电力电子技术指导.docx

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电力电子技术指导

西安外事学院

实验实训指导书

★电力电子技术

★电机与拖动基础

★交直流调速系统

工学院自动化教研室

2013-10-10

目录

前言.........................................................................1

实验一、单相桥式半控整流电路与单结晶体管触发电路的研究.........................1

实验二、晶闸管直流调速系统....................................................7

实验三、IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波电路、升降压电路的研究.........14

实验四、单相交流调压电路及集成锯齿波触发电路的研究............................18

实验五、BJT单相并联逆变电路.................................................21

实验六、单相交流（过零触发）调功电路的研究...................................23

实验七、三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流电路及三相集成触发电路的研究........27

实验八、双闭环三相晶闸管全控桥式整流直流调速系统的调试................36

实验九、三相交流调压电路.....................................................42

实验十、给定积分电路的研究...................................................58

实验十一、SG3731专用PWM集成电路控制的直流位置随动系统........................61

*实验十二、锯齿波移相触发电路................................................69

前言

一、明确实验、实训的意义

1、实验、实训的着眼点是学生能力的培养实验、实训不仅为了验证书本理论，更重要的是提高学生的自学能力、分析能力、实践动手能力和创新能力。

其中包括规范操作的严格训练，电路的识读与分析，系统性能（或功能）的分析与改进，系统的调试与运行，以及故障的排除等。

此外还包括仪器的熟练使用。

2、实验要注意知识在生产实际中的应用，了解专业知识用于何处和怎样应用，经受接近生产现场技术应用的训练。

3、明确实训内容的立足点是系统性能的分析、改善和系统调试。

对电力电子及自动控制系统的实训，通常是在高年级学生中进行的，实训目的主要不是单元电路的连线，而是测定系统性能，进行性能分（包括数据分析与波形分析），改善系统的性能，排除可能出现的故障。

4、注意学习内容要符合当前技术应用的实际情况对电力电子电路，当前有：

（1）分列元件电路；

（2）由集成模块构成的电路；（3）整机的整定、调试与使用。

对当前技术应用来说，宜以集成模块构成的电路为主。

5、实验内容要精选，要注意它的典型性、先进性、实用性和可行性。

实验的个数不是越多越好。

因为学生进行实验的学时是有限的。

实验时，一定要从有限的实验学时（例如20~50学时）出发，优选若干个典型的、综合的、能发挥学生潜力的项目，使学生获得全面、扎实的训练，在能力上有明显的提高，并且使这种提高能通过考核加以确认，以实现教学效益最大化。

