《电力电子技术》实验指导书自动化卓越.docx
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《电力电子技术》实验指导书自动化卓越
电力电子技术
实验指导书
适用专业：
自动化卓越
李建华编写
江苏科技大学电子信息学院
2017年9月
前言
《电力电子技术》课程是电气工程及其自动化专业和自动化专业的一门学科基础课，测控技术与仪器专业的专业选修课。
本课程的目的和任务是使学生了解电力电子技术的发展概况、技术动向和新的应用领域。
熟悉各种电力电子器件的特性和选用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计的基本计算方法及基本实验技能；熟悉各种常用电力电子装置的应用范围及技术经济指标。
同时为《电力传动自动控制系统》等课程打好基础。
实验环节是这门课程的重要组成部份，通过实验可以加深对理论的理解，培养和提高学生独立动手能力和分析、解决问题的能力。
根据教学大纲要求，本课程实验共开出三相全控桥式整流电路、交流单相调压、直流降压斩波电路三个实验，均为综合性实验。
学生通过实验能掌握电力电子变流装置主电路、触发电路和驱动电路等的构成及调试方法及应用；熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法；能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题；能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。
实验一：
三相桥式全控整流电路的性能研究
实验学时：
2
实验类型：
（设计研究）
实验要求：
（必做）
一、实验目的
1、加深对三相桥式整流电路电阻性负载，电阻、电感性负载时工作情况的理解。
2、对实验出现的问题进行分析并排除。
二、实验内容
1、三相桥式全控整流电路接电阻性负载。
2、三相桥式全控整流电路接电阻、电感性负载。
三、实验原理、方法和手段
三相桥式全控整流电路实验原理框图如图1-1所示。
控制电路直流电源单元提供+15V、-15V电源给正给定单元、三相脉冲移向电路单元（LY105）。
正给定单元输出1作为LY105单元移向控制电压（Uct）。
Ub1f接地，输出正桥触发脉冲。
LY121-1主电源输出（A2、B2、C2）作为正组桥晶闸管主电路输入电源。
图1-1三相桥式全控整流电路实验原理框图
四、实验组织运行
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。
五、实验条件
序号
型号
说明
1
主电源
LY121-1挂箱
2
正给定
布置在正负给定单元
3
控制电路直流电源单元
布置在LY121-2单元
4
三相脉冲移向电路
LY105挂箱
5
正组桥晶闸管主电路
布置在LY121-2单元上
6
电阻负载RP,450Ω
900Ω/150W，交流电机实验挂箱和直流电机实验挂箱上各1个，2个调最大，并联使用。
7
电感负载L，300mH
300mH，≦4A，布置在LY121-2单元上，100mH、200mH、300mH平波电感器。
8
交流测量仪表
交流电机实验挂箱
9
直流测量仪表
直流电机实验挂箱
10
双踪示波器
11
万用表
以上单元、挂箱说明，详见附件二：
电力电子技术实验用挂箱单元简介。
六、实验步骤
1、确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图1–1接好控制回路：
连接控制电路直流电源（+15V、-15V、0V）到LY105单元和正给定单元，连接正给定输出1到LY105单元控制电压Uct。
2、打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”，Ub1f接0V（选择正桥触发脉冲输出，“正组”指示灯点亮），脉冲选择双脉冲，双脉冲指示灯点亮，观察触发脉冲及移相角是否正确，要求当Uct=0V时，用示波器观察Ua及1#脉冲，使α=120°（α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算），如不对则调整偏置电压Up电位器。
3、给定电压增加，Uct↑，则脉冲前移，观察α的调节范围。
4、三相桥式全控整流电路接电阻性负载实验：
（1）按图1–2接好主回路，负载电阻RP=450Ω（2个900Ω/150W可调电阻调到最大，并联，防止过流），确认三相触发电路和LY105单元触发脉冲输出之间的25芯电缆连接紧固。
（2）打开“直流调速系统主电源”开关，启动主回路，记录α=30°、60°、90°时的负载Ud值及波形，并与理论值比较。
