电力电子技术实验指导书定稿20160922上午定稿.doc
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电力电子技术
实验指导书
黎群辉董密编
王随平杨建审
中南大学信息科学与工程学院
2016年9月
目录
第一章电力电子所需实验装置介绍 1
1-1实验的基本要求 1
1-2实验安全操作规程 2
1-3各模块功能介绍 2
第二章电力电子实验 15
2-1单相半波可控整流电路实验 15
2-2三相脉冲触发电路实验 17
2-3三相零式半波整流电路实验 19
2-4三相半波有源逆变电路实验 22
2-5三相桥式全控整流及有源逆变电路实验 24
2-6单相交流调压电路实验 28
2-7三相交流调压电路实验 31
附录：
各模块及各实验的详细接线图 54
THMDK-3型电力传动开放式综合实验平台电力电子技术实验指导书
第一章电力电子所需实验装置介绍
1-1实验的基本要求
培养学生能根据实验目的，实验内容及实验设备来拟定实验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。
学生在整个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。
现按实验过程对学生提出下列基本要求。
实验前的准备
实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书,了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题（有些内容可到实验室对照实验预习，如熟悉组件的编号，使用及其规定值等），并按照实验项目准备记录抄表等。
实验前应写好预习报告,经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始做实验。
认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。
实验的进行
1、建立小组，合理分工
每次实验都以小组为单位进行,每组由2～3人组成，实验进行中的接线、调节负载、保持电压或电流、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。
2、选择组件和仪表
实验前先熟悉该次实验所用的组件，记录电机铭牌和选择仪表量程，然后依次排列组件和仪表便于测取数据。
3、按图接线
根据实验线路图及所选组件、仪表、按图接线，线路力求简单明了，一般按接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。
为查找线路方便，每路可用相同颜色的导线。
4、起动电机，观察仪表
在正式实验开始之前，先熟悉仪表刻度，并记下倍率，然后按一定规范起动电机，观察所有仪表是否正常（如指针正、反向是否超满量程等）。
如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。
5、测取数据
预习时对电机的试验方法及所测数据的大小作到心中有数。
正式实验时,根据实验步骤逐次测取数据。
6、认真负责，实验有始有终
实验完毕，须将数据交指导教师审阅。
经指导教师认可后，才允许拆线并把实验所用的组件、导线及仪器等物品整理好。
实验报告
实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。
实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。
实验报告包括以下内容：
1、实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期、室温℃。
2、列出实验中所用组件的名称及编号，电机铭牌数据（PN、UN、IN、nN）等。
3、列出实验项目并绘出实验时所用的线路图，并注明仪表量程，电阻器阻值，电源端编号等。
4、数据的整理和计算
5、按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，图纸尺寸不小于8cm×8cm，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线,不在曲线上的点仍按实际数据标出。
6、根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论。
实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。
7、每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。
1-2实验安全操作规程
为了按时完成大功率电机实验，确保实验时人身安全与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程：
1、实验时，人体不可接触带电线路。
2、接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。
3、学生独立完成接线或改接线路后必须经指导教师检查和允许，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。
实验中如发生事故，应立即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。
4、电机如直接起动则应先检查功率表及电流表的电流量程是否符合要求，有否短路回路存在，以免损坏仪表或电源。
5、总电源或实验台实验平台上的电源接通应由实验指导人员来控制，其他人只能由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸。
1-3各模块功能介绍
EZT3-10TC787触发电路模块
TC787芯片介绍
TC787集成电路作为功率晶闸管的移相触发电路适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其它拓扑电路结构的系统中。
TC787在单双电源下均可工作，使其适用于电源的范围较广泛，它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0°～180°范围内之间连续同步改变。
