14级电力电子技术实验指导书10.docx
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14级电力电子技术实验指导书10
电力电子技术
实验指导书
实验一锯齿波同步移相触发电路实验
一、实验目的
（1）熟悉锯齿波同步移相触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。
（2）掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。
（3）熟悉与掌握锯齿波同步移相触发电路及其主要点的波形测量与分析。
（4）熟悉锯齿波同步移相触发电路故障的分析与处理。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
MEC01电源控制屏
该控制屏包含“三相交流电源”等模块
2
PAC14晶闸管触发电路组件
该挂箱包含“锯齿波同步移相触发电路”等模块
3
PAC09A交直流电源、变压器及二极管组件
该挂箱包含“±15V”直流电源等几个模块
4
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
锯齿波同步移相触发电路I、II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1所示。
图1锯齿波同步移相触发电路I原理图
由V3、VD1、VD2、C1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。
锯齿波的形成电路如图1中的恒流源（V1,R2,RP1,R3,V2）及电容C2和开关管V3所组成。
由V1、R2组成的稳压电路对V2管设置了一个固定基极电压，则V2发射极电压也恒定。
从而形成恒定电流对C2充电。
当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。
调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。
控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。
V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图2所示。
本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180°，供单相整流及逆变实验用。
电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。
图2锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形（α=900）
四、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。
（3）锯齿波同步移相触发电路故障的分析与处理。
五、实验方法
（1）用两根4号导线将MEC01电源控制屏“三相交流电源”的单相220V交流电接到PAC09A的单相同步变压器“～220V”输入端，再用三根3号导线将“～7V”输出端接PAC14“锯齿波同步触发电路”模块“～7V”输入端，三根2号导线将PAC09A组件的一路±15V直流电源接到PAC14的±15V输入端口。
打开PAC09A电源开关后，按下MEC01的“启动”按钮，这时触发电路开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
①同时观察同步电压和“1”点的电压波形，分析“1”点波形形成的原因。
②观察“1”、“2”点的电压波形，了解锯齿波宽度和“1”点电压波形的关系。
③调节电位器RP1，观测“2”点锯齿波斜率的变化。
④观察“3”～“6”点电压波形和输出电压的波形，记下各波形的幅值与宽度，并比较“3”点电压U3和“6”点电压U6的对应关系。
（2）调节触发脉冲的移相范围
将控制电压Uct调至零（将电位器RP2顺时针旋到底），用示波器观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压Ub（即调RP3电位器），使α=170°，其波形如图3所示。
图3锯齿波同步移相触发电路
（4）调节Uct（即电位器RP2）使α=60°，观察并记录U1～U6及输出“G、K”脉冲电压的波形，标出其幅值与宽度，并记录在下表中（可在示波器上直接读出，读数时应将示波器的“V/DIV”和“t/DIV”微调旋钮旋到校准位置）。
U1
U2
U3
U4
U5
U6
幅值（V）
宽度（ms）
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）总结锯齿波同步移相触发电路移相范围的调试方法，如果要求在Uct=0的条件下，使α=90°，如何调整？
（3）对实验过程中出现的故障现象作出书面分析。
。
实验二单相半波可控整流电路实验
一、实验目的
（1）掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。
（2）掌握单相半波可控整流电路在电阻性负载及电阻电感性负载时的工作以及其整流输出电压（Ud）波形。
（3）了解续流二极管的作用。
（4）熟悉单相半波可控整流电路故障的分析与处理。
二、实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
MEC01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等模块
2
PAC10晶闸管及电抗器组件
该挂箱包含“晶闸管”、“电抗器”等模块
3
PAC09A交直流电源、变压器及二极管组件
该挂箱包含“±15V”直流电源等几个模块
4
PAC14晶闸管触发电路组件
该挂箱包含“单结晶体管触发电路”等模块
5
MEC21直流数字电压、电流表
6
MEC42可调电阻器
7
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
将PAC14挂件上的单结晶体管触发电路的输出端“G1”和“K1”接到PAC10挂件面板上的任意一个晶闸管的门极和阴极，接线如图4所示。
图中的R负载用MEC42挂箱的450Ω电阻（将两个900Ω接成并联形式）。
电感Ld在PAC10面板上，有100mH、200mH两档可供选择，本实验中选用200mH，二极管VD1在PAC09A面板上。
直流电压表及直流电流表从MEC21挂箱上得到。
图4单相半波可控整流电路接线图
四、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并记录。
（3）单相半波可控整流电路带电阻性负载时Ud/U2=f（α）特性的测定。
（4）单相半波可控整流电路带电阻电感性负载时续流二极管作用的观察。
（5）单相半波可控整流电路排故训练。
五、实验方法
（1）单相半波可控整流电路故障的设置与排除请参照第二章相关内容。
（2）单结晶体管触发电路的调试
用两根4号导线将MEC01电源控制屏“三相交流电源”的单相220V交流电接到PAC09A的单相同步变压器“～220V”输入端，再用两根3号导线将“～60V”输出端接PAC14“单结晶体管触发电路”模块“～60V”输入端，按下“启动”按钮，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压等波形。
调节移相电位器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30°～170°范围内移动?
