电力电子变流技术实验(电子版).doc

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电力电子变流技术实验

自动化科学与工程学院

赖玉斌

华南理工大学教材供应中心

2013年10月

17

前言

本书是根据自动化专业《电力电子变流技术》课程的教学计划进行编写的。

这次又作了修改，使内容更符合实际。

内容包括晶闸管三相可控整流、交流调压及全控型电力电子器件的应用等实验。

晶闸管变流电路是电力电子变流技术的基础，也是运动控制系统的重要环节。

因此，本实验以整流电路为重点，增加晶闸管应用方面的内容。

此外，要求学生在完成书中所列实验的基础上，通过自己设计整流电路，提高对器件与电路结构及工作原理的认识与了解。

鉴于本实验是一门实践性很强的课程，要求学生从实验电路设计、线路连接到波形与参数测试的全过程都必须认真参与。

由于本实验所使用的设备为全新的MCL系列电机电力电子及电气传动教学实验台，波形测试也采用计算机实时监测，使用中更应谨慎对待。

通过本实验使学生巩固所学的专业知识，掌握实验的基本方法和操作技能，培养理论联系实际的良好学风。

本实验课计划时数为八学时，重点是三相可控整流电路实验。

本实验的内容涉及到电路、电子、电机与拖动等基础课的知识。

目录

实验须知 1

第一章 整流电路实验 2

§1-1三相半波可控整流电路实验 2

§1-2三相桥式整流电路实验 5

第二章 交流调压电路实验 9

§2-1单相交流调压电路实验 9

§2-2三相交流调压电路实验 11

第三章 全控型电力电子器件电路实验 13

§3-1采用MOSFET的单相调压实验 13

§3-2单相正弦波（SPWM）逆变电源实验 16

实验须知

本实验课的目的在于培养学生掌握电力电子变流技术方面的实验方法与操作技能，指导学生学会根据实验目的拟定实验线路，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要的结论，从而写出实验报告；同时可以培养观察问题、分析和解决问题的能力。

