电力电子实验二.doc
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三相全桥整流及有源逆变实验报告
四川大学电气信息学院
实验报告书
课程名称：
电力电子技术
实验项目：
三相全桥整流及有源逆变实验
专业班组：
电气工程及其自动化105，109班
实验时间：
2014年11月19日
成绩评定：
评阅教师：
报告撰写：
电气信息学院专业中心实验室
1
目录
一．实验内容
1.1实验项目名称·······················1
1.2实验完成目标·······················1
1.3实验内容及已知条件····················1
二．实验环境
2.1主要设备仪器·······················2
2.2小组人员分工·······················3
三．实验仿真与分析
3.1整流部分·························3
3.2逆变部分·························13
3.3仿真感想·························14
四．实验过程
4.1连接三相整流桥及逆变回路·················14
4.2整流工作·························15
4.3逆变工作·························18
五．实验数据处理与分析
5.1实验数据与处理······················19
5.2误差分析·························21
5.3可信度分析························21
六．思考与讨论
6.1实验思考题························22
6.2实验讨论题························22
七．实验感悟··························24
附件（最后一页有小惊喜哟）
一.实验内容
1.1实验名称
三相全桥整流及有源逆变实验
1.2实验完成目标
①观测分析整流状态下（阻性负载、阻-感性负载）ud，uVT波形；
②观测分析逆变状态下（阻-感性-反电动势负载）ud，uVT波形及逆变功率测量；
1.3实验内容及已知条件
①连接三相整流桥及逆变回路
u由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35）,输出三相电源（线电压约110~130v）作为三相变流桥的交流输入；
u由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作为逆变时负载回路的电动势源（大小恒定的电压源）；
u由双刀双置开关构成整流和逆变选择回路（严禁主回路带电时切换此开关）；
u约定整流、逆变临界控制点为Uct=0，当Uct﹥0时，处于整流移相控制；Uct﹤0时处于逆变移相控制：
②整流工作
u阻性负载测试：
双置开关选择整流回路，负载电阻设定为最大（约450W），加正给定电压。
1）观测并记录整流状态下α≈0O，60O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；
2）α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；
3）α≈0O时封锁任2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；（一次：
共阴极组2只；一次：
阴极阳极组各1只）
u阻-感（300W+700mH）负载测试：
双置开关选择整流回路，观测并记录α=30O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；α=0O时任意封锁1只和2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值。
③逆变工作
断掉主回路电源，将负载回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。
u选负给定信号，保持负载为（450Ω+700mH），再合上电源，观测逆变状态下β=60O，90O时ud，uVT波形；
u在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH，直流反电动势E基本恒定），在最大逆变移相范围内，测定电网实际吸收直流功率Pk=f（Ud）的函数曲线（不低于8组数据点）。
已知，三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26W。
二．实验环境
2.1工欲善其事必先利其器，此乃实验仪器表
名称
品种
特点、参数
图鉴
实验台
华纬MCL-Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台
=。
=下回带尺子量三维去
图2-1
示波器
TektronixTDS1012示波器
（带宽：
100MHZ最高采样频率：
1GS/s）
图2-2
数字万用表
=。
=俺就一普通万用表了
解析度：
10μV,10nA和10mΩ
DCV基本准确度0.03%
图2-3
图2-1实验台
图2-2示波器
