电力电子实验指导书.docx

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电力电子实验指导书

电力电子技术

实验指导书

上海大学机自学院

自动化系实验室编写

2014.03

实验一直流斩波电路的性能研究

一．实验目的

熟悉降压斩波电路（BuckChopper）和升压斩波电路（BoostChopper）的工作原理，掌握这两种基本斩波电路的工作状态及波形情况。

二．实验内容

1．SG3525芯片的调试。

2．降压斩波电路的波形观察及电压测试。

3．升压斩波电路的波形观察及电压测试。

三．实验设备及仪器

1．电力电子教学实验台主控制屏。

2．NMCL-16组件。

3．NMEL-03电阻箱（900Ω/0.41A）。

4．万用表。

5．双踪示波器

6．直流安培表。

四．实验方法

1．SG3525的调试。

原理框图见图2—6。

将扭子开关S1打向“直流斩波”侧，S2电源开关打向“ON”，将“3”端和“4”端用导线短接，用示波器观察“1”端输出电压波形应为锯齿波，并记录其波形的频率和幅值。

扭子开关S2扳向“OFF”，用导线分别连接“5”、“6”、“9”，用示波器观察“5”端波形，并记录其波形、频率、幅度，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其最大占空比和最小占空比。

Dmax=Dmin=

2．实验接线图见图2—7。

（1）切断NMCL-16主电源，分别将“主电源2”的“1”端和“直流斩波电路”的“1”端相连，“主电源2”的“2”端和“直流斩波电路”的“2”端相连，将“PWM波形发生”的“7”、“8”端分别和直流斩波电路VT1的G1S1端相连，“直流斩波电路”的“4”、“5”端串联NMEL-03电阻箱（将两组900Ω/0.41A的电阻并联起来，顺时针旋转调至阻值最大约450Ω），和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

（2）检查接线正确后，接通控制电路和主电路的电源（注意：

先接通控制电路电源后接通主电路电源），改变脉冲占空比，每改变一次，分别观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。

（3）改变负载R的值（注意：

负载电流不能超过1A），重复上述内容2。

（4）切断主电路电源，断开“主电路2”和“降压斩波电路”的连接，断开“PWM波形发生”与VT1的连接，分别将“直流斩波电路”的“6”和“主电路2”的“1”相连，“直流斩波电路”的“7”和“主电路2”的“2”端相连，将VT2的G2S2分别接至“PWM波形发生”的“7”和“8”端，直流斩波电路的“10”、“11”端，分别串联NMEL-03电阻箱（两组分别并联，然后串联在一起顺时针旋转调至阻值最大约900Ω）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。

改变脉冲占空比D，每改变一次，分别：

观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。

（5）改变负载R的值（注意：

负载电流不能超过1A），重复上述内容4。

（6）实验完成后，断开主电路电源，拆除所有导线。

五．注意事项：

（1）“主电路电源2”的实验输出电压为15V，输出电流为1A，当改变负载电路时，注意R值不可过小，否则电流太大，有可能烧毁电源内部的熔断丝。

（2）实验过程当中先加控制信号，后加“主电路电源2”。

（3）做升压实验时，注意“PWM波形发生器”的“S1”一定要打在“直流斩波”，如果打在“半桥电源”极易烧毁“主电路电源2”内部的熔断丝。

六．实验报告

1．分析PWM波形发生的原理

2．记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，MOSFET的栅源电压波形，输出电压u0波形，输出电流i0的波形，并绘制降压斩波电路的Ui/Uo-D曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。

实验二单相交直交变频电路的性能研究

一．实验目的

熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

二．实验内容

1．测量SPWM波形产生过程中的各点波形。

2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。

三．实验设备及仪器

1．电力电子及电气传动主控制屏。

2．MCL-16组件。

3．电阻、电感元件（MEL-03、700mH电感）。

4．双踪示波器。

5．万用表。

四．实验原理

单相交直交变频电路的主电路如图5—13所示。

本实验中主电路中间直流电压ud由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM逆变电路。

逆变电路中功率器件采用600V8A的IGBT单管（含反向二极管，型号为ITH08C06），IGBT的驱动电路采用美国国际整流器公司生产的大规模MOSFET和IGBT专用驱动集成电路1R2110，控制电路如图5—12所示，以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制VT1、VT4和VT2、VT3两对IGBT。

ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz。

五．实验方法

1．SPWM波形的观察

（1）观察正弦波发生电路输出的正弦信号Ur波形（“2”端与“地”端），改变正弦波频率调节电位器，测试其频率可调范围。

（2）观察三角形载波Uc的波形（“1”端与“地”端），测出其频率，并观察Uc和U2的对应关系：

（3）观察经过三角波和正弦波比较后得到的SPWM波形（“3”端与“地”端），并比较“3”端和“4”端的相位关系。

（4）观察对VT1、VT2进行控制的SPWM信号（“5”端与“地”端）和对VT3、VT4进行控制的SPWM信号（“6”端与“地”端），仔细观察“5”端信号和“6”端防号之间的互锁延迟时间。

2．驱动信号观察

在主电路不接通电源情况下，S3扭子开关打向“OFF”，分别将“SPWM波形发生”的G1、E1、G2、E2、G3、E3、G4和“单相交直交变频电路”的对应端相连。

经检查接线正确后，S3扭子开关打向“ON”，对比VTI和VT2的驱动信号，VT3和VT4的驱动信号，仔细观察同一相上、下两管驱动信号的波形，幅值以及互锁延迟时间。

3．S3扭子开关打向“OFF”，分别将“主电源2”的输出端“1”和“单相交直交变频电路”的“1”端相连，“主电源2”的输出端“2”和“单相交直交变频电路”的“2”端相连，将“单相交直交变频电路”的“4”、“5”端分别串联MEL-03电阻箱（将一组900Ω/0.41A并联，然后顺时针旋转调至阻值最大约450Ω）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

将经检查无误后，S3扭子开关打向“ON”，合上主电源（调节负载电阻阻值使输出负载电压波形达到最佳值，电阻负载阻值在90Ω~360Ω时波形最好）。

4．当负载为电阻时，观察负载电压的波形，记录其波形、幅值、频率。

在正弦波Ur的频率可调范围内，改变Ur的频率多组，记录相应的负载电压、波形、幅值和频率。

5．当负载为电阻电感时，观察负载电压和负载电流的波形。

六．注意事项

1．“输出端”不允许开路，同时最大电流不允许超过“1A”。

2．注意电源要使用“主电源2”的“15V”电压其他同“直流斩波”电路相同。

七．实验报告

1．绘制完整的实验电路原理图。

2．电阻负载时，列出数据和波形，并进行讨论分析。

3．电阻电感负载时，列出数据和波形，并进行讨论及分析。

4．分析说明实验电路中的PWM控制是采用同步调制还是异步调制。

5．为使输出波形尽可能的接近正弦波，可以采取什么措施。

6．分析正弦波与三角波之间不同的载波比情况下的负载波形，理解改变载波比对输出功率管和输出波形的影响。

实验三锯齿波同步移相触发电路实验

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。

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。

三．实验线路及原理

锯齿波同步移相触发电路主要由脉冲形成和放大，锯齿波形成，同步移相等环节组成，其工作原理可参见“电力电子技术”有关教材。

四．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（A）组件或NMCL—36组件

4．NMEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．将NMCL-05（A）面板上左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V端，“触发电路选择”拨向“锯齿波”。

2．合上主电路电源开关，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。

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。

3．调节脉冲移相范围

将NMCL—31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RP），使=180O。

调节NMCL—31的给定电位器RP1，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。

用导线连接“K1”和“K3”端，用双踪示波器观察UG1K1和UG3K3的波形，调节电位器RP3，使UG1K1和UG3K3间隔1800。

六．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．讨论分析其它实验现象。

七．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）如用此触发电路控制晶闸管，注意须断开NMCL—33的内部触发脉冲。

实验四三相半波可控整流电路的研究

一．实验目的

了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究可控整流电路在电阻负载和电阻—电感性负载时的工作。

二．实验线路及原理

三相半波可控整流电路用三只晶闸管，与单相电路比较，输出电压脉动小，输出功率大，三相负载平衡。

不足之处是晶闸管电流即变压器的二次电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率低。

实验线路见图1-5。

三．实验内容

1．研究三相半波可控整流电路供电给电阻性负载时的工作。

2．研究三相半波可控整流电路供电给电阻—电感性负载时的工作。

四．实验设备及仪表

1．教学实验台主控制屏

2．NMCL—33组件

3．NMEL—03组件

4．二踪示波器

5．万用表

五．注意事项

1．整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序。

2．整流电路的负载电阻不宜过小，应使Id不超过0.8A，同时负载电阻不宜过大，保证Id超过0.1A，避免晶闸管时断时续。

3．正确使用示波器，避免示波器的两根地线接在非等电位的端点上，造成短路事故。

六．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）用示波器观察MCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲

（2）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。

（3）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。

2．研究三相半波可控整流电路供电给电阻性负载时的工作

合上主电源，接上电阻性负载：

（a）改变控制电压Uct，观察在不同触发移相角α时，可控整流电路的输出电压Ud=f（t）与输出电流波形id=f（t），并记录相应的Ud、Id、Uct值。

（b）记录α=90°时的Ud=f（t）及id=f（t）的波形图。

（c）求取三相半波可控整流电路的输入—输出特性Ud/U2=f（α）。

（d）求取三相半波可控整流电路的负载特性Ud=f（Id）

3．研究三相半波可控整流电路供电给电阻—电感性负载时的工作

接入NMCL—331的电抗器L=700mH，，可把原负载电阻RD调小，监视电流，不宜超过0.8A（若超过0.8A，可用导线把负载电阻短路），操作方法同上。

（a）观察不同移相角α时的输出Ud=f（t）、id=f（t），并记录相应的Ud、Id值，记录α=90°时的Ud=f（t）、id=f（t），Uvt=f（t）波形图。

（b）求取整流电路的输入—输出特性Ud/U2=f（α）。

七．实验报告

1．绘出本整流电路供电给电阻性负载，电阻—电感性负载时的Ud=f（t），id=f（t）及Uvt=f（t）（在α=90°情况下）波形，并进行分析讨论。

2．根据实验数据，绘出整流电路的负载特性Ud=f（Id），输入—输出特性Ud/U2=f（α）。

八．思考

1．如何确定三相触发脉冲的相序？

它们间分别应有多大的相位差？

2．根据所用晶闸管的定额，如何确定整流电路允许的输出电流？

实验五三相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一．实验目的

1．熟悉NMCL-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。

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

实验线路如图1-7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。

四．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

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）用示波器观察NMCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔60o的幅度相同的双脉冲。

（2）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。

（3）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”。

（4）将NMCL-31的给定器输出Ug接至NMCL-33面板的Uct端，调节偏移电压Ub，在Uct=0时，使=150o。

2．三相桥式全控整流电路

按图1-7接线，AB两点断开、CD两点断开，AD连接在一起，并将RD调至最大（450）。

合上主电源。

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，断开AD点的连接，分别连接AB两点和CD两点。

调节Uct，使仍为150O左右。

合上主电源。

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。

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；

5．简单分析模拟故障现象；

实验六单相交流调压电路实验

一．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。

．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。

三．实验线路及原理

本实验采用了锯齿波移相触发器。

该触发器适用于双向晶闸管或两只反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。

晶闸管交流调压器的主电路由两只反向晶闸管组成，见图1-8。

四．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-05（A）组件或NMCL—36组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．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。

六．实验方法

1．单相交流调压器带电阻性负载

将NMCL-33上的两只晶闸管VT1，VT4反并联而成交流电调压器，将触发器的输出脉冲端G1、K1，G3、K3分别接至主电路相应VT1和VT4的门极和阴极。

接上电阻性负载（可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大。

NMCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

调节锯齿波同步移相触发电路偏移电压电位器RP2，使=150°。

合上主电源，用示波器观察负载电压u=f（t），晶闸管两端电压uVT=f（t）的波形，调节Uct，观察不同角时各波形的变化，并记录=60，90，120时的波形。

2．单相交流调压器接电阻—电感性负载

（1）在做电阻—电感实验时需调节负载阻抗角的大小，因此须知道电抗器的内阻和电感量。

可采用直流伏安法来测量内阻，电抗器的内阻为

RL=UL/I

电抗器的电感量可用交流伏安法测量，由于电流大时对电抗器的电感量影响较大，采用自耦调压器调压多测几次取其平均值，从而可得交流阻抗。

ZL=UL/I

电抗器的电感量为

这样即可求得负载阻抗角

在实验过程中，欲改变阻抗角，只需改变电阻器的数值即可。

（2）断开电源，接入电感（L=700mH）。

调节Uct，使=450。

合上主电源，用二踪示波器同时观察负载电压u和负载电流i的波形。

调节电阻R的数值（由大至小），观察在不同角时波形的变化情况。

记录φ，=φ，φ三种情况下负载两端电压u和流过负载的电流i的波形。

也可使阻抗角φ为一定值，调节观察波形。

注：

调节电阻R时，需观察负载电流，不可大于0.8A。

六．实验报告

1．整理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。