由于本实验既有小电流、低电压的控制线路，又有高电压、大电流的整流回路，不仅要观察波形，还要测量参数，改接连线，更换负荷，致使实验过程较为繁杂。

因此，在整个实验中，必须严肃认真，集中精力，亲自动手，细心观察，认真记录，及时完成实验。

为此，要求学生做到：

一、实验前

认真阅读本实验指导书，了解实验目的、内容、方法与步骤及仪器设备与要求，明确实验过程中应注意的问题。

同时应复习《电力电子变流技术》讲义中的有关章节。

二、实验中

1.建立实验小组，每组2~4人，推选组长，由组长负责实验的组织工作，诸如数据记录、波形测取、调节负载等工作，务求在实验过程中操作协调，数据准确。

2.了解所用仪器仪表的性能及使用方法。

3.抄录所用负载的有关参数，如电动机的铭牌，电阻负载的阻值等。

4.按图接线，连线准确，线路力求简单明了，走线合理。

5.接线完毕，应有专人重新检查，确认无误后方可通电实验。

6.按实验方法及步骤分段进行试验，并认真、及时测取和记录数据。

7.实验完毕，应将所测数据交指导教师审阅，认可后，才可拆线并整理实验现场，所用仪表及工具和导线应物归原处。

三、实验报告

内容要简明扼要，字迹清楚，图表整洁，结论明确。

报告内容包括：

1.实验名称、专业班级、组别、姓名、日期。

2.列出使用仪器设备的名称、型号、规格。

3.扼要写出实验目的。

4.绘出实验线路图及实验项目。

5.数据计算及波形整理。

6.根据实验结果，进行分析，得出结论。

7.报告应写在统一规格的报告纸上，每次实验每人独立写出一份报告按时送交指导教师批阅，不得互相抄袭。

预习不符合要求者不准参加实验。

实验中不按操作规程和实验步骤进行实验而导致仪器、设备损坏者应停止其实验，并须按情节轻重予以处理。

第一章整流电路实验

在电力电子技术中，整流电路的作用是将交流电源变换成直流电源，在晶闸管用于整流电路后，使直流电源的幅值可调。

因此，采用晶闸管的整流称为可控整流。

整流电路按输入交流电源的相数来分有单相和三相；按电路的结构形式分，有半波、全波、桥式；按负载的性质分，有电阻性、电感性和反电势性；按控制方式分，有半控和全控。

因此，电路的结构不同，负载的性质不同，控制方式不同，则电路的换流过程不同，对应的数量关系和波形分解也不同。

通过本章的实验应搞清楚这些问题。

对于功率较大、要求直流电压脉动较小的负载，应采用三相整流电路。

三相可控整流电路有半波和桥式两种结构，桥式电路又有半控和全控之分。

但三相半波电路是最基本的组成形式，桥式电路即是半波电路的串接形式。

同样，换流过程和数量关系却有规律可循，通过本实验应有更加明确的了解。

§1-1三相半波可控整流电路实验

一、目的

1.熟悉三相半波可控整流电路的结构组成；

2.掌握电路的工作原理；

3.了解三相交流电源相序的测量方法；

4.验证波形及数量关系。

二、实验线路

实验电路如图1-1所示。

本实验设备为MCL-Ⅱ型多功能教学实验设备，采用组件式结构，可根据不同的实验内容进行组合。

由图1-1可知，本实验电路共需四个挂箱。

即MCL-18B的交流输入电源及脉冲移相用的直流控制电源，MCL-02的整流用变压器挂箱，MCL-03的负载电阻挂箱。

三相交流电源由主控屏输出端取得。

三、仪器设备

1.MCL教学实验台主控制屏；

2.MCL-18B挂箱；

3.MCL-33挂箱；

4.MEL-03挂箱；

5.虚拟示波器；

6.导线；

7.万用表。

四、内容

1.连线构成实验电路；

2.观察三相电源相序；

3.电阻性负载实验；

4.电阻——电感性负载实验。

五、注意事项

1.整流电路与三相电源连接时，须注意相序。

2.负载电阻值不宜过小，Id不得超过0.8A，但须大于0.1A，避免晶闸管时断时续。

3.测量波形时，须避免测试通道的两条地线接在非等电位端点上而造成短路事故。

4.为防止负载电流过大，在合主电源之前，应先将控制电压Uct降为零（即MCL-18B上部给定电源G的电位器RP1反时针调到底）。

六、方法与步骤

1.接线

按图1-1所示的三相半波可控整流电路结构图连线。

1）主控屏三相输出电源端U、V、W与MCL-18B的L1、L2、L3相连；

2）MCL-18B的U、V、W三端用三联导线与MCL-33的晶闸管桥相连；

3）负载的“―”端与主控屏的零点N端相连。

4）MCL-18B的±15V电源与MCL-33的±15V端子相连，将两边的0线（即黑端子）联接好；

5）MCL-18B的上部Ug端与MCL-33的Uct端相连作为移相控制电压。

6）MCL-33中的Ub1f与零点（黑端子）相连，使正组触发器功放级有电。