本实验装置及相应的指导书正是在上述指导思想下进行设计与安排的，请读者加以注意。

实验一、单相桥式半控整流电路

与单结晶体管触发电路的研究（4～6学时）

一、实验目的

1、熟悉单结晶体管触发电路的工作原理，测量相关各点的电压波形；

2、熟悉单相半波可控整流电路与单相半控桥式整流电路在电阻负载和电感负载时的工作情况。

分析、研究负载和元件上的电压、电流波形；

3、掌握由分列元件组成电力电子电路的测试和分析方法。

二、实验电路及工作原理

1、实验电路如图1-1所示；

2、实验电路的工作原理见相关《电力电子技术》教材或《自动控制原理与系统》（孔凡才编著）或

《自动控制系统》（孔凡才主编）。

三、实验设备

1、佳悦型电力电子实验装置单元1

2、万用表

3、双踪示波器

4、变阻器

四、实验内容与实验步骤

（一）单结晶体管触发电路的测试

1、将实验电路的电源进线端接到相应的电源上。

（虚线部分在交流电源单元上）（下同）

2、用双综示波器Y1测量~50V的电压UT的数值与波形，用Y2测量15V稳压管上的电压Uv（同

步电压）的波形，并进行比较（注意：

以0点为两探头的公共端）；

3、整定RP1与RP0，使RP2输出电压在0.5V～2.5V之间变化。

4、调节给定电位器RP2，使控制角α为60°左右。

①、测量单结晶体管V3（BT管）发射极电压（即电容C1上的电压UC1）的电压波形。

（以同步电

压为参考波形）；

②、测量V3输出电压波形U0；（即100Ω输出电阻上的电压）

③、测量脉冲变压器TP两端输出的电压波形UG1或UG2；

④、调节RP2观察触发脉冲移动情况（即控制角α调节范围；能否由0°→180°？

注①：

由于此电路的同步电压为近似梯形波，因此前、后均有死区，α调节范围一般为10°→170°

左右，甚至更小一些。

注②：

RP0整定最高速，RP1整定最低速，RP2调节速度。

（二）单相半波可控整流电路的研究（此实验可不做，直接做半控桥式电路）

以120V交流电接入主电路输入端，晶闸管VT1接入触发脉冲，而VT2则不接入触发脉冲（此时

主电路相当为一单相半波可控整流电路）。

1、电阻负载

①将电阻负载接入主电路输出端；（此处已接白炽灯）

②调节RP2，使控制角α分别为：

α=60°、α=90°和α=120°，测量负载上的电压波形，

及Ud数值。

（电流波形与电压波形相同）。

2、电阻—电感负载（不并接续流二极管）

①、将电感负载Ld与电阻负载Rd串联后接入主电路输出端。

此处电阻负载为变阻器，调至100

Ω左右，电感负载可借用380V/50V整流变压器的二次侧（即50V）绕组。

②、用示波器探头Y1测Ud波形，同时用探头Y2测Rd上的波形[注意Y1和Y2的接地端为公共端，

（可以主电路底线为公共端）]（Rd上的波形相当电流波形）。

③、调节RP0，使α=60°、α=90°和α=120°，记下相应的Ud值，电压与电流波形。

3、电阻—电感负载（并接续流二极管）

重复2中实验。

比较2、3实验中Ud及波形的差别。

（三）单相半控桥式整流电路的研究

1、电阻负载

①、以电阻负载接入半控桥主电路，为便于观察，已在输出端并联一只白炽灯，若不需要，则

可把灯泡拧去；

②、将两组触发脉冲分别加在两个晶闸管VT1和VT2上；

③、调节RP0，使控制角α分别为：

α=60°、α=90°和α=120°，测量负载上的电压Ud的

数值和波形（电阻上的电流波形与电压波形相同）；

④、测量晶闸管VT1两端的电压波形。

2、电阻－电感负载（先不并接续流二极管）

①、将电抗器与电阻串联后接入主电路；将主电路进线接在交流10V上。

将变阻器与电抗器串

联，调节变阻器使电流I=0.5A。

②、调节RP0，使控制角α分别为：

α=0°、α=30°、α=90°、α=120°和α=170°（最

大）时，负载的电压与电流波形，负载电压波形为Ud波形，负载电流波形（即电阻Rd上的电压波形）

（因电阻上电压、电流波形是相同的）。

注意：

以主电路底线为两探头的公共端；