它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力极强。
电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。
TC787可方便地通过改变6脚的电平高低来设置其输出为双脉冲还是单脉冲。
在正序时同步信号与双脉冲触发关系如图所示：
晶闸管的导通采用双脉冲触发，脉冲宽度由Cx端外接电容容值决定，每组脉冲之间的间隔为60°。
TC787的逻辑电路框图组成如图所示。
它由同步过零电路、极性检测电路、锯齿波形成电路、锯齿波比较电路、抗干扰电路、调制脉冲发生器电路、脉冲形成电路和脉冲分配电路组成。
经滤波后的三相同步电压，通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。
三个恒流源输出的的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。
锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成块内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。
该交相信号与脉冲发生器输出的调制脉冲信号经脉冲形成电路处理后，变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号，送到脉冲分配及驱动电路。
此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出：
一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，在引脚5输入高电平信号，脉冲分配及驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成块的12、11、10、9、8、7六个引脚输出全为低电平。
模块介绍
模块原理图如下
2.1a、b、c三个三号弱电柱输入端口接“控制屏”上“三相同步信号”，n点接在直流电源电压的1/2处（同步信号的峰峰值不要大过直流电源电压）；
2.2电位器RPa1、RPb1、RPc1起到调节芯片输入的同步信号幅值的作用，同时也能与电容配合起到微调输入到芯片的同步信号的相位（输入芯片的信号波形从1、2、3观测点观测）。
所以芯片输出的双窄脉冲（观测点为VT*）两脉冲间距可通过此电位器来调节。
也可与RP3点位器配合调节起到限制触发脉冲的移向范围等作用。
调节时应保证三相均衡调节；
2.3外部给定从Uct端口输入，实验时通常限定为0~6v。
经比例放大后的实际输入芯片的给定电压通过TP1测量点测量；
2.4A、B、C相锯齿波观测点为与同步型号相对应的锯齿波波形；
2.5芯片6脚为功能选择端，高电平是芯片输出波形为全控双脉冲，低电平为半控单脉冲。
5脚为禁止端（使能端）输入高电平芯片封锁输出。
两处由纽子开关S1、S2作为切换；
调试方法
3.1接线图见下
3.2将电位器RPa1、RPb1、RPc1逆时针到底，用双踪示波器观测A、B、C三相锯齿波观测孔，用一路通道观测同步信号，另一路观测锯齿波波形，其中a、b、c三路同步信号a对应A相锯齿波，b对应B相锯齿波，c对应C相锯齿波。
所测波形如图所示。
各相锯齿波与同步信号的相位关系
3.3顺时针调节RP2到底，，调节RP3使TP1点电压达到最低，然后用一路通道观测同步信号A，另一路探头观测点VT1，调节RP1电位器使触发信号出现在同步信号的150°的位置（即α=120°）。
此时观测VT1,VT2,VT3,VT4,VT5,VT6六路观测孔波形,VT1～VT6依次增加60度，调节RP2观测每路脉冲的可移相范围是否大于120°否则调节RP3电位器，必要时也可调节RP1电位器，同步信号与双列脉冲触发关系应满足下图（将拨动开关拨到到正常工作侧，有脉冲输出；拨到封锁输出侧，则无脉冲；将拨动开关由双列脉冲拨打到单列脉冲时，则双列脉冲由双窄脉冲变为单窄脉冲。
）
3.4若在双窄脉冲状态时，双窄脉冲宽度不满足60°时微调RPa1、RPb1、RPc1电位器保证双窄脉冲宽度至少为60°然后重复3.3调试过程。
否则无法作出三相全控实验。
EZT3-11功放电路I模块
模块介绍
该模块主要作用是将TC787触发电路模块输出的触发信号进行功率放大，以驱动晶闸管模块。
0
模块原理图如下：
触发信号从VT端输入，功放后从G、K输出端输出至晶闸管。
UlF端为使能端，需在使用时连接到GND。
EZT3-12功放电路II模块
其工作原理与EZT3-11相同。
EZT3-13功放电路III模块
其工作原理与EZT3-11相同。
EZT3-15调节器I模块
模块介绍
该模块的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、比例、积分等运算，使其输出按某一规律变化。
该模块是由运算放大器、输入变换器、反馈环节、二极管输出限幅环节构成。
其原理图如下图所示。
在上图中“1、2、3、4、5”端为信号输入端。
其中“2、5”端由C4、R2、C7、R6组成微分反馈矫正环节，有助于抑制振荡，减少超调。
“3、4”端间构成有输入电压变换环节，其值经过电位器RP4调节后作用与“2”端。
二极管VD2、VD3为运放的输入限幅，起到保护运放的作用。
二极管VD1、VD4和电位器RP1、RP3组成正负限幅值可调的输出限幅电路。
“6、7”端用于外接比例电阻与积分电容（从EZT3-19上得到）用以调整系统的放大倍数与相应时间。
RP2为运放的调零电位器。
调试方法
2.1调零：
把输入端“1、2、3、5”短接后接地，在“6、7”之间接30K电阻（从EAZT3-19可调电阻电容模块得到）构成比例调节器，用万用表的直流mV档测量“8”端输出，调节调零电位器RP2，调节至输出约为零。
2.2正负限幅值的整定：
在“6、7”端串接30K电阻和可调电容（可调电容调至最大值）（从EAZT3-19可调电阻电容模块得到）构成比例积分调节器，在输入端“5”加一个+3V的给定电压，用万用表测量输出端“8”，调节RP3电位器，将其值整定为－6V；在输入端“5”加一个-3V的给定电压，调节RP1电位器，将其值整定为6V。
EZT3-16调节器II模块
模块介绍
该模块是由运算放大器、限幅电路、输入选择网络等环节构成。
其工作原理基本上与调节器一相同。
如下所示：