7）在MEL-03挂箱上取二个900Ω电阻并联作为电阻性负载，再与MCL-33中整流桥的直流侧相连。

8）直流电压表和直流电流表采用主控屏左侧的直流表，分别与整流桥相串、并联。

9）将主控屏下部三相电源输出端U、V、W中任两端与左侧上部的交流电压表~V1相连，以监视整流电路输入交流电压值。

2.查线

1）按图1-1线路图核查接线。

2）尤其要注意直流电压表、直流电流表、交流电压表的连线正确有否，表的量程应选最大。

3）将MCL-33中的触发器按键2、4、6按下，则此时电路为VT1、VT3、VT5工作。

核查无误后可通电实验。

3.三相电源相序观察

1）通电

（1）将电柜左侧的三相四线开关合上，红色指示灯亮。

（2）启动计算机，用鼠标双击“RIGOL”文件，显示器出现示波器界面。

2）将MCL-18B挂箱上部的移相控制电位器RP1的电压Ug为零伏（即开关S2拨在OV位）后，按“闭合”按钮，主电路有电。

3）慢慢增大主控屏面板左侧的“交流电源输出调节”手柄，并观察上部的交流电压表~V1的显示值，直到显示为220V线电压为止。

4）用虚拟示波器隔离卡通道输入线1、2分别测三相电源中两相波形，输入线的地与电源的N点相接。

5）适当调节虚拟示波器的水平及垂直方向的按键，屏幕上即显示出两相交流电压波形。

仔细观察两波形的相位差，以确定哪一相超前。

6）调换一相再观察相序及相位，以确定该实验设备三相电源的相序。

7）将所测波形记录。

4.电阻负载

1）改变移相控制电压Ug，观察在不同控制角α时，输出电压ud、晶闸管阳极电压uT及门极电压ug的波形。

2）在某一α值下，测取Ud、U2φ及Id数据。

3）调节Ug，使α=90°，观察对应的uT、ud波形。

5.电阻―电感性负载

1）将电感L与负载电阻相串接。

2）合上主电源，改变移相控制电压Ug，观察不同控制角α时ud、uT波形。

3）在负载两端并接续流二极管，观察ud、uT波形的变化。

七、实验报告

1.列出实验目的、仪器、内容及接线图。

2.绘出电阻性负载、大电感负载时的ud、uT波形。

3.将所测的Ud、U2φ代入公式求出对应的α值。

4.该整流电路当α为多大时，续流管工作？

一周期续流管工作几次？

最大导电角为多少度？

5.该电路三个晶闸管门极的触发脉冲相差多少度？

若关掉其中的一个VT触发脉冲，则负载电压一周还有几个波头？

6.该电路晶闸管控制角α的移相范围是多少？

晶闸管最大导电角为多少？

7.设计一个采用共阳接法的三相半波可控整流电路，并在实验台上进行试验，观察ud、uT波形。

简述共阴接法和共阳接法两种电路的异同点。

8.实验体会。

§1-2三相桥式整流电路实验

一、目的

1.熟悉三相桥式整流电路的结构原理；

2.掌握全控与半控电路换流过程及工作特点；

3.观察电压及电流波形；

4.验证数量关系；

5.研究半控电路“失控”情况。

二、实验线路

如图1-2所示。

本实验电路由四个部分组成。

主控屏、MCL-18B挂箱、MCL-33挂箱及MEL-03挂箱。

三、仪器设备

1.MCL教学实验台主控制屏；

2.MCL-18B挂箱；

3.MCL-33挂箱；

4.MEL-03挂箱；

5.导线；

6.虚拟示波器。

四、内容

1.半控电路实验

1）连线；

2）电阻——电感性负载实验；

3）电路的“失控”过程试验；

2.全控电路实验

1）连线；

2）电阻性负载实验；

3）直流电动机实验。

五、注意事项：

1.负载电流Id不得超过0.8A；

2.接线过程中，三相交流电源的相序不得接错；

3.直流电动机负载实验前，须加上电动机的励磁电源（位于主控屏中间部位）；

4.每次起动直流电动机之前，应先将控制电压Ug调为0Ｖ，使整流电压Ｕd为０Ｖ，待合上主电源后，再逐渐加大控制电压Ｕg。

六、方法

1.半控电路实验。

1）按图１-２接线。

①在§１-１电路的基础上，将三个整流管分别用导线连接到晶闸管桥上，注意+、-极性。

负载电阻与电感相串接并接于整流桥。

②负载电阻与电感相串接并连于整流桥。

2）电阻——电感性负载实验。

①三相调压器逆时针调到底，使交流电压Ｕ1调为０V。

②使控制电压Ug调为０V。

③合主电源开关，调节三相调压器使输入交流电压Ｕ1为10０伏（线电压）。

④慢慢增大控制电压Ug，用示波器观察ud、uT及uD的波形。

⑤改变Ug，再观察各波形的变化。

⑥调节Ug，使α=60°左右，测取此时的UL、Ud。

3）观察“失控”现象。

①用示波器观察负载电压ud。

②切除VT1、VT3、VT5的门极触发脉冲。

③此时负载端出现一个极性为正的恒定电压，改变控制电压Ug，无法使电压Ud或ud变化，注意直流电压表和电流表的读数。

2.全控电路实验

