电力电子技术实验教程审完整版.docx

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电力电子技术实验教程审完整版

HUAsystemofficeroom【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

电力电子技术实验教程审

电工电子实验中心

实验指导书

电力电子技术

实验教程

二零零九年三月

高等学校电工电子实验系列

电力电子技术实验教程

主编王利华周荣富

攀枝花学院电气信息工程学院

电工电子实验中心

内容简介

本书是根据高等院校理工科本（专）科的电力电子技术实验课程的基本要求编写的。

全书包含三个部分。

第一部分对基本实验的目的、内容、原理、实验仪器和实验方法进行了阐述。

第二部分对DKSZ-1电机控制系统实验装置进行了简述。

第三部分是对实验装置控制组件介绍。

本书可作为我校电类和非电类专业本科生、专科生实验教学用书，还可作为从事电力电子技术的工程技术人员的参考书。

前言

电力电子技术是电气工程学科的基础课程，由电力电子器件、电力电子电路、电力电子系统及其控制三部分组成，是电力电子装置、开关电源技术、自动控制系统、变频调速应用、柔性输电系统等课程的先行课程。

同时，也是电气信息类其他相关专业的重要基础课之一。

电力电子技术作为21世纪解决能源危机的必备技术之一而受到重视。

本书依据应用型人才培养目标，遵循“面向就业，突出应用”的原则，注重教材的“科学性、实用性、通用性、新颖性”，力求做到学科体系完整、理论联系实际、夯实基础知识、突出时代气息，具备科学性及新颖性，并强调知识的渐进性，兼顾知识的系统性，注重培养学生的实践能力。

本书着重讲授各种电能变换电路的基本工作原理、电路结构、电气性能、波形分析方法和参数计算等。

通过对本课程的学习，学生能理解并掌握电力电子技术领域的相关基础知识，培养其分析问题、解决问题的能力，了解电力电子学科领域的发展方向。

本书由三部分组成。

第一部分为基础实验。

该部分主要介绍电力电子技术的实验内容原理。

第二部分为DKSZ-1电机控制系统实验装置介绍。

第三部分为实验装置控制组件介绍。

在本书的编写过程中，为了突出其实效性，注意体现以下特点：

（1）理论性与实践性相结合的原则；

（2）深入浅出、循序渐进的原则；（3）典型示例，举一反三原则。

全书由攀枝花学院电气信息工程及电工电子省级实验示范中心王利华、周荣富老师主编，2005级自动化张明禹同学参加了本书的编写工作。

由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请广大师生及读者提出宝贵意见及建议。

编者

2009年3月于攀枝花

内容简介I

前言II

第一章实验项目1

实验一单结晶体管触发电路1

实验二正弦波同步移相触发电路实验4

实验三锯齿波同步移相触发电路实验6

实验四单相桥式全控整流及有源逆变电路实验8

实验五三相桥式全控整流及有源逆变电路实验11

实验六单相并联逆变电路实验15

实验七直流斩波电路实验18

实验八单相交流调压电路实验21

实验九单相桥式半控整流电路实验（综合实验）24

实验十三相交流调压电路实验（综合实验）27

第二章DKSZ-1电机控制系统实验装置29

2-1技术特性29

2-2主控制屏DK01介绍33

2-3控制柜介绍38

第三章实验装置控制组件介绍41

3-1DK02组件挂箱（给定、零速封锁电路）41

3-2DK03组件挂箱（速度、电流变换器）45

3-3DK04组件挂箱（逻辑无环流调速系统）49

3-4DK06组件挂箱（变频调速系统）53

3-5DK07组件挂箱（换流电容箱）64

3-6DK08组件挂箱（吸收、保护电路）65

3-7DK10组件挂箱（直流斩波电路）66

3-8DK11组件挂箱（晶阐管触发电路）68

3-9DK12组件挂箱（单相交流调压、并联逆变触发电路）73

3-10DK14组件挂箱（三相组式变压器）76

3-11DK15组件挂箱（可变电容箱）77

参考文献78

第一章实验项目

实验一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的观察和分析。

三、实验线路及原理

锯齿波同步移相触发电路的原理图如图3-34所示。

锯齿波同步移相触发电路主要由锯齿波形成、同步移相、脉冲形成和放大等环节组成,其工作原理可参见电力电子技术教材。

四、实验设备及仪器

1．主控制屏DK01

2．DK11挂箱

3．二踪示波器

4．万用表

五、实验方法

1．将DK11面板左上角的同步变压器原边绕组接230V交流电压,"选择触发开关"拨向"锯齿波",面板左下角的士15V开关拨向"开",其上面的开关拨向"触发电路"。