③、在电路已进入稳定工作时，突然将控制角α增大到接近180°，或突然拔去一个触发脉冲，

半控桥有可能发生：

正在导通的晶闸管一直导通（波形成为半波整流），从而失去调节作用（产生“失

控现象”），试观察失控现象。

④、并接续流二极管后，再观察有无失控现象。

五、实验注意事项

1、由于电力电子实验中的数值和波形都比较复杂，涉及因数也较多，因此要理解与掌握电路工

作原理并对实验中要进行测量的数值和波形，做到心中有数。

以避免实验中盲目性。

2、使用双综示波器的两个探头同时进行测量时，必须使两个探头的地线端为同一电位的端点（因

示波器的两个探头的地线端是联在一起的），否则测量时会造成短路事故。

3、由于示波器探头公共端接外壳，而外壳又通过插头与大地相联，而三相电力线路的中线是接

大地的，这样探头地线便与电力中线相通了。

在进行电力电子实验，若用探头去测晶闸管元件时，

（若不用整流变压器时）便会烧坏元件或造成短路.因此,通常要将示波器接地线折去，或通过隔离

变压器对示波器供电（如本实验装置的插座均经过隔离变压器）。

六、实验报告

1、记录交流电压、同步电压、电容C1两端电压、V3（BT管）、输出电压的波形；

2、记录单相半波可控整流电路和单相半控桥式整流电路负载及VT1管的数据与波形。

（参见下表）

3、对不同性质负载，Ud与U2间的关系式是怎样的？

测量值与计算值是否相符？

4、分析波形是否有异常情况，若有，分析其原因，并提出改进办法。

实验二、晶闸管直流调速系统（4～6学时）

一、实验目的

1、分析晶闸管半控桥式整流电路电机负载（反电势负载）时的电压、电流波形；

2、熟悉典型小功率晶闸管直流调速系统的工作原理，掌握直流调速系统的整定与调试；

3、测定直流调速系统开环和闭环时的机械特性（选择提高）。

4、掌握直流调速系统的过电流保护和零压保护等环节的应用（选择提高）。

二、实验电路及工作原理

1、实验电路由二部分组成，它们是佳悦电力电子实验装置的第1单元（如图1-1所示）

和第2单元（如图2-1所示）。

组合后的电路如图2-2所示，此为一典型产品的电路图，组成此系

统的各单元如图2-3所示。

图2-3中各元件的文字符号与图2-1、图2-2有所不同，请注意。

图2-2典型小功率直流调速系统电路图

图2-3典型直流调速系统的组成框图

2、此电路的工作原理可见《自动控制原理与系统》（第3版）（孔凡才编著）或《自动控制系统》

（孔凡才主编）（机械工业出版社）。

现再作一些补充说明：

①、此实验中的单元1为主电路和触发电路，单元2为反馈电路和保护电路。

在单元2中，RI为串联在电路中的取样电阻，它两端的电压与通过的电流Id成正比，此电压经分压后，作为电流反馈信号输出。

其中经电位器RP15分压输出的Ufi为电流正反馈信号，它与电压负反馈电压Ufv反向串联后，再与给定电压US叠加，作为控制信号ΔU=Us-Ufv+Ufi，（注意它们的极性），加到放大器的输入端。

②、由于直流电动机起动时，转速n=0，导致反电势E=0，这样电机电枢电流Ia=（U-E）/Ra=U/Ra，而Ra一般很小，会造成直流电动机起动时电流过大（十几倍～几十倍额定电流）而烧坏电机和元件，因此必须设置限流环节。

在图2-2中，由电位器RP17分压输出的为电流截止负反馈电压（UIm1），它与由稳压管V1给出阈值电压（Uv1）进行比较，当主电路电流过大，UIm1＞Uv1时，稳压管击穿导通，它将使图1-1中的V4导通，而V4的导通将对电容C1构成分流旁路，使电容（充电）电压UC1上升减缓，从而延长UC1

到达BT管峰值的时间，即延迟触发脉冲产生的时刻，亦即增大控制角α，减小导通角θ，使整流输出电压减小，输出电流减小，从而起到限制电流过大的作用。

调节电位器RP17，通常整定使Im1=（1.2~1.5）IN（IN为额定电流）。

③、在工业上，有时为更可靠地防止电流过过大，还增设其他过电流保护环节，如在图2-2中，经电位器RP18分压输出的UIm2，当电流过大，UIm2＞UV2（稳压管V2阈值电压），它将使图2-2中的三极管T1导通，使继电器KA吸合。