1）按图1-2接线，注意虚线所连的三个晶闸管的阳极连在一起，并与负载的一端相连。

①将负载改接为电阻性负载。

②将晶闸管VT2、VT4、VT6的门极触发脉冲开关接通。

2）电阻性负载实验

①将控制电压Ug的电位器RP1反时针旋转到底，即Ug=0V。

②输入交流电压UL保持为100V（线电压）。

③按“闭合”按钮，主电路有电。

④慢慢增大移相控制电压Ug，用示波器分别观察ud、uT及触发脉冲uG的波形。

⑤在某-Ug值，即某-α值下，读取输入交流电压UL和负载直流电压Ud值，并作记录。

⑥观察电路的移相范围。

3）直流电动机负载实验

①将负载电阻除去，接上直流电动机，并给电机加上励磁电源。

②将移相控制电压Ug调为零。

③按“闭合”按钮，主电路有电。

④慢慢增大移相控制电压Ug，电动机逐渐起动旋转。

⑤在任一控制角α下，用示波器观察ud、uT的波形。

⑥增大Ug，使α=0°，此时，电动机的转速应为最高。

⑦切除任一晶闸管的门极触发脉冲，观察ud波形的变化。

七、实验报告

1.绘制实验电路图；

2.绘出半控电路阻感性负载的ud、uT及uD波形。

3.由半控桥α=60°时所测的Ud值，利用公式计算出对应的输入交流电压UL为多少伏？

4.绘出全控电路电阻负载和直流电动机负载时的ud、uT波形。

5.半控电路负载上的直流平均电压ud为零，则控制角α应为多大？

6.半控电路电感性负载并接续流管的目的是什么？

当控制角α应为多少度之后，续流管才开始工作？

7.对“失控”现象进行分析；

8.全控桥电阻性负载时，直流平均电压ud=0Ｖ，此时，控制角α应为多少度？

9.全控桥直流电动机负载，当切险一个晶闸管的触发脉冲时，绘出对应负载电压ud波形，并作说明。

10.设计一个共阳接法的半控整流电路，并说明晶闸管的导通要求。

11.体会。

第二章交流调压电路实验

交流调压广泛用于工业加热、灯光控制、感应电动机调速，以及电焊、电解、电镀等设备。

此时，常用二只普通晶闸管反并联构成一对调压回路，负载上得到的为一交流电源波形，而晶闸管的工作原理与整流时相同。

当负载为大电感性时，由于电感的续流作用，会使反并联的二个晶闸管导通不一致。

这需要在实验中注意观察。

§2-1单相交流调压电路实验

一、目的

1.了解单相交流调压电路的结构原理。

2.掌握负载性质不同对换流过程的影响。

3.观察电压波形。

二、实验线路

如图２-１所示。

本实验电路需五个挂箱及主控屏的交流电源。

三、仪器设备

1.MCL系列教学实验台主控屏；

2.MCL-18B挂箱；

3.MCL-33挂箱；

4.MEL-0２挂箱；

5.MEL-03挂箱；

6.MEL-0５挂箱

7.虚拟示波器；

8.导线。

四、内容

1.接线；

2.电阻性负载实验；

3.电阻——电感性负载实验。

五、注意事项

1.电阻——电感性负载试验时，为增大电流可适当减小负载电阻值，但电阻不得为零。

2.检测电压和电流须用交流表。

3.变压器副边绕组极性不得接反。

六、方法

1.按图２-１接线。

将ＭＣＬ-３３中的两只晶闸管VT1、VT4反并联连接构成交流调压器；封锁VT2、VT3、VT5、VT6的门极触发脉冲；将开关Ｓ2拨向左侧，电阻调至最大。

1）移相控制电源电位器ＲＰ1逆时针调到底，使Ｕg＝０V；

2）主控屏三相调压器逆时针调到底，合主电源开关，慢慢增大调压器输出电压，使U21=100V；

3）增大移相控制电压Ug，用示波器观察负载两端的电压ud，及晶闸管电压uT。

4）调节Ug，观察α=60°、90°时的ud波形。

2.电阻——电感性负载

1）将开关Ｓ2拨向左侧，成为电阻——电感性负载。

2）用双踪示波器观察ud和负载电流id的波形；并测出对应的ud、Id值。

3）改变α和R，观察ud、id的变化情况。

图2-1单相交流调压电路

七、实验报告

1.绘制实验电路图；

2.整理实验中记录的各种波形，包括ud、uT波形；

3.分析电阻——电感负载时的ud、id波形；

4.根据实测的Ud、Id值，求对应的负载阻值Rd；

5.该电路的移相范围多大？

6.体会。

§2-2三相交流调压电路实验

一、目的

1.了解三相交流调压电路的结构原理；

2.掌握晶闸管的导通规律及触发要求；

3.负载波形观察。

二、实验线路

如图2-2所示。

负载电阻采用三个可调变阻器连接成星形接法，即为三相三线制电路。

若无中线，则每相电流须与另一相构成通路，因此，每一瞬间需有二个晶闸管导通，每相的负载电压为二分之一的线电压，为保证电路正常工作，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。