将输出"G1"、"K1"端接至DK01上的某晶闸管的门极和阴极。

2．接通电源,用示波器观察各观察孔的电压波形。

（1）同时观察"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。

（2）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,比较"3"孔电压U3与U5的对应关系。

3．调节脉冲的移相范围。

将控制电压Uct调至零（调电位器RP1）,用示波器观察"1"孔电压U1和U5的波形,调节偏移电压Ub（即调RP2）,使α=180°,其波形如图1-4所示。

增加Uct观察脉冲的移相情况，要求Uct＝0时，α=180°,Uct=Umax时，α=10°，以满足移相范围α=10°～180°的要求。

4．调节Uct,使α=60°,观察并记录U1~U5及输出脉冲电压Ug的波形,并标出其幅值与宽度。

六、实验报告

1．整理、描绘实验中记录的各点波形,并标出其幅值和宽度。

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,使α=90°应如何调整?

4．讨论分析其它实验现象。

七、注意事项

参照本教材实验一的注意事项

实验九单相桥式半控整流电路实验（综合实验）

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、反电势负载时各工作情况的理解。

2．对实验中出现的问题加以分析和排除。

二、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。

三、实验线路与原理

实验线路如图1-13验原理可参见“电力电子技术”有关教材。

四、实验设备及仪器

1．主控制屏DK01

2．直流电动机—直流发电机—测速发电机组

3．DK11挂箱

4．1.9K，0.65A滑线电阻器

5．二踪双踪器

6．万用表

五、实验方法

1．按图1-13接线。

可利用二组桥的晶闸管、二极管来组成单相半控桥。

触发电路采用锯齿波同步触发电路,将DK11左上角的"触发选择开关"拨至"锯齿波",同步变压器原边接入230V交流电压。

将DK11左下角的两个开关分别拨至"单相桥式"和"开"的位置,将锯齿波触发电路的输出脉冲端"G1"、"k1"和"G3'、"k3"分别接至半控桥中晶闸管VT1和VT3的门极和阴极。

并将DK01上的Ublr悬空。

2．锯齿波触发电路调试

其调试方法与实验三相同。

3．单相半控桥带电阻性负载

（1）接上可调电阻负载Rd,合上电源开关S,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UVD的波形,调节移相控制电位器RPl,观察并记录不同α角时Ud、UVT、UVD的波形,测定相应电源电压U2和负载电压Ud的数值,记录于下表中,验证

（1-7）

（2）用二踪示波器观察Ud与U2之间的相位关系。

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,换接电阻电感性负载,即将平波电抗器L与电阻Rd相串联。

（2）不接续流二极管VD5时,接通主电路,用示波器观察不同控制角α时Ud、UVD、id的波形,并测定相应U2、Ud的数值。

（3）调节Rd的大小，观察id波形如何变化。

（4）突然断开触发电路，观察失控现象并记录Ud的波形。

（5）接续流二极管VD5,重复

（2）～（4）步骤，观察触发脉冲断开时有无失控现象。

5．单相半控桥接反电势负载

（1）断开主电路,改接直流电动机作为反电势负载,不接平波电抗器L。

调节RP1使Ud由零逐渐上升到额定值,用示波器观察并记录不同α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与Ud的波形。

（2）接上平波电抗器,重复上述实验，观察并记录不同α角时Ud、id及UM的波形，记录相应的U2和Ud的数值。

6.改变电路结构，其中器件1和2采用晶闸管，器件3和4采用二极管，画出电路图，并重复上述过程。

六、实验报告

1．作出电阻和电阻电感性负载时Ud/U2=f（α）的曲线。

2．反电势负载时，Ud是否满足（1-7）系，为什么？

3．讨论和分析其它实验结果，说明续流二极管对消除失控现象的作用。

4.讨论和分析两种半控整流桥的优缺点。

实验四单相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一、实验目的

1．加深理解单相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。

2．研究单相桥式全控变流电路由整流切换到逆变的全过程,掌握有源逆变的条件。

3．了解产生逆变颠覆现象的原因。

二、实验内容

1．单相桥式全控整流电路。

2．单相桥式有源逆变电路。

3．逆变颠覆现象的观察。

三、实验线路及原理

实验线路如图1-5所示。

将主控制屏DK0l上的整流二极管VD1~VD6组成三相不控整流桥作为逆变桥的直流电源,逆变变压器采用DK14挂箱中的一单相变压器,因路中接入电抗器L及限流电阻Rd。

