电力电子技术实验讲义.docx
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电力电子技术实验讲义
电力电子技术
实验指导书
福建工程学院
2010年11月
目录
电力电子实验的基本要求及注意事项1
实验一锯齿波同步移相触发电路和单相桥式半控整流电路3
实验二三相桥式全控整流电路实验7
实验三单相交流调压电路研究9
实验四直流斩波电路（设计性）的性能研究11
电力电子实验的基本要求及注意事项
（一）电力电子实验的重要性和基本要求
电力电子实验是《电力电子技术》课程理论与实践相结合的重要环节，由于电力电子技术的广泛应用，其重要性愈加突出。
目前，电力电子技术已成为一门基础性和支持性很强的学科。
同时，由于电力电子技术是一门实用性很强的技术，因此实验环节就显得很重要。
电力电子实验的目的就在于使学生理解和掌握课堂上所学的基础理论、培养学生掌握基本的实验方法与操作技能，因此同学们在实验前一定要认真复习电力电子技术的有关内容，提前对实验有一个全面的了解，诸如实验线路如何连接？
实验有哪几个步骤？
要测量哪些波形、数据等。
做了这些必要的准备工作后，就能在实验中做到心中有数，有的放矢。
实验结束后通过对所得到波形、数据的整理、分析和计算，得出必要的结论并和书本上的讲解相印证，最后写出完整的实验报告。
整个实验过程中必须严肃认真，集中精力，以严谨的科学态度做好实验，切实掌握好电力电子技术这门课程。
一、实验前的准备
实验前应充分预习电力电子技术的相关试验内容，认真阅读《电力电子技术实验指导书》，了解实验目的、内容、方法与步骤，并应写出预习报告，其中包括实验名称、实验线路图、实验步骤、数据计算公式等。
二、实验的进行
１．每次实验以小组为单位，每组由3～4人组成，并推选组长1人。
组长负责组织实验的进行，合理分配接线、调节、测量及记录等项工作。
２．实验接线前应首先熟悉试验台的各个组件。
３．接线时，主接线和控制线要区分开，导线长短选取要合适，最好任意一个接点不要多于两根导线，并应尽量减少导线的相互交叉，提高实验的安全性。
４．接线完毕后务必请实验指导教师检查线路，确认无误后方可合闸上电进行实验。
若实验过程中需改换接线，一定要断电操作，并经指导教师检查方可试验。
５．在实验操作过程中，如发生故障，首先应立即切断电源，并请指导教师检查分析故障原因，待故障排除后再进行实验。
６．实验完毕后，应先将试验数据交指导教师审阅，经指导教师认可后才允许拆线，然后将实验设备、导线及工具等整理归位。
三、实验报告
实验报告应根据实验目的、实测数据及在实验中观察和发现的问题，经分析研究得出结论，或通过分析讨论写出心得体会。
实验报告应简明扼要，字迹清楚，图表整洁，结论明确，内容包括：
１．实验名称、专业班级、组别、姓名、同组同学姓名、实验日期。
２．扼要写出实验目的和实验项目。
３．绘出实验所用线路图。
４．整理实验中记录下的各个波形。
５．绘制曲线时必须使用坐标纸，图纸尺寸不应小于80×80（毫米×毫米），坐标比例应适当选取，曲线要用曲线板光滑绘出，不在曲线上的点仍要按实际数据予以标出。
６．结论部分。
根据实验结果进行计算分析，最后得出结论乃是由实践上升到理论的巩固提高过程，是实验报告很重要的一部分。
结论可以根据不同实验方法所得结果进行比较，讨论各种不同实验方法的优缺点，说明实验结果与理论是否相符及原因分析，亦可写出通过实验的收获和心得体会。
实验报告应写在统一规格的实验报告纸上，并保持清洁整齐。
每次实验每人独立完成实验报告一份，按时交指导教师批阅。
（二）电力电子实验安全操作注意事项
电力电子实验所用电为强电，因此安全问题相当重要，为确保实验时人身安全与设备安全，要严格遵守实验室的安全操作规程，电力电子实验的安全操作注意事项如下：
一、人体不可接触带电线路或带电端子。
二、学生独立完成接线或改接线路后，必须经指导教师检查允许，招呼全组同学引起注意后，才可以合上电源。
实验中如发生故障，应首先立即切断电源，保护现场，并报告指导教师，待查清问题并妥善处理故障后，才能继续进行实验。
三、决不允许带电进行改接线路。
四、示波器使用时，应注意不可同时测量主回路强电信号和控制回路的弱电信号。
五、使用万用表时，应注意交流、直流和电阻档的切换，同时要注意量程的选择，以防测量错误烧毁万用表。
六、实验室总电源由实验室工作人员掌管，其它人员不得擅自乱动。
实验一锯齿波同步移相触发电路和单相桥式半控整流电路
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。
3．研究单相桥式半控整流电路在电阻负载、电阻—电感性负载的工作。