参考表格如表1-1所示：
图1–2三相桥式全控整流电路接电阻性负载
表1-1三相桥式全控整流电路接电阻性负载实验数据表格
RP测量值：
Ω
L值：
0mH
α
30°
60°
90°
U2记录值
Ud测量值
Ud计算值
注：
U2为三相桥式全控整流电路输入电压，Ud为负载电压。
5、三相桥式全控整流电路接电阻、电感性负载实验：
（1）确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图1–3接好主回路，负载电阻RP=450Ω，串联300mH电感L。
图1–3三相桥式全控整流电路接电阻电感性负载
（2）打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”。
（3）打开“直流调速系统主电源”开关，启动主回路，记录α=30°、60°、90°时的负载Ud值及波形，并与理论值比较。
参考表格如表1-2所示：
表1-2三相桥式全控整流电路接电阻、电感性负载实验数据表格
RP测量值：
Ω
L值：
300mH
α
30°
60°
90°
U2记录值
Ud测量值
Ud计算值
七、实验报告
1、实验报告包括实验目的、实验内容、实验原理、实验条件、实验步骤等。
2、以表格的形式分别记录不同类型负载、不同α角时的Ud理论值和实测值。
3、记录不同类型负载、不同α角时的Ud波形。
4、实验数据、波形分析。
5、分析实验过程中出现的问题，给出故障处理的方法。
八、注意事项
1、为了防止过流，启动时和实验过程中将负载电阻RP调至最大阻值位置（450Ω）。
2、在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍。
3、若需用示波器同时观察电路中某两处的波形时，必须注意示波器两个通道之间的共地问题，万一造成短路，有可能严重损坏实验装置和示波器。
实验二：
单相交流调压电路的性能研究
实验学时：
2
实验类型：
（设计研究）
实验要求：
（必做）
一、实验目的
1、加深理解单相交流调压电路的工作原理。
2、加深理解交流调压阻感负载时对移相范围要求。
3、了解移相触发电路的原理及应用。
4、对实验出现的问题进行分析并排除。
二、实验内容
1、移相触发电路的调试。
2、单相交流调压电路接灯箱负载。
3、单相交流调压电路接电阻负载。
4、单相交流调压电路接电阻、电感负载。
三、实验原理、方法和手段
单相交流调压电路实验原理框图如图2-1所示。
控制电路直流电源单元提供+24V、+15V、-15V电源、同步电压USTD给单相交流调压电路单元（LY115）。
主电源输出（A2、N）作为单相交流调压主电路输入电源。
图2-1单相交流调压电路实验原理框图
四、实验组织运行
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。
五、实验条件
序号
型号
说明
1
主电源
LY121-1挂箱
2
控制电路直流电源单元
布置在LY121-2单元
3
单相交流调压触发电路
LY115挂箱
4
单相交流调压主电路
LY115挂箱
5
灯箱负载
LY113-1挂箱
6
电阻负载RP,450Ω
900Ω/150W，交流电机实验挂箱和直流电机实验挂箱上各1个，2个调最大，并联使用。
7
电感负载L，300mH
300mH，≦4A，布置在LY121-2单元上，100mH、200mH、300mH平波电感器。
8
交流测量仪表
交流电机实验挂箱
9
直流测量仪表
直流电机实验挂箱
10
双踪示波器
11
万用表
以上单元、挂箱说明，详见附件二：
电力电子技术实验用挂箱单元简介。
六、实验步骤
1、确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图2–1接好控制回路：
连接控制电路直流电源（+24V、+15V、-15V、0V）到LY115单元，连接“控制电路直流电源”单元中的～7V同步电压USTD到LY115单元同步电压（USTD）。
2、打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”，用示波器观察LY115单元上的有关波形，了解脉冲形成的原理，调节“偏移控制”电位器可调节输出脉冲的相位，观察输出脉冲的移相范围如何变化，移相能否达到180°，记录观察到的各点电压波形。
3、单相交流调压电路接灯箱负载实验：
按图2–2接好主回路，打开“直流调速系统主电源”开关，启动主回路，调节α在0°～180°范围内变化，观察灯泡亮度变化情况。
图2–2单相交流调压电路接灯箱负载