逆变的必要条件等可参见“电力电子技术”等有关教材。

触发电路采用DK11上的锯齿波同步移相触发电路。

四、实验设备及仪器

1．主控制屏DK01

2．DK11挂箱

3．1.9K,0.65A滑线电阻器

4．DK14三相组式变压器挂箱

5．二踪示波器

6．万用表

7．单相双投闸刀（在DK02下部）

五、实验方法

1．按图1-5接线，将DK11挂箱上的同步变压器原边接230V交流电压，“触发

选择开关”拨至“锯齿波”，面板左下角的

15V开关拨至"开"，其上面的开关拨至"单相桥式"。

将锯齿波触发电路的输出脉冲端分别接至相应晶闸管的门极和阴极,将主控制屏DK0l上的I组桥触发脉冲开关拨向"断开"或悬空Ublf。

2．单相桥式全控整流电路

调节锯齿波触发电路中的移相调节电位器RP1,使Uct＝0，调节偏移电位器RP2,使α=150°。

保持Ub不变（即RP2固定〉,逐渐增加Uct,在α=0°~90°范围内,做单相桥式全控整流电路带电阻电感负载实验,在α=0°、30°、60°、90°时,用示波器观察并记录整流电压的Ud,晶闸管电压UVT的波形,并记录U2、Ud的数值。

3．有源逆变实验

断开电源,将开关S拨向有源逆变电源端（三相不控整流桥）,将Rd调至最大，调节Uct，将α移至150°，合上主电路电源。

在α＝90°、120°、150°时，用示波器观察并记录Ud、、UVT的波形，并记录U2、Ud的数值。

4．逆变颠覆现象的观察

t，使α=150°，观察U波形。

突然将DK11面板上的

15V开关拨至"关",则脉冲突然消失,观察逆变颠覆现象,记录逆变颠覆时的波形。

调节Ub，使α接近于180°，观察逆变颠覆现象，记录逆变颠覆时的波形。

六、实验报告

1．画出α角=0°、30°、60°、90°、120°、150°时Ud和UVT的波形。

2．画出电路的移相特性Ud=f（α）曲线。

3．分析逆变颠覆的原因，逆变颠覆后产生什么后果。

七、注意事项

1．为了防止过流,顺利地完成从整流到逆变的过程,主电路中串入了电阻Rd。

2.三相不控整流桥的输入端也可加接三相自耦调压器,以降低逆变用直流电源的电压值。

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“DKSZ—1”型实验装置主控制屏。

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．主控制屏DK01的调试

2．三相桥式全控整流电路

3．三相桥式有源逆变电路

4．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4-6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。

触发电路为主控制屏DK01中的集成触发电路,由KJ004、KJ041、KJ042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第二章中的有关内容，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．主控制屏DK0l

2．DK02挂箱

3．1.9K,0.65A双臂滑线电阻器

4．DK14三相组式变压器

5．二踪示波器

6．万用表

7．单相双投闸刀（DK02下部）

五、实验方法

1．主控制屏DK01的调试

（1）打开电源开关，观察面板上检测三相交流电源的电压表指示值,是否三相平衡。

指示灯是否正常发亮。

（2）开关设置

调速电源选择开关：

"直流调速"

触发电路脉冲指示：

"窄"

I桥工作状态指示：

任意

（3）测定整流电源相序，按主电路“闭合”按钮，用示波器测定相序，以B点为基准，观察UAB、UCB，导前60°的为C相，滞后的则为A相，基准B相可任意取（实际面板上已标出相序，此步骤作为校验）。

测量时应注意安全，因此时示波器机壳带有200V左右的交流电压。

（4）触发电路调试，接通“低压控制电源”，用示波器观察触发电路的单脉冲、双脉冲是否正常，观察a、b、c三相锯齿波斜率尽可能一至。

观察6个触发脉冲，应使其间隔均匀，相互间隔60°。

（5）将给定器输出Ug接至主控制屏面板的Uct端，调节偏移电压Ub，在Uct＝0时，使

＝150°。

（6）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”，观察正组桥VT1~VT6晶闸管的触发脉冲是否正常。