（3）单相半波可控整流电路接电阻性负载
触发电路调试正常后，按图4电路图接线。
将电阻器调在最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形，调节电位器RP，观察α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud、UVT的波形，并测量直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
Ud=0.45U2（1+cosα）/2
（4）单相半波可控整流电路接电阻电感性负载
将负载电阻R改成电阻电感性负载（由电阻器与平波电抗器Ld串联而成）。
暂不接续流二极管VD1，在不同阻抗角[阻抗角φ=tg-1（ωL/R），保持电感量不变，改变R的电阻值,注意电流不要超过1A情况下，观察并记录α=30°、60°、90°、120°时的直流输出电压值Ud及UVT的波形。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（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UVD1波形的变化。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud=0.45U2（l十cosα）/2
六、实验报告
（1）画出α=90°时，电阻性负载和电阻电感性负载的Ud、UVT波形。
（2）画出电阻性负载时Ud/U2=f（α）的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。
（3）分析实验中出现的故障现象，写出体会。
七、注意事项
（1）参照第一节的注意事项。
（2）在本实验中触发电路选用的是单结晶体管触发电路，同样也可以用锯齿波同步移相触发电路来完成实验。
（3）在实验中，触发脉冲是从外部接入PAC10面板上晶闸管的门极和阴极，此时,请不要用扁平线将PAC10、PAC13的正反桥触发脉冲“输入”“输出”相连，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。
（4）为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意以下几点：
①在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。
②在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到零，且将负载电阻调到最大阻值处；接通主电路后，才可逐渐加大控制电压Uct，避免过流。
③要选择合适的负载电阻和电感，避免过流。
在无法确定的情况下，应尽可能选用大的电阻值。
（5）由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其通过的电流不能太小，否则可能会造成晶闸管时断时续，工作不可靠。
在本实验装置中，要保证晶闸管正常工作，负载电流必须大于50mA以上。
（6）在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，而在锯齿波触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验就无法顺利完成。
（7）使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。
实验三单相桥式半控整流电路实验
一、实验目的
（1）掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。
（2）熟悉单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时的工作情况。
（3）了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。
二、实验所需挂箱及附件
序号
型号
备注
1
MEC01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”模块
2
PAC10晶闸管及电抗器组件
该挂箱包含“晶闸管”、“电抗器”模块
3
PAC14晶闸管触发电路组件
该挂箱包含“锯齿波同步触发电路”模块
4
PAC09A交直流电源、变压器及二极管组件
该挂箱包含“±15V”直流电源及功率二极管等几个模块
５
MEC21直流数字电压、电流表
6
MEC42可调电阻器
7
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
实验接线如图5所示，两组锯齿波同步移相触发电路均在PAC14挂件上，它们由同一个同步变压器保持与输入的电压同步，触发信号加到共阴极的两个晶闸管上，图中的R用450Ω可调电阻（将MEC42上的两个900Ω接成并联形式），晶闸管VT1、VT3及电感Ld均在PAC10面板上，Ld有100mH、200mH两档可供选择，本实验用200mH，二极管VD1、VD2、VD4在PAC09A挂箱上，直流电压表、电流表从MEC21挂箱获得。
图5单相桥式半控整流电路实验接线图
四、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排故训练。
五、实验方法
（1）单相桥式半控整流电路故障的设置与排除请参照第二章相关内容。
（2）用两根4号导线将MEC01电源控制屏“三相交流电源”的单相220V交流电接到PAC09A的单相同步变压器“～220V”输入端，再用三根3号导线将“～7V”输出端接PAC14“锯齿波同步触发电路”模块“～7V”输入端，PAC09A的一路“±15V”直流电源接到PAC14的“±15V”输入端，打开PAC09A的电源开关，按下MEC01的“启动”按钮，这时触发电路开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
（3）锯齿波同步移相触发电路调试：
其调试方法与第二节相同。
令Uct=0时（RP2电位器顺时针转到底），α＝170o。
（4）单相桥式半控整流电路带电阻性负载：
按5接线，主电路接可调电阻R，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管两端电压UVT1和整流二极管两端电压UVD2的波形，调节锯齿波同步移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并记录在不同α角时Ud、UVT1、UVD2的波形，测量相应交流电源电压U2和直流负载电压Ud的数值，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud=0.9U2（1+cosα）/2
（5）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，将负载换成为平波电抗器Ld（200mH）与电阻R串联。
②不接续流二极管VD1，接通主电路，用示波器观察不同控制角α时Ud、UVT1、UVD2、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
③在α=60°时，断开主电路，然后移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），再给主电路通电，观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD2、UVD4、Id的波形。
④接上续流二极管VD1，接通主电路，观察不同控制角α时Ud、UVD3、Id的波形，并测定相应的U2、Ud数值，记录于下表中：