而KA吸合，将使接触器KM失电，使串联在主电路中的KM常开触电断开，从而切断主电路的供电电源，起到可靠的过电流保护作用。

图2-4在整定时，通常使过电流动作电流Im2大

于截止电流Im1（如整定使Im2=1.5IN，Im1=1.2IN）。

④、由图2-2还可见，要使直流调速系统

得电运行，首先要按启动按钮SB2，使KM吸

合、并自锁。

SB1为停车按钮。

由KM构成的

电路除作过电流保护外，还兼作零压保护（即

断电后必须重新启动）。

⑤、调试时一般首先对控制回路各单元进行分

部调试，如检查电源、元件电压的波形与幅值、

触发电路各点电压波形与幅值、脉冲的波形和

移相以及放大器等单元是否正常。

启动后，用

示波器观察晶闸管元件上的电压波形，

电动机电枢电压和电枢电流波形。

元件上的波形见图2-4。

电枢电压和电流的波形

在电流断续和连续时是不同的。

电流断续时的波图2-4晶闸管元件上的电压波形

形参见图2-5。

三、实验设备

1、佳悦实验装置单元1和单元2；

2、直流电机机组为佳悦公司特制直流电动机，有两种。

一种是永磁直流电动机，其参数如下：

额定功率PN=123W，额定电压UN=110V，额定电流IN=1.7A，实验中取IN=1.2A，额定转速nN=1000r/min，额定转矩TN=1176mN.m。