4、单相交流调压电路接电阻负载实验：
（1）确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图2–3接好主回路，负载电阻RP=450Ω（2个900Ω/150W可调电阻调到最大，并联，防止过流）。
图2–3单相交流调压电路接电阻性负载
（2）打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”。
（3）打开“直流调速系统主电源”开关，启动主回路，记录α=30°、60°、90°、120°时的负载电压波形和Ud值。
参考表格如表2-1所示：
表2-1单相交流调压电路接电阻负载实验数据表格
RP测量值：
Ω
L值：
0mH
α
30°
60°
90°
120°
Ui记录值
Uo测量值
Uo计算值
注：
Ui为单相交流调压电路输入电压，Uo为负载电压。
5、单相交流调压电路接电阻、电感负载实验：
（1）确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图2–4接好主回路，负载电阻RP=450Ω，用万用表测量负载电阻RP和电感L的总电阻R并记录，串联300mH电感。
图2–4单相交流调压电路接电阻、电感负载
（2）打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”。
（3）打开“直流调速系统主电源”开关，启动主回路，记录α=30°、60°、90°、120°时的负载电压波形和Ud值。
参考表格如表2-2所示：
表2-2单相交流调压电路接电阻负载实验数据表格
R测量值：
Ω
L值：
300mH
α
30°
60°
90°
120°
Ui记录值
Uo测量值
Uo计算值
注：
R为负载电阻RP和电感L的总电阻，Ui为单相交流调压电路输入电压，Uo为负载电压。
七、实验报告
1、实验报告包括实验目的、实验内容、实验原理、实验条件、实验步骤等。
2、以表格的形式分别记录不同类型负载、不同α角时的Uo理论值和实测值。
3、记录不同类型负载、不同α角时的Uo波形。
4、实验数据、波形分析。
5、分析实验过程中出现的问题，给出故障处理的方法。
八、注意事项
1、为了防止过流，启动时和实验过程中将负载电阻RP调至最大阻值位置（450Ω）。
2、在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍。
3、若需用示波器同时观察电路中某两处的波形时，必须注意示波器两个通道之间的共地问题，万一造成短路，有可能严重损坏实验装置和示波器。
实验三：
直流斩波电路的性能研究
实验学时：
2
实验类型：
（设计研究）
实验要求：
（必做）
一、实验目的
1、熟悉直流降压斩波电路的工作原理。
2、了解PWM控制与驱动电路的原理。
3、熟悉直流降压斩波电路的组成及其工作特点。
4、对实验出现的问题进行分析并排除。
二、实验内容
1、控制与驱动电路测试
2、直流降压斩波电路测试
三、实验原理、方法和手段
直流降压斩波电路实验原理框图如图3-1所示。
控制电路直流电源单元提供+24V（独立的1组）、+15V、-15V电源给直流斩波电路单元（LY118）。
50V交流电压作为整流电路输入电源，整流电路输出Ui约为70V。
控制电路采用控制芯片UC3525A为核心组成，实现的功能是产生PWM信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断,通过对占空比的调节（“Ur调节”电位器），从而控制输出电压大小。
图3-1直流降压斩波电路实验原理框图
四、实验组织运行
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。
五、实验条件
序号
型号
说明
1
主电源
LY121-1挂箱
2
控制电路直流电源单元
布置在LY121-2单元
3
直流斩波控制电路
LY118挂箱
4
整流电路
LY118挂箱
5
降压斩波电路
LY118挂箱
6
电阻负载RP,450Ω
900Ω/150W，交流电机实验挂箱和直流电机实验挂箱上各1个，2个调最大，并联使用。
7
交流测量仪表
交流电机实验挂箱
8
直流测量仪表
直流电机实验挂箱
9
双踪示波器
10
万用表
以上单元、挂箱说明，详见附件二：
电力电子技术实验用挂箱单元简介。
六、实验步骤
1、确认总电源关闭（主电源LY121-1单元上“交流三相输入控制总开关”关闭），按图3–1接好控制回路：
连接控制电路直流电源（+15V、-15V、0V）到LY118单元，连接控制电路直流电源（独立的1组24V）到LY118单元。
2、控制电路测试：