2．三相桥式全控整流电路

图1-6接线，将开关"S"拨向左边短接线端，将Rd调至最大，合上主电路及低压控制电源开关，调节Uct，使α在0°～90°范围内，用示波器观察并记录α＝0°、30°、60°、90°时整流电压Ud、晶体管两端电压UVT的波形，并记录相应的Ud、Uct数值。

3．三相桥式有源逆变电路

开电源开关后，将S拨向右边的不控整流桥端，调节Uct，使α角为150°左右，合上电源开关，观察α＝90°、120°、150°时电路中Ud、UVT的波形，并记录相应的Ud、Uct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（α）曲线

2．画出触发电路的传输特性α=f（Uct）曲线

3．画出α角为30°、60°、90°、120°、150°时的Ud、UVT波形

4．简单分析模拟故障现象

七、注意事项

1．参照本教材实验一的注意事项。

2．从整流状态转换至逆变状态时，应先将α角调节到大于90°、接近于150°的位置，以防过流。

3．为了不使逆变直流电源电压过高，可在不控整流桥输入端加接三相自耦调节器降压，这样限流电阻Rd数值可调得小些。

4．整流电路实验的负载可根据需要而改变，如可做电阻性负载及反电势负载等。

2-2主控制屏DK01介绍

一、电源部分

电源部分的面板如图2-1所示。

在面板上布置了主电源、低压直流电源的输出端及控制开关、励磁电源输出端、交流电压表、交流电流表、转速表、直流电压表、直流电流表等。

1．主电路电源

主电路电源由面板上部的按钮开关控制,按"闭合"按钮,则主电路电源接通,"主电路电源输出"端A2、B2、C2带电。

三相交流电源电压由左上部的交流电压表指示,并由"交流电源电压指示"开关控制而分别观测UAB、UBC、UCA三个线电压。

三相电源均配置有带氖泡指示（熔断时亮）的3A熔断丝。

主电路电源输出端配置有三相电流互感器,为电流反馈、零电流检测、过流保护等提供电流信号,其输出端TAl、TA2、TA3已通过内部连结接至DK02组件挂箱中电流变换器的相应输入端。

主电路电源的输出电压由"调速电源选择开关"控制：

当开关置"直流调速"档时,A2、B2、C2输出线电压为200V；当开关置"交流调速"档时,A2、B2、C2输出线电压为250V。

2．励磁电源

若开关拨向"开",则励磁电源输出为230V的直流电压,并有发光二极管指示电源是否正常,励磁电源由0.5A熔丝保护。

励磁电源为直流电机提供励磁电流。

由于励磁电源熔丝容量有限,一般不要作为其它直流电源使用。

3．低压直流控制电源

低压直流控制电源由面板左上角的"低压控制电源"开关控制,"低压电源输出"端有±15V,+5V,二组+24V低压直流控制电源。

其中±15V电源作为控制系统的电源,其中一组与±15V共地的+24V作为脉冲功放级电源,同时连线至DK01上的五芯插座,另一组地线单独的24V连线至DK01左边面板上的输出插口；+5V电源为交、直流调速系统进行微机控制实验提供了条件。

4．脉冲选择及工作状态指示

在面板中间有"触发电路脉冲指示"及"Ⅱ桥工作状态指示"。

当"触发电路脉冲指示"指示为"宽"时,晶闸管上的触发脉冲为后沿固定、前沿可变的宽脉冲链；当"触发电路脉冲指示"指示为"窄"时,晶闸管上的触发脉冲为互差为60°的双窄脉冲；当Ⅱ桥工作状态指示"指示为"变频"时,Ⅱ组晶闸管上的触发脉冲来自DK06组件挂箱上环形分配器产生的逆变器触发脉冲；当"Ⅱ桥工作状态指示"指示为"其它"时,Ⅱ组晶闸管上的触发脉冲为来自GT（变流桥触发电路）板的双窄脉冲。