另一种是他励直流电动机，其电枢电压与励磁电压均为110V，其他参数与前者相近，具体见电动机名牌。

3、测速、测矩、测功机及测量仪，具有转速n（r/min）、转矩T（mN.m）及机械功率P（W）显示（三位半显示），并有测速电压Un，输出（10V左右可调）。

（接线见附录）用变阻器即可改变测功机的输出电流，改变加载转矩。

测功机输出最大电流为2.0A。

（在实验中，最大电流取1.5A）。

4、万用表

5、双踪示波器

6、变阻器

四、实验内容与实验步骤

1、连接单元1、单元2和电机机组的连线，组成如图2-3所示的直流调速系统。

连线时，请注意：

主电路输入接120V交流电。

①Us、Ufv与Ufi的极性不要接错。

②图2-3中Ld采用单元一中的电抗器Ld。

③图2-3中为永磁式直流电动机，若为他励电动机，则由可调直流电源将励磁电压UF调至110V，并保持恒量。

2、将给定电位器RP2调至最低点。

3、先以变阻器取代电动机，并使阻值为最大，然后按启动按钮SB2启动调速电路。

调节Us及变阻器，使主电路电流Id=1.2IN=1.2×1.2≈1.4A，调节RP3，使V4由截止变为导通状态。

4、拔去UIm1连线，继续调节Us及变阻器，使主电路电流Id=1.5IN=1.5×1.2=1.8A，调节RP4，使KA刚好动作。

5、整定RP0与RP1，使RP2的输出在0.5V～8.0V之间变化。

在整定参数时，通常使额定值时，RP2输出Us＝8.0V。

在电机在额定电压Ud＝110V，运转时，调节RP16，使Ufv≈7V（略小于Us），同时调节RP15，使Ufi＝0，待实验后，电机已正常运转。

6、将Us调至最低，并以电动机取代变阻器，然后逐渐增大Us，使电动机旋转。

7、空载时，调节Us，使电动机两端平均电压分别为110V、90V、70V、50V，测量此时电机的转速数值以及电压与电流波形。

五、实验时应注意的问题

1、本实验由三个单元构成，连接很容易出错，尤其极性容易搞错，因此连线时，要认定一个起始端，逐个向下连接，并注意它们的极性是否符合要求。

2、由于调速系统很容易形成振荡，因此加反馈量时，负反馈量可调大些（但不可超过给定值），正补偿量则先调小些，，然后再增加。

正补偿量过大，可能导致系统振荡。

3、增加机械负载时，先使测功机输出开路，然后将变阻器调至最大值，再接上变阻器。

六、实验报告要求

1、画出半控桥式整流电路电动机负载时的电压、电流波形。

实验三、IGBT管的驱动、保护电路的测试

及直流斩波电路、升降压电路的研究（4～6学时）

一、实验目的

1、熟悉直流斩波电路及升、降压电路的工作原理。

2、掌握IGBT器件的应用。

驱动模块EXB841电路的驱动与保护环节的测试。

3、掌握脉宽调制电路的调试及负载电压波形的分析。

二、实验电路及工作原理

（一）实验电路见图3-1

（二）实验电路的工作原理

1、直流斩波电路

220V单相交流电经整流变压器TR，降为50V交流电，再经桥堆B及滤波电容C5、C6后，变为直流电，其幅值在45V～70V之间，视负载电流大小而定。

直流电路的负载为110V、25W白炽灯（或220V25W白炽灯），如今以绝缘栅双极晶体管（IGBT）

作为开关管，来控制直流电路的通、断，以调节负载上平均电压的大小。

这就是一个直流斩波电路。

2、IGBT管的驱动和保护电路

（1）IGBT管

IGBT管是一个复合元件，它的前半部分类似绝缘栅场效应管（是电压控制型，具有输入阻抗高的优点），后半部分类似双极晶体管（具有输出阻抗小、导通压降小、承受电流大的优点）。

它兼有场效应管和双极晶体管的优点，因而获得日益广泛的应用。

在图3-1中，G为栅极，C为集电极（又称漏极D），E为发射极（又称源极S）。

如今以EXB841模块为例，来介绍IGBT的驱动电路的工作原理。

EBX841型模块，可驱动300Α/1200VIGBT元件，整个电路信号延迟时间小于1μs，最高工作频率可达40～50kHz。

它只需要外部提供一个+20V的单电源（它内部自生反偏电压）。

模块采用高速光电耦合（隔离）输入，信号电压经电压放大和推挽（射极跟随）功率放大输出，并有过电流保护环节。

其功能原理图如图3-2所示，接线图如图3-3所示。

对照图3-2和图3-3可以看出，15脚接高电平（+5V）输入，14脚输入控制脉信号（输入负脉冲，使光电耦合器导通），光电耦合信号经电压放大器Α放大，再经发射极跟随功率放大后，由脚3输出，经限流电阻RG送至IGBT的栅极G，驱动IGBT导通工作。

稳压管VST1、VST2为栅极电压正向限幅保护。

集成模块中的电阻R′和稳压管VST′构成的分压，经1脚，为IGBT的发射极提供一个反向偏置（-5V）的电压，由于UGE=VG-VE，因此发射极电位VE的提高，相对UGE来说，为反向偏置。