4．掌握双踪示波器在电力电子线路实验中的使用特点与方法。
二、实验线路及原理
单相桥式半控整流电路原理图及面板示意图见图1-1。
锯齿波同步移相触发电路，见图1-2，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。
图1-1单相桥式半控整流电路原理图及面板示意图
图1-2锯齿波触发电路图
三、实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．NMCL—05E组件
4．MEL—03A组件
5．NMCL—31组件
6．双踪示波器
7．万用表
四、实验内容和方法
1．锯齿波同步触发电路的调试及各点波形观察、分析。
（a）．将NMCL-05E面板上左上角的同步电压输入接NMCL—32的U、V端。
（b）．合上主电路电源开关，并打开NMCL—05E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。
（c）．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NMCL—05E面板的RP2），使=150O。
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，=150O，Uct=Umax时，=30O，以满足移相范围=30O~150O的要求。
（d）．调节Uct，使=90O，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。
2．单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载：
按图1-1原理图接线，注意先画出具体的接线图，将锯齿波触发电路的脉冲输出G1、K1、G3、K3接到到晶闸管的门极和阴极。
不接VDR续流二极管，并短接平波电抗器L=700mH。
调节电阻负载RD（可选择900Ω电阻并联，最大电流为0.8A）至最大。
经教师检查后方能通电。
（a）NMCL—31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源，调节NMCL-31的给定电位器RP1，使α=90°，测取此时整流电路的输出电压Ud，输出电流id以及晶闸管端电压UVT1波形，并用万用表测定交流输入电压U2、整流输出电压Ud，验证
。
若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中RP1，RP3电位器。
（b）采用类似方法，分别测取α=60°，α=30°时的Ud、id、Uvt波形。
3．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载
（a）接上续流二极管，接上平波电抗器。
NMCL—31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
（b）合上主电源，调节Uct，使α=90°，测取输出电压Ud=f（t），整流电路输出电流id=f（t）波形，并分析二者的关系。
调节电阻RD，观察id波形如何变化，注意防止过流。
（c）调节Uct，使α分别等于60°、30°时，测取Ud，iL，id波形。
（d）断开续流二极管，观察Ud，id波形。
突然切断触发电路，观察失控现象并记录Ud波形。
若不发生失控现象，可调节电阻Rd。
五、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，晶闸管整流电路的正确操作步骤：
（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）断开整流电路时，应先把Uct降到零，使整流电路无输出，然后切断总电源。
3．注意示波器的使用。
4．NMCL—33的内部脉冲需断开。
六、实验报告要求
1．整理，描绘锯齿波同步触发电路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．绘出单相桥式半控整流电路供电给电阻负载、电阻—电感性负载情况下，当α=90°时的Ud、id、UVT等波形图并加以分析。
4．作出实验整流电路供电给电阻负载、电阻—电感性负载情况下的Ud/U2=f（α）曲线。
5．分析续流二极管作用及电感量大小对负载电流的影响。
七、思考
1．在可控整流电路中，续流二极管VD起什么作用？
在什么情况下需要接入？
2．能否用双踪示波器同时观察触发电路与整流电路的波形？
实验二三相桥式全控整流电路实验