打开“交流三相输入控制总开关”，打开“控制电路电源开关”（LY121-2单元控制电路直流电源模块上），打开“控制电路电源开关”（LY118单元上）。
选择开关选择“降压斩波”电路。
用示波器观察LY118单元上的有关波形（锯齿波、PWM信号），了解PWM信号产生的原理。
调节Ur电位器，观察PWM信号占空比的范围如何变化。
3、确认LY118单元上“主电路电源开关”关闭，连接整流电路AC50V电源，打开主电路电源开关，测量输出电压Ui并记录。
4、降压斩波电路带电阻负载实验：
（1）确认LY118单元上“主电路电源开关”关闭，按图3–2接好主回路，负载电阻RP=450Ω（2个900Ω/150W可调电阻调到最大，并联，防止过流）。
（2）打开主电路电源开关，调节Ur电位器，在不同占空比（如10％、20％、40％、50％、60％、80％、90％等）时，用示波器观察PWM信号、UD、UO波形并记录。
（3）调节Ur电位器，在不同占空比（如10％、20％、40％、50％、60％、80％、90％等）时，测量各点数据并记录，参考表格如表3-1所示：
图3–2降压斩波电路带电阻负载
表3-1降压斩波电路带电阻负载实验数据表格
Ur
（V）
Ui
（V）
PWM信号
频率（Hz）
占空比
（％）
Uo测量值
（V）
Uo计算值
（V）
七、实验报告
1、实验报告包括实验目的、实验内容、实验原理、实验条件、实验步骤等。
2、记录不同占空比时各测试点波形。
3、以表格的形式分别记录不同占空比时各测试点数据。
4、实验数据、波形分析。
5、分析实验过程中出现的问题，给出故障处理的方法。
八、注意事项
1、为了防止过流，启动时和实验过程中将负载电阻RP调至最大阻值位置（450Ω）。
2、在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍。
3、若需用示波器同时观察电路中某两处的波形时，必须注意示波器两个通道之间的共地问题，万一造成短路，有可能严重损坏实验装置和示波器。
附件一：
学生实验报告基本内容要求
每门课程的所有实验项目的报告必须以课程为单位装订成册，原则上使用现行“实验报告簿”（校园内有售）。
实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。
实验预习
在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。
对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。
设计性实验要求进入实验室前写出实验方案。
附件二：
电力电子技术实验用挂箱单元简介
1、主电源
主电源，即LY121-1单元，如附图-1所示。
交流三相电源输入经过控制总开关（控制实验台总电源），通过内部隔离变压器，输出2组三相交流电源，1组主电源输出（A2、B2、C2、N），另1组逆变变压器（备用，A3、B3、C3）。
其中主电源输出（A2、B2、C2、N）线电压220V，可作为三相桥式全控整流电路、单相交流调压电路等实验的输入电源。
2个电压表分别测量隔离变压器一次、二次侧线电压。
附图-1主电源单元
2、控制电路直流电源
控制电路直流电源布置在LY121-2单元上，如附图-2所示。
（1）24V、+15V、-15V共3组直流电源供实验台其他挂箱单元使用。
（2）控制电路电源开关打开，在正常时，上面3组直流电源对应指示灯点亮。
（3）～7V同步电压USTD作为单相交流调压电路的同步电源。
（4）～50V交流电压作为直流斩波整流电路的交流输入电源。
（5）15V直流电源：
与
（1）中15V相互独立。
（6）24V直流电源：
与
（1）中24V相互独立，用于（7、直流斩波电路）24V直流电源。
（7）故障报警：
当出现报警指示和报警声音，故障排除后可按复位按钮复位。
附图-2控制电路直流电源
3、正负给定
如附图-3所示，给定单元由正给定调节电位器（RP1）、负给定调节电位器（RP2）、正负选择开关、给定开关（开：
给定输出，关：
给定为零）等组成。
可输出0～±15给定电压，1～10mA电流，±15V电压表显示输出。
+15V、-15V、0V控制电源由布置在LY121-2单元的控制电路直流电源【2中
（1）】接入。
输出1为给定输出，可供三相桥式全控整流等实验的控制电路使用，调节不同的触发角α。
附图-3正负给定
4、晶闸管主电路
正组桥晶闸管主电路布置在LY121-2单元上，如附图-4所示。
（1）直流调速系统主电源开关：
三相晶闸管整流桥主电路电源开关。
（2）励磁输出。
（3）励磁输出开关。
（4）由6只晶闸管组成三相整流桥，可用于整流或逆变。