若VE=5V，VG=0，则UGE=-5V<0，G-E结处于反偏。

这是由于IGBT为电压控制型器件，截止时容易因感应电压而误导通，所以通常设置一个较高的反向偏压（-5V），使IGBT提高抗干扰能力，可靠截止。

1脚还外接反向偏置电源的滤波电容和发射极的钳位二极管VD2（使发射极电位不低于0V）。

2．限流与限幅保护

图3-3中RG为栅极限流电阻，对6Α/500V元件，取RG=250Ω。

图3-3中VST1为栅极正向限幅保护，VST1稳压值为14V～15V（因EXB841输出高电平电压为14.5V）。

图3-3中VST2为栅极反向限幅保护，VST2稳压值为-5V（因为EXB841输出低电平电压为-4.5V）。

（4）EXB841为15脚模块，模块中其他脚号为空脚，故未标出。

3、脉冲宽度调制器采用由555定时集成电路构成的多谐振荡器（占空比可变，而频率不变），并经

过射极跟随器V2、R10输出（以提高带载能力）。

调节电位器RP，即可调节脉冲宽度。

由〈电子技术〉可知：

（１）脉冲周期

Ｔ＝０.７（Ｒ５＋ＲＰ＋Ｒ4）Ｃ4

＝０.７×（０.６２＋４.７＋０.１５）×０.２２ｍｓ

＝０.８４ｍｓ

脉冲频率ｆ＝１／Ｔ＝１／（0.84×10-3）Ｈz≈１２００Ｈz

（２）脉宽调节范围

tω＝０.７〔Ｒ５～（Ｒ５＋ＲＰ）〕Ｃ４

＝０.７〔０.６２～（０.６２＋４.７）〕×０.２２ｍｓ

＝（０.１～０.８２）ｍｓ

（３）占空比

ｑ＝０.１／０.８４～０.８２／０.８４＝１２％～９８％

４、为了使脉冲调制器输出低电平时，V１能可靠截止，因此在V１的基极处加一个由＋５Ｖ和－５Ｖ电源及Ｒ６、Ｒ７构成的负偏置电路。

ＶＤ６为V１基极反向限幅保护。

三、实验设备

1、佳悦型实验装置单元3。

2、电源：

＋２０Ｖ、＋５Ｖ、－５Ｖ三组。

接实验装置下方直流电源。

3、示波器

5、万用表

6、变阻器

四、实验内容与步骤

（一）直流斩波降压电路

1、直流斩波降压电路如图3-2所示。

对照图3-1，和图3-2，完成直流斩波降压电路连线。

2、将（+20V、+5V、-5V）接入线路板相应电源插口。

注意电压＋、－极性不可接错。

3、测量各电压的幅值是否正确。

4、用示波器和万用表测量主电路（50V整流电路）输出电压的幅值和波形。

5、调节RP，用示波器测量脉冲的宽度和幅值，观察他们的变化，并作记录。

7、在脉冲信号电压及主电路电压（幅值与波形）正常的情况下，接上负载（灯泡）及脉冲输入信号。

8、使占空比为50%上时，测量负载平均电压UL的幅值与波形，并测量IGBT管UCB和UGE数值。

9、使占空比分别为15％、30％，最大（98％）时，重复步骤７，即再测UL、UCB、UGE的数值。

（二）验证EXB841驱动模块的保护功能。

负载电压最高时，将二极管ＶD1至IGBT管集电极的连线断开（设置人为IGBT过载信号），观察保护电路工作情况（测量负载电压及UGE、UCE电压），并作记录。

（三）直流斩波升降压电路。

1、图3-3为直流斩波升降压电路示意图。

对照图3-1和图3-3，完成直流斩波升降压电路连线。

图中C为电解电容（1000μF╱450V），VD为功率二极管，L为电感线图（此处可借用380V/50V

整流变压器二次侧绕组），R为变阻器，以防流过IGBT的电流过大（电流I<1Α）。

升降压电路的工作原理是，当IGBT导通时，有电流通过电感L，当IGBT截止时，电感L保持电流不变的特性，将向电容C充电，电容两端电压即负载RL上的电压。

电感L的电流愈大，储存的磁场能量愈大，则放电时在电容C生成的电压就愈高。

调节变阻器阻值R，改变电感电流，即可改变电容（亦即负载RL）的电压。

由于负载电压是靠电感放电形式的，所以其极性是下正上负。

2、重复实验

（一）中的步骤7与8。

五、实验报告要求

1、整理记录直流斩波降压电路在占空比分别为15%、30%、50%、98%时负载平均电压UL的数值与波

形和IGBT管UGE、UCE数值。

2、整理记录直流斩波升、降压电路在占空比分别为15%、30%、50%和98%时负载平均电压的数值、

极性与波形。

3、分析EXB841驱动模块的过流保护作用。

实验四、单相交流调压电路及集成锯齿波触发电路的研究（4学时）

一、实验目的

1、熟悉集成锯齿波移相触发电路（KC05）的工作原理，测定KC05电路主要工作点的电压波形。

2、掌握单相交流调压电路的工作原理，测定移相控制的单相交流调压电路电阻负载上的电压波形。

二、实验电路及工作原理

1、实验电路如图4-1所示。

2、电路的工作原理

此电路主要由是以KC05集成触发电路为核心的单相交流调压电路，现对各部分的工作原理简单介绍如下：

（１）KC05集成触发电路的基本构成和工作原理KC05内部的基本构成如图4-2所示。

KC05晶闸管移相触发器适用于双向晶闸管或两只反向并联晶闸管电路的交流相位控制，具有锯齿波线性好，移相范围宽，控制简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调压的专用的触发电路。

下面简述KC05晶闸移相触发器的工作原理。

图4-2是KC05晶闸管移相