一、实验目的
1．熟悉NMCL-33组件。
2．熟悉三相桥式全控整流电路的接线及工作原理。
二、实验线路及原理
实验原理图如图2-1所示。
主电路由三相全控变流电路组成。
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。
三相桥式整流电路的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。
图2-1a三相桥式全控整流电路原理图
三、实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．MEL—03A组件
4．NMCL—31组件
5．NMCL—35组件
6．双踪示波器
7．万用表
四、实验内容和方法
1．未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（a）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。
（b）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。
（c）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”。
（d）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2-1接线，要求负载端接入直流电流表，并将RD调至最大（450），串接上平波电抗器L=700mH。
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，晶闸管两端电压uVT的波形，并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值。
3．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。
五、实验报告要求
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．简单分析模拟故障现象。
实验三单相交流调压电路研究
一、实验目的
1．掌握采用自关断器件的单相交流调压电路的工作原理、特点、波形分析与使用场合。
2．熟悉PWM专用集成电路SG3525的组成、功能、工作原理与使用方法。
二、实验系统组成及工作原理
随着自关断器件的迅速发展，采用晶闸管移相控制的交流调压设备，已逐渐被采用自关断器件（GTR、MOSFET、IGBT等）的交流斩波调压所代替，与移相控制相比，斩波调压具有下列优点：
（1）谐波幅值小，且最低次谐波频率高，故可采用小容量滤波元件；
（2）功率因数高，经滤波后，功率因数接近于1。
（3）对其他用电设备的干扰小。
因此，斩波调压是一种很有发展前途的调压方法，可用于马达调速、调温、调光等设备。
本实验系统以调光为例，进行斩波调压研究。
斩波调压的主回路由MOSFET及其反并联的二极管组成双向全控电子斩波开关。
当MOS管分别由脉宽调制信号控制其通断时，则负载电阻RL上的电压波形如图4-1b所示（输出端不带滤波环节时），显然，负载上的电压有效值随脉宽信号的占空比而变，当输出端带有滤波环节时的负载端电压波形如图4-1c所示。
图4-1斩波调压的负载波形
脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生，有关SG3525的内部结构、功能、工作原理与使用方法等可参阅双闭环可逆直流脉宽调速系统实验。
控制系统中由变压器T、比较器和或非门等组成同步控制电路以确保交流电源的2端为正时，MOS管VT1导通；而当交流电源的1端为正时，MOS管VT2导通。
三、实验设备和仪器
1．NMCL-22实验挂箱
2．万用表
3．双踪示波器
四、实验内容和方法
1．SG3525性能测试
先按下开关S1。
（1）锯齿波周期与幅值测量（分开关S2、S3、S4合上与断开多种情况）。
测量“1”端。
（2）输出最大与最小占空比测量。
测量“2”端。
图4-2单相交流调压电路
2．控制电路相序与驱动波形测试
将“UPW”的2端与控制电路的4端相连。
将电位器RP左旋到底，按下开关S1、S6、S7，用双踪示波器观察并记录下列各点波形：
（1）控制电路的1、2与地端间波形，应仔细测量该波形是否对称互补；
（2）控制电路的3、5与地端间波形；
（3）主电路的4与5及6与5端间波形；
3．不带电感时负载与mos管两端电压波形测试
将主电路的3与4短接，将upw的电位器RP右旋到大致中间的位置，测试并记录负载与mos管两端电压波形。