α
30°
60°
90°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
⑤在接有续流二极管VD1及α=60°时，断开主电路，然后移去触发脉冲（将锯齿波同步触发电路上的“G3”或“K3”拔掉），再给主电路通电，观察并记录移去脉冲前、后Ud、UVT1、UVT3、UVD2、UVD4、Id的波形。
六、实验报告
（1）画出电阻性负载、电阻电感性负载时Ud/U2=f（α）的曲线。
（2）画出电阻性负载、电阻电感性负载，α角分别为30°、60°、90°时的Ud、UVT1的波形。
（3）说明续流二极管对消除失控现象的作用。
（4）对实验过程中出现的故障现象作出书面分析。
七、注意事项
在实验中，触发脉冲是从外部接入PAC10面板上晶闸管的门极和阴极，此时,请不要用扁平线将PAC10、PAC13的正反桥触发脉冲“输入”“输出”相连，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。
实验四 三相半波可控整流电路实验
一、实验目的
（1）理解三相半波可控整流电路的工作原理。
（2）熟悉三相半波可控整流电路在电阻性负载和电阻电感性负载时的工作情况。
（3）熟悉三相半波可控整流电路故障的分析与处理。
二、实验所需挂箱及附件
序号
型号
备注
1
MEC01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”模块
2
PAC10晶闸管及电抗器组件
该挂箱包含“晶闸管”、“电抗器”模块
3
PAC13三相TCA785触发电路组件
该挂箱包含“锯齿波同步触发电路”模块
4
PAC09A交直流电源、变压器及二极管组件
该挂箱包含“±15V”直流电源及功率二极管等几个模块
５
MEC21直流数字电压、电流表
6
MEC42可调电阻器
7
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
三相半波可控整流电路用了三只晶闸管，与单相电路比较，其输出电压脉动小，输出功率大。
不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率较低。
图6中晶闸管用PAC10中的三个，电阻R用450Ω可调电阻（将两个900Ω接成并联形式），电感Ld用PAC10面板上的200mH，其三相触发信号由PAC13内部提供，只需在其外加一个给定电压接到Uct端即可，给定电压在PAC09A挂箱上。
直流电压、电流表由MEC21获得。
图6三相半波可控整流电路实验原理图
四、实验内容
（1）三相半波可控整流电路带电阻性负载。
（2）三相半波可控整流电路带电阻电感性负载。
（3）三相半波可控整流电路的排故训练
五、实验方法
（1）三相半波整流电路故障的设置与分析请参考第二章相关内容
（2）PAC10和PAC13上的“触发电路”调试
①打开MEC01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用2号导线将PAC09A的一组“+24V、+15V、-15V、GND1”直流电源输出接到PAC13的对应输入端。
将PAC09A面板上的三相同步变压器接成Y/Y型，输入端用4号导线接MEC01电源控制屏上的“三相交流电源”（输出不可调节），输出端用3号导线和PAC13的三相同步信号输入端“A”、“B”、“C”相连，打开PAC09A电源开关。
③按下MEC01的“启动”按钮，观察a、b、c三相同步正弦波信号，并调节三相同步正弦波信号幅值调节电位器（在各观测孔下方），使三相同步信号幅值尽可能一致；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、高度尽可能一致。
④将PAC09A上的“给定”输出Ug与PAC13的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到停止位置（即Uct=0），调节PAC13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°。
⑤将S1拨到正给定、S2拨到运行，适当增加给定Ug的正电压输出，观测PAC13上“VT1～VT6”的波形。
⑥将PAC13面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将PAC13的“正桥触发脉冲输出”端和PAC10“触发脉冲输入”端相连，观察VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常，此步骤结束后按下MEC01的“停止”按钮。
（3）三相半波可控整流电路带电阻性负载
按图6接线，将电阻器放在最大阻值处，按下MEC01电源控制屏上的“启动”按钮，PAC09A上的“给定”从零开始，慢慢增加移相电压，使α能从30°到170°范围内调节，用示波器观察并纪录α=30°、60°、90°、120°、150°时整流输出电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形，并纪录相应的电源电压U2及Ud的数值于下表中
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
计算公式:
Ud＝1.17U2cosα（0～30°）
Ud=0.675U2[1+cos（α+
）]（30°～150°）
（4）三相半波整流带电阻电感性负载
将PAC10上200mH的电抗器与负载电阻R串联后接入主电路，观察不同移相角α时Ud、Id的输出波形，并记录相应的电源电压U2及Ud、Id值，画出α＝90o时的Ud及Id波形图。
α
30°
60°
90°
120°
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
六、实验报告
绘出当α＝90o时，整流电路供电给电阻性负载、电阻电感性负载时的Ud及Id的波形，并进行分析讨论。
七、注意事项
整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序，必须一一对应。
实验五直流斩波电路的性能研究
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、实验所需挂箱及附件
序号
型号
备注
1
MEC01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
PAC09A交直流电源、变压器及二极管组件
该挂箱包含“±15V”直流电源及功率二极管等几个模块
3
PAC20直流斩波电路组件
4
MEC42可调电阻器
5
MEC21直流电参数表组件
6
慢扫描示波器
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7所示。
图中V为全控型器件IGBT。
D为续流二极管。
由图7b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7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8所示。
电路也使用一个全控型器件V。
由图8b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8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9所示。
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时
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