"触发电路脉冲指示"和"Ⅱ桥工作状态指示"由控制柜内GT板和AP2板上的钮子开关来分别控制。

5．面板仪表

电源面板下部设置有±2000r/min的转速表、±300V直流电压表,±2A的直流电流表,均为中零式,能为可逆调速系统提供转速、电压、电流指示。

转速表的输入信号为测速发电机的输出信号,如实际转速与指示转速不相符,可打开控制屏后盖,调节表后部的电位器进行校正,使两者相符。

面板上部有交流电压表和交流电流表,可供交流调速系统实验时使用。

二、主电路及触发电路部分

该部分面板装有12只晶闸管、6只整流二极管、触发电路、脉冲功放电路及同步变压器、电抗器等,其面板如图2-2所示。

1．功率半导体元件

面板上有两组晶闸管变流桥。

其中VTl~VT6为正组桥（I组桥）,由KP5-8晶闸管元件构成,一般不可逆系统、可逆系统的正桥、交-直-交变频器的整流部分均使用正组元件，由VT1ˊ~VT6ˊ组成反组桥（Ⅱ组桥）,元件为KP5-12晶闸管,可逆系统的反桥、交-直-交变频器的逆变部分使用反组元件；同时还配置了六只整流二极管VDl~VD6,可用作串联二极管式逆变器中的二极管,也可构成不可控整流桥作为直流电源,元件的型号为KZ5-10。

所有这些功率半导体元件均配置有阻容吸收、熔丝保护,电源侧、直流环节、电机侧均配置有压敏电阻或阻容吸收等过电压保护措施。

2．同步变压器

面板上部为同步变压器,其连线已在内部接好,连接组为△/Y-1。

可在"同步电源观察孔"观察同步电源的相位。

3．电抗器

主回路中使用的平波电抗器L放置在面板的中间,共有4档电感值,分别为50mH、100mH、200mH、700mH,可根据实验需要选择电感值。

4．触发电路

面板上有GTF正组（I组）触发（脉冲）装置和GTR反组（Ⅱ组）触发（脉冲）装置,分别通过开关连至VF正组晶闸管和VR反组晶闸管的门极、阴极。

开关拨向"接通"时,晶闸管上接有触发脉冲；开关拨向"断开"时,晶闸管上没有触发脉冲。

正、反组的脉冲功放电路分别由Ublf和Ublr控制,将Ublf、Ublr接地,则相应的脉冲功放级开放,晶闸管上有脉冲Ublf、Ublr悬空,则相应的晶闸管桥无脉冲。

开关上方有"单脉冲观察孔"和"双脉冲观察孔",当"触发电路脉冲指示"为"窄"时,在此两组观察孔中观察到的分别是单脉冲和互差为60°的双脉冲；如"触发电路脉冲指示"为"宽"时,则观察到的是后沿固定、前沿可变的宽脉冲链。

这两组观察孔一般只观察正组变流桥的触发脉冲。

面板右上角有"锯齿波斜率调节与观察孔"、"移相控制电压"和"偏移电压"。

从锯齿波斜率调节观察孔中能观察到集成触发电路a、b、c三相的锯齿波,调节相应的电位器可使锯齿波斜率发生变化,要求a、b、c三相的锯齿波斜率相同。

偏移电压调节电位器可调节偏移电压Ub的数值。

移相控制电压输入端应接实验时所需的移相电压Uct。

5．串联电感及电阻

在面板的左下角安放着三组供串联电感式变频调速系统实验使用的电感及电阻。

3-8DK11组件挂箱（晶阐管触发电路）

DKll挂箱为晶闸管触发电路专用挂箱,其中有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。

面板左上方装有同步变压器原边绕组的接线柱,下有“触发选择开关",可根据需要选择"单结管"、"正弦波"、"锯齿波"等触发电路。

一、锯齿波同步移相触发电路

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,其原理图如图3-34所示。

图3-34锯齿波同步移相触发电路原理图

由VTl、VD1、VD2、C5等元件组成同步检测环节,其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。

由VT1等元件组成的恒流源电路及VT2、VT3、C6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UJ在VT4基极综合叠加,从而构成移相控制环节。

VT5、VT6构成脉冲形成放大环节,脉冲变压器输出触发脉冲,电路的各点电压波形如图3-35所示。

元件RPl、RP2均安装在DK11组件挂箱的面板上,同步变压器副边已在挂箱内部接好。

触发电路的士15V电压由左下角的开关控制,其上方的另一个开关为选择开关。

进行锯齿波同步移相触发电路实验时,选择开关拨向"触发电路",而做单相桥式整流电路实验时,将选择开关拨向“单相桥式"。