调节器二与调节器一相比，增加了几个输入端，其中“3”端用于接收推β信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“Uβ”端输出一个推β信号（高电平），信号击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，α角向180°方向移动，降低整流时输出电压，保护主电路。
“5、7”端预留出用于外接逻辑控制器的相应输出端，当高电平输入时击穿稳压管，三极管Q1、Q2导通，相应的“4、6”端的输入电压信号对地短接。
调试方法
2.1调零：
把输入端“1至7”短接后接地，在“8、9”间接30K电阻（从EAZT3-19可调电阻电容模块得到）构成比例调节器，用万用表的直流mV档测量“10”端输出，调节调零电位器RP2，调节至输出约为零。
2.2正负限幅值的整定：
在“8、9”端串接30K电阻和可调电容（可调电容调至最大值）（从EAZT3-19可调电阻电容模块得到）构成比例积分调节器，在输入端“4”加一个+3V给定电压，用万用表测量输出端“10”，调节RP3电位器，将其值整定为－6V；在输入端“4”加一个-3V给定电压，调节RP1电位器，将其值整定为+6V。
经过实验检测，调节器Ⅰ和调节器Ⅱ正负限幅的调节最好在实验完整的系统中进行调节，而不是单个模块进行调节。
EZT3-17电流反馈与过流保护模块
模块介绍
本模块的主要作用是检测主电源输出的电流反馈信号，并且当主电源输出的电流超过某一设定值是发出过流信号报警并切断控制屏的主电源。
其原理图如下
TA1、TA2、TA3接连电流互感器模块的输出端，他的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，二极管VD9阳极截取出零电流检测信号I0，预留出为检测模块使用。
电位器RP1滑动抽头端输出作为电流采样（反馈）信号，从If端输出。
电流反馈系数由RP1调节。
RP2的滑动端与过流保护电路相连，调节RP2可以调节过流保护的告警点。
当告警时运放输出一个高电平信号从Uβ端输出，作为推β信号供电流调节器（调节器II）使用。
EZT3-18直流电压传感器模块
模块介绍
电压传感器的作用是为电压环提供电压反馈信号，他利用线性光偶隔离对输入的直流电压进行实时测量，并转换为适当电压值输出，通过调节W3即可得到所需的电压反馈系数。
直流电压输入端电压不得超过300V，输出端直流电压的极性与输入电压的极性有关：
当输入电压以上端为地时，输出电压以-OUT为地。
当输入电压以下端为地时，输出电压以+OUT端为地。
整定电位器决定W3电位器的调节上限。
当调节W3电位器到底后仍不满足需要，则可以调节整定电位器。
调零电位器作用是平衡输入电压在极性不同时，输出电压的偏移值（例：
输入+200V与-200V直流电压时，假定输出电压为-5V与+7V。
则可以通过调节调零电位器使之输出为-6V与+6V）
EZT3-19可调电阻电容模块
模块介绍
本模块为调节器模块外接的电阻、电容。
电阻阻值可在0~999K范围内调节（最小调节量为1K），功率为0.25W。
电容可在5个固定值间排列组合出数种数值。
当全部开关拨到断开时，可调电容为开路状态。
原理图如下
EZT3-20TCA785触发电路模块
模块介绍
西门子TCA785集成电路的内部框图如图所示。
西门子TCA785集成电路内部框图
集成块内部主要由“同步寄存器”、“基准电源”、“锯齿波形成电路”、“移相电压”和“锯齿波比较电路”和“逻辑控制功率放大”等功能块组成。
同步信号从TCA785集成电路的第5脚输入，“过零检测”部分对同步电压信号进行检测，当检测到同步信号过零时，信号送“同步寄存器”。
“同步寄存器”输出控制锯齿波发生电路，锯齿波的斜率大小由第9脚外接电阻和10脚外接电容决定；输出脉冲宽度由12脚外接电容的大小决定；14、15脚输出对应负半周和正半周的触发脉冲，移相控制电压从11脚输入。
模块原理图如下
同步信号由模块的ax端口输入（即图中的AC15V），移相电压由Uct端口（INPUT）输入，锯齿波的幅值由RP1电位器调节，RP2、RP3、RP4电位器调节偏移电压与限定α角的移相范围。
调试方法
2.1RP1电位器顺时针到底，此时芯片第10脚输出的锯齿波幅值应为最大，调节RP3、RP4电位器到底使芯片第11脚电压值最大。
2.2示波器的一路探头检测同步信号，另一路探头检测触发脉冲信号输出口G1K1（需连接好晶闸管模块），调节RP2电位器使触发脉冲信号出现并处于α=180°的位置。
2.3调节RP3观测触发脉冲的可移相范围是否大于175°否则调节RP4电位器，必要时也可调节RP2电位器，然后按照2.2重新整定。
逻辑控制模块
1.逻辑控制模块
逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进
行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。
其原理图如图1-6所示。
其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推b电路和功放电路等环节组成。
图1-6逻辑控制器原理图
（1）逻辑判断环节
逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换（由UM是否变换状态决定）及切换条件是否具备（由UI是否从“0”变“1”决定）。
即当UM变号后，零电平检测到主电路电流过零（UI=“1”）时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。
（2）延时环节
要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2（约10ms）之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用，VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。
（3）逻辑保护环节
逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。
当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。
加入逻辑保护环节后。
