相交流调压器带电阻性负载
使用正桥晶闸管VT1～VT6，按图3-23连成三相交流调压主电路，其触发脉冲己通过内部连线接好，只要将正桥脉冲的6个开关拨至“接通”，“Ulf”端接地即可。
接上三相平衡电阻负载，接通电源，用示波器观察并记录α=30°、60°、90°、120°、150°时的输出电压波形，并记录相应的输出电压有效值，填入下表:
α
30°
60°
90°
120°
150°
U
3、三相交流调压器接电阻电感性负载（选做）
要完成该实验，需加上三个电抗器。
切断电源输出，将三相电抗器接入。
接通电源，调节三相负载的阻抗角（调节电阻阻值即可），使φ=60°,用示波器观察并记录α=30°、60°、90°、120°时的波形，并记录输出电压U1、电流I1的波形及输出电压有效值U，记于下表:
α
30°
60°
90°
120°
U
七、实验报告
1、整理并画出实验中记录的波形，作不同负载时的U=f（α）的曲线。
2、讨论、分析实验中出现的各种问题。
实验后记：
实验四直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）
一、本次课主要内容
1、控制与驱动电路的测试
2、六种直流斩波器的测试。
二、教学目的与要求
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、了解及其常用的集成芯片。
三、教学重点难点
1、重点是控制与驱动电路的测试和六种直流斩波器的测试。
2、难点是直流斩波电路的工作原理和PWM控制与驱动电路的原理的理解。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。
五、作业与习题布置
撰写实验报告
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4-1所示。
图中V为全控型器件，选用IGBT。
D为续流二极管。
由图4-1b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4-1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4-2所示。
电路也使用一个全控型器件V。
由图4-2b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4-2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4-3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4-3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4-4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4-4Cuk斩波电路原理图
⑤、Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图4-5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4-5Sepic斩波电路原理图
⑥、Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的原理图如图4-6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4-6Zeta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4-7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4-7SG3525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
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