4．带电感时负载与mos管两端电压波形测试
将主电路的3与4不短接，将upw的电位器RP右旋到大致中间的位置，测试并记录负载与mos管两端电压波形。
5．不同占空比k时的负载端电压测试
实验中，将电位器RP从左至右旋转4-5个位置，分别观察并记录SG3525的输出2端脉冲的占空比、负载端电压大小与波形
占空比K
25%
50%
75%
负载端电压（用万用表交流档测量）
Uo波形
6．不同载波频率时的滤波效果比较
使电感接入电路，在s2、s3、s4合上与断开多种情况下，观察并记录负载两端波形。
7．不同占空比k时的负载端谐波大小的测试
分别观察并记录RP左旋与右旋到底时的负载端波形，从而判断出占空比k大小对负载端谐波大小的影响。
8．输入电流的位移因数测试
（1）将主电路的3、4两端用导线短接，即不接入电感
（2）在不同占空比条件下，用双踪示波器同时观察并记录2与1端和2与6端间波形。
五、思考题
1．当主电路接纯电阻负载（即将电感短路）时，可见负载电压波形存在死区，其产生的原因是什么？
2．当主电路接电感性负载时，在电压的过零点会出现一尖峰脉冲，且其幅值随占空比的增大而增大。
试分析其产生的原因以及抑制的方法。
六、实验报告要求
1．整理实验中记录下的各类波形。
2．回答思考题的2个问题。
3．分析实验中出现的问题。
实验四直流斩波电路（设计性）的性能研究
一、实验目的
熟悉六种斩波电路（buckchopper、boostchopper、buck-boostchopper、cukchopper、sepicchopper、zetachopper）的工作原理，掌握这六种斩波电路的工作状态及波形情况。
二、实验设备及仪器
1．电力电子教学试验台主控制屏
2．NMCL-22组件
3．双踪示波器
4．万用表
三、实验内容和方法
按照面板上各种斩波器的电路图，取用相应的元件，搭成相应的斩波电路即可。
1．SG3525性能测试
先按下开关S1
（1）锯齿波周期与幅值测量（分开关s2、s3、s4合上与断开多种情况）。
测量“1”端。
（2）输出最大与最小占空比测量。
测量“2”端。
2．降压斩波电路buckchopper
（1）连接电路。
将UPW（脉宽调制器）的输出端2端接到斩波电路中IGBT管VT的G端,分别将斩波电路的1与3，4与12，12与5，6与14，15与13，13与2相连，照面板上的电路图接成buckchopper斩波器。
（2）观察负载电压波形。
经检查电路无误后,按下开关s1、s8，用示波器观察VD1两端12、13孔之间电压，调节upw的电位器rp，即改变触发脉冲的占空比k，观察负载电压的变化，并记录电压波形。
（k可取25%，50%，75%）
表4-1仅供参考
K
需记录的波形
25%
50%
75%
Ui
波形
平均值
Uo
波形
平均值
Io
VK1
PWM
（3）观察负载电流波形。
用示波器观察并记录负载电阻R4两端波形
（4）改变脉冲信号周期。
在S2、S3、S4合上与断开多种情况下,重复步骤
（2）、（3）
（5）改变电阻、电感参数。
可将几个电感串联或并联以达到改变电感值的目的，也可改变电阻，观察并记录改变电路参数后的负载电压波形与电流波形，并分析电路工作状态。
3．升压斩波电路boostchopper
（1）照图接成boostchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。
实验步骤同buckchopper。
4．升降压斩波电路buck-boostchopper
（1）照图接成buck-boostchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。
实验步骤同buckchopper
5．cukchopper
（1）照图接成cukchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。
实验步骤同buckchopper。
6．sepicchopper
（1）照图接成sepicchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。
实验步骤同buckchopper。
7．zetachopper
（1）照图接成zetachopper电路。
电感和电容任选,负载电阻r选r4或r6。
实验步骤同buckchopper。
四、实验报告要求
1．整理实验中记录下的各类波形。
2．分析实验中出现的问题。
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