当UZ、UF全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出A点（二极管D8和D9连接点）电位变为“0”，使Ulf和Ulr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。
（4）推β环节
在正、反桥切换时，逻辑控制器中的U2E输出“1”状态信号，将此信号送入调节器II的输入端作为脉冲后移推β信号，从而可避免切换时电流的冲击。
（5）功放电路
由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动Ulf、Ulr,故增加了V3、V4组成的功率放大级。
2.转矩极性零电平模块
（1）转矩极性
转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。
它是一个由比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。
其原理图如图1-7所示。
转矩极性鉴别器的输入输出特性如图1-9a所示，具有继电特性。
调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。
继电特性的回环宽度为:
Uk=Usr2一Usr1=K1（Uscm2一Uscm1）
式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。
逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2～0.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。
图1-7转矩极性鉴别原理图
图1-8零电平检测器原理
（2）零电平
零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。
其原理图和输入输出特性分别如图1-8和图1-9b所示。
注：
零电平检测的坐标零点Usr不一定代表0V,而是表示在接线完整的情况下，可以在电机开环实验情况下，给定为零时，电流反馈端口I0端口输出给零电平检测的电压，一般为0.3V左右。
3.
（a）转矩极性检测（b）零电平检测
图1-9转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性
3.反号器模块
反号器由运算放大器及相关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合，如图1-10。
反号器的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为：
U2=-（RP1+R3）/R1×U1
调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则
U2=-U1
输入与输出成倒相关系。
电位器RP1装在面板上，调零电位器RP2装在内部线路板上（在出厂前我们已经将运放调零，用户不需调零）
图1-10反号器原理图
实验模块总体布局参考图
为防止胡乱摆放模块而造成接线紊乱，特将模块的总体布局图提供，老师学生在做实验时可按照布局图进行模块的布局。
图1-11实验模块总体布局一览图
第二章电力电子实验
2-1单相半波可控整流电路实验
一、实验目的
（1）掌握TCA785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负载及电阻电感性负载时的工作状态。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
名称
数量
1
THMDK-3
控制屏
1组
2
EZT3-20
TCA785触发电路模块
1块
3
MDK-08
低压直流电源及给定组件
1组
4
MDK-66
单相同步变压器模块
1块
5
MDK-62
晶闸管主电路模块
1块
6
双踪示波器
1台
三、实验线路及原理
单相半波可控整流电路接单相可调电阻箱作为电阻性负载。
图2-1单相半波可控整流电路实训接线图
四、实验内容
（1）TCA785集成移相触发电路的调试。
（2）单相半波整流电路带电阻性负载时Ud/U2=f（α）特性的测定。
五、预习要求
阅读有关TCA785触发电路的内容，弄清触发电路的工作原理。
六、思考题
（1）TCA785触发电路有哪些特点?
（2）TCA785触发电路的移相范围和脉冲宽度与哪些参数有关?
七、实验方法
（1）断开漏电保护器，从单相固定交流电源220V引线接入挂箱MDK-08和所需仪表挂件，按照图2-1进行接线。
（2）合上漏电保护器。
将MDK-08上给定拨到正给定，给定电压调到零。
用双踪示波器一路观察单相同步信号变压器模块ax两点之间的波形，另外一路观察785模块上G1K1两点之间的波形。
调节785模块上RP2电位器，使给定0V时，脉冲在α=180°位置。
增加给定时，α减小。
785的具体调试方法参考1-3模块功能介绍785触发电路部分。
（3）按下启动按钮，调压器输出端UN调至220V，调节RP2，使给定0V时，输出电压也为0。
（4）缓慢增加给定，观察α=30°、60°、90°、120°、150°时整流输出电压Ud、晶闸管两端电压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
30o
60o
90o
120o
150o
U2
Ud（记录值）
Ud/U2
Ud（计算值）
Ud=0.45U2（1+cosα）/2
八、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）讨论、分析实验中出现的各种现象。
九、注意事项
（1）双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。
为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。
当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
（2）由于“G”、“K“输出端有电容影响，故观察触发脉冲电压波形时，需将输出端“G”和“K”分别接到晶闸管的门极和阴极（或者也可用约100Ω左
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