（5）平波电感器：
100mH，200mH，300mH可选。
（6）直流电压表：
已内部并联到三相整流输出端。
（7）直流电流表：
已内部串联到三相整流输出回路。
（8）当三相全控整流工作时，只需要将主电路右侧的“三相触发电路”输入插座通过25芯电缆连接到LY105单元（三相脉冲移向电路）输出插座即可，内部电路已连接。
6个晶闸管门极还有引出端子，做单相半波或单相桥式整流等实验室，需另接入脉冲输入信号，而不用25芯电缆。
（9）控制电路直流电源：
详见2中说明。
附图-4LY121-2单元
5、三相脉冲移向电路
三相脉冲移向电路，即LY105单元，如附图-5所示，为正组桥控制单元GTF，该单元输入的三相同步电压（UA、UB、UC）、内部24V驱动电压和6路触发脉冲输出均由25芯电缆（触发脉冲输出）与LY121-2单元连接。
附图-5三相脉冲移向电路
+15V、-15V、0V驱动电源由布置在LY121-2单元的控制电路直流电源【2中
（1）】接入。
三相脉冲移相触发电路，采用集成芯片KC04，以锯齿波移相的方式确定六个管子的脉冲，根据输入控制电压Uct（连接“3、正负给定”输出1）的变化，改变晶闸管的控制角α或逆变角β。
面板上有同步电压A、B、C的观察孔，有锯齿波波形及（宽）双脉冲观察孔。
偏置电压Up调节电位器可整定当Uct=0V时，实验所需α角。
Ub1f接地，选择正桥触发脉冲输出，“正组”指示灯点亮。
斜率调节可调整六路脉冲间距，并决定Uct与Ue的放大系数。
脉冲选择开关拨向“双脉冲”时，该电路输出三相6路互差60°的双窄脉冲，以实现一般整流电路或有源逆变电路所需触发控制。
当开关拨向宽脉冲时，该电路输出三相6路后沿固定，前沿随α角改变的宽脉冲链，最大宽度近180°，用于三相交流调压调速时两个反并联晶闸管的触发。
6、单相交流调压电路
单相交流调压电路，即LY115单元，如附图-6所示。
附图-6单相交流调压电路
（1）触发电路
主要由KJ004集成电路构成。
“同步电压”USTD信号由第8脚引入（连接“2、控制电路直流电源”单元中的～7V同步电压USTD【2中（3）】），第1脚和第15脚可产生相位相差180°的2路输出脉冲，这2路脉冲经过信号驱动电路放大后，接到脉冲变压器的输入端，在脉冲变压器的输出端产生加在晶闸管门极和阴极的触发信号。
加脉冲变压器是为了控制电路和主电路隔离及经过变压后产生触发晶闸管合适脉冲。
“偏移控制”电位器可调节输出脉冲的相位，“偏移微调”电位器可以调节锯齿波的斜率，从而使在控制电压为零时，主电路输出电压为零。
+24V、+15V、-15V、0V驱动电源由布置在LY121-2单元的控制电路直流电源【2中
（1）】接入。
G1、K1，G2、K2为2路输出脉冲。
为触发电路各波形测试、观察点。
（2）单相交流调压主电路
两个晶闸管反并联并串联在交流电路中，在每半个周波内对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出交流电压的有效值，实现交流调压。
A2、N由LY121-1单元主电源接入。
G1、K1，G2、K2为晶闸管K1、K2触发信号输入。
负载根据实验要求，可接电阻负载或电阻电感负载。
7、直流斩波电路
直流斩波电路，即LY118单元，如附图-7所示。
+15V、-15V、0V控制电源由布置在LY121-2单元的控制电路直流电源【2中
（1）】接入,+24V直流电源由【2中（6）】接入。
面板上设置了控制电路、主电路2个电源开关。
（1）整流电路
整流电路AC50V电源由布置在LY121-2单元的～50V【2中（4）】接入，其输出Ui约为70V。
（2）控制电路
控制电路采用控制芯片UC3525A为核心组成，实现的功能是产生PWM信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断,通过对占空比的调节（“Ur调节”电位器），达到控制输出电压大小的目的。
此外，控制电路还完成一定的保护功能。
、
、
为控制电路各波形测试、观察点。
附图-7直流斩波电路
（3）斩波电路
本单元设置了1个选择开关，可选降压斩波电路或升压斩波电路。
Ui为斩波电路直流电源，来自整流电路输出，电路中还设置了各波形测试、观察点。
电路具有过流、限压保护功能，为了安全起见，建议负载电阻≧300。
8、交流测量仪表
如附图-8所示，交流电机实验挂箱设置了交流电压表、交流电流表，使用时请注意电表测量范围。
可调电阻RP1最大阻值900Ω，功率100W，可作为实验电路电阻负载。
风扇电压交流220V
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