三、仪器设备

1.MCL系列教学实验台主控屏；

2.MCL-18B挂箱；

3.MEL-0２挂箱；

4.MEL-03挂箱；

5.MCL-33挂箱；

6.虚拟示波器；

7.导线。

四、内容

1.接线；

2.三相三线制接法实验；

3.三相四线制接法实验。

五、注意事项

1.每个负载电阻须用二个900Ω电阻并联，最大电流不得超过0.8Ａ。

2.改变阻值时，须三个电阻一同改变，并在其中的一组串接交流电流表及并接电压表。

3.三相四线接法实验时，从三相负载的Ｏ点与变压器副边中点连一条线，不得将线连到原边中点。

六、方法

1.按图２-２连线。

2.检查连线，无误后可通电实验。

3.合主电源，调节调压器使主控屏输出电压为２００V线电压。

4.用示波器分别观察负载电压ud及uT波形。

5.用双线观察任意两相负载电压的相位，以确定负载电压的相序。

6.三相负载中点加上零线，观察负载电压ud波形的变化。

7.在某-α值下，测出对应的Ud、Id。

图2-2三相交流调压电路

七、实验报告

1.绘出实验线路图；

2.整理所测波形；

3.为何要采用宽脉冲或双窄脉冲触发？

4.增加中线后，晶闸管的导电过程有否改变，移相范围是否变化？

5.负载上的电压为线电压还是相电压（无中线时）？

6.设计一个三角形接法的交流调压线路。

7.体会。

第三章全控型电力电子器件电路实验

晶闸管是一种导通可控，关断不可控的器件，要使晶闸管关断，只能在其阳极施加反向电压。

因此采用晶闸管的整流电路交流侧的电压与电流相位差会随控制角的增大而增加，致使电路的功率因数很低。

因此，GTR、MOSFET等全控型器件已用于变流电路，并取得了较好的效果。

本章的实验电路采用功率场效应晶体管，即MOSFET器件作为功率电子器件实现变流，有关全控型器件的性能请参阅讲义。

§3-1采用MOSFET的单相调压实验

一、目的

1.了解MOSFET器件的工作原理；

2.熟悉PWM专用集成电路SG3525的组成，功能、工作原理及使用方法。

3.掌握全控型器件的单相交流调压电路的工作原理、特点、波形分析。

图3-1采用自关断器件的单相交流调压电路

二、实验线路及原理

实验电路如图3-1所示。

该电路由脉宽调制波产生电路，同步信号产生电路，驱动电路及主电路四个部分组成。

负载为灯泡。

其中VT1、VT2为MOSFET器件，连接成交流开关形式，L与C为滤波环节。

随着自关断器件的迅速发展，晶闸管移相控制的交流调压电路，已逐渐被自关断、即全控型器件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，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少。

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3-2b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3-2c所示。

脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生，该芯片又美国硅通用公司生产，为第二代产品。

控制系统中由变压器T、比较器和与或非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管的VT2导通。

电位器RP用来调节18端锯齿波的周期。

图3-2

三、仪器设备

1.MCL教学实验台主控屏；

2.MCL-11挂箱；

3.示波器；

4.万用表；

5.导线。

四、内容

1.PWM专用集成电路SG3525波形观察。

2.控制电路与驱动波形观察。

3.主电路波形观察。

4.滤波环节作用测试。

五、注意事项

1.1、2两端输入交流电压不得超过220V。

2.3或6端不得与8端相短接，以免发生短路事故。

六、方法

1.接线

1）MCL-11挂箱的交流电压1、2端与MCL-18B的U、V、W中任两端相连。

2）将MCL-18B的L1、L2、L3端的任两端点与主控屏左侧上部的交流电压表相连，用以监视交流电压值。

3）将主电路3、6两端点用导线相连。

2.SG3525芯片波形观察

1）测量18端，观察锯齿波周期与幅值（分开关S2合上与通断两种情况）。

2）测量16端，观察芯片输出端最大与最小占空比。

3.控制电路相序与驱动波形测量

1）将电位器RP逆时针旋转到底。

2）主电路通电，并使AC为220V。

3）用示波器分别观察下列各点波形。

（1）13、14两点与地端波形。

（2）12、15两点与地端波形。

（3）9与10、11与10端间波形。

4.不带滤波环节时主电路各点波形

1）主电路3与6端相连，开关S2放在断开位置，电位器RP顺时针调到中间位置。

2）用示波器观察灯泡两端电压波形。

3）MOS管VT1、VT2的两端波形。

4）用万用表电压档检测灯泡两端的电压值。

5.带滤波环节时主电路各点波形

1）将主电路3与4、5与6端相连，即电路带上L、C滤波环节。

2）用示波器分别观察负载电压波形，VT1、VT2的两端波形。

3）测灯泡两端交流电压值。

6.在S2合上与断开两种情况下，观察负载两端波形变化情况。

七、实验报告

1.列出实验目的、仪器、内容及接线图。

2.画出控制电路各点波形。

3.画出主电路各点波形，并作说明。

4.说明滤波环节的作用。

5.简述电路的工作原理。

6.若同步变压器T原副边极性接反了，系统能否正常工作？

为什么？

7.简述脉宽调制调压与相控调压的优缺点。

8.与MOS管相并接的整流管VD1、VD2有什么用处？

9.实验体会。

§3-2单相正弦波（SPWM）逆变电源实验

一、目的

1.熟悉单相正弦波（SPWM）逆变电源的结构组成。

2.掌握电路的工作原理及波形分析。

3.了解各单元