图2-3数字万用表
2.2小组人员分工
组员姓名
报告形成
√
√
电路仿真
√
数据处理
√
讨论分析
√
√
√
√
实验操作
√
√
√
√
三.实验仿真
3.1整流部分
1.阻性负载波形及分析：
连接阻性负载时，电路如下图所示：
调节晶闸管参数:
调节脉冲参数:
左图为晶闸管参数,为了接近理想晶闸管,缓冲电阻（Rs）应尽量大，缓冲电容Cs也应尽量大，否则结果会出现错误。
右图为脉冲参数，周期为0.02s（50Hz），延迟角和脉冲宽度的调节是接下来的重点。
=0°时，输出电压波形和晶闸管两端电压波形如下图所示：
上部分图为输出电压波形，下部分图波形为晶闸管两端电压波形，以下所有图均是如此。
此时输出电压不断换相，输出，，，，，中最大值，所以每个周期有6个波头。
每个周期内共阴极的三个晶闸管,,。
交替导通，各导通120°。
每个周期内共阳极的三个晶闸管,,。
交替导通，也各导通120°
=60°时，输出电压波形和晶闸管两端电压波形如下图所示：
图中为5个周期的波形（0.1s）。
此时电压为临界连续状态，在线电压过零点时换相。
每个周期换相6次，此时每个晶闸管导通角仍为120度。
=90°时，输出电压波形和晶闸管两端电压波形如下图所示：
在=90°时，应当注意的是此时电压不连续，存在6个晶闸管都不导通的时刻，然而电路的导通至少需要两只晶闸管处于导通状态，因此，在6只晶闸管都关断后，应当对两只晶闸管同时加脉冲才能实现波形，也就是说，每个晶闸管在一个周期内要两次从关断状态变为导通状态，因此，每个周期要给每只晶闸管施加两次脉冲。
经计算，得到晶闸管一个周期内前一次导通和后一次导通相差3.333ms，因此可以通过将脉冲宽度增加到4ms，这样就可以出现上图波形，如果没有晶闸管没有导通两次，就会得到以下波形：
此图显然不正确，输出电压波形不规律。
因此，应当注意晶闸管导通次数，才能完成90度时的波形。
任意封锁一直晶闸管，观察输出电压波形，由于6个晶闸管地位均等，所以只需断开任意一个晶闸管，这里断开，波形如下：
出现如上的波形是因为一个晶闸管没有脉冲，因此无法导通，这就使得与这个晶闸管相关的两个连续波头消失，因此只有4个波头，由于这个晶闸管无法正常导通，直接导致前一个晶闸管无法正常关断，因此第四个波头会一直延伸到电压过零点承受反向电压关断。
封锁两只晶闸管会出现三种情况：
（1）封锁共阴极晶闸管：
以上两图分别为封锁,的脉冲和封锁,脉冲的波形，因为同为共阴极，因此每个周期有4个波头消失，而且因为无法导通导致前一波头一直延伸到电压零点才关断。
以上两图脉冲波形形状相同，只是相位上有所差异。
（2）封锁同一相的两只晶闸管：
上图为封锁和的波形，由于封锁全是a相电压，所以六个波头中，，，，会消失，剩下的波头，不连续，因此会出现一个周期只有两个不连续的波头，因无法正常关断，因此都延伸到电压零点。
（3）封锁不同相的一阴一阳两个二极管：
图中上部分为输出电压波形，下部分为晶闸管两端电压。
上图分别是封锁和，和，封锁脉冲信号的两个本应当消失4个波头，但是由于有一个波头是这两个晶闸管共同作用下的，因此实际上只影响3个波头，因此波形中出现每周期3个波头，最后一个延续到电压过零点。
2.阻感负载电路图：
1.阻感负载时波形及分析：
=30°时输出电压波形和晶闸管两端电压波形如下图所示：
此时由于电压未过零点，因此与阻性负载时=30°时大致相同，电压连续且每个周期6个波头。
=90°时输出电压波形和晶闸管两端电压波形如下图所示：
由于电感的电流不能突变，在电压过零时不能及时换相，因此电压波形中出现负值，电压不再像阻性负载一样断续，而是连续，不存在6个晶闸管都不导通的情况。
但是电感并不是无穷大，所以电压反向的幅值小于正向的幅值，并且在换相的时候出现震荡,下图为震荡的放大图：
封锁的脉冲信号，出现波形如下：
此时与阻性负载波形类似，每周期4个波头。
封锁两个晶闸管有以下3种情况：
（1）封锁两个共阴极晶闸管：
以上两图分别为封锁,的脉冲和封锁,脉冲的波形，因为同为共阴极，因此每个周期有4个波头消失，与阻性负载不同的是，波头更加平滑。
以上两图脉冲波形形状相同，只是相位上有所差异。
（2）封锁同一相的两只晶闸管：
此时与阻性负载没有较大差异
（3）封锁不同相的一阴一阳晶闸管：
上图为阻感负载时封锁和，和的波形，总体波形与阻性负载相同，只是因为电感的存在，电压在换相时出现较大波动。
3.2逆变部分
1.逆变电路：
添加直流源，满足，,
2.逆变电路波形及分析
=60°时，及=120°，波形如下图：
由于反向直流源的存在，波形为负值，与阻性负载60度时波形与横轴成镜像关系。
=90°时，及=90°，波形如下图：
此时波形与90度阻感负载时类似，但是由于方向电动势的存在，电压正向的幅值与电压反向的幅值相等。
3.3仿真感想
此次选择matlab仿真是因为在使用multisim的过程中出现较多运行中的错误，导致仿真无法进行，经多次调整仍不能解决，因此换用matlab作为仿真工具。
Matlab在仿真时更加容易完成波形，可以容纳更多错误。
在仿真过程中最需要做的就是调节晶闸管的各项参数，因为只是一个模型，所以使一个模型能够完成实际的效果是很关键的。
参数调节不好会容易出现错误波形。
比如晶闸管的缓冲电容Cs如果过小，会导致损失一个波头。
如果晶闸管缓冲电阻Rs太小，会导致与实际的晶闸管不同。
波形在接近零点的时候会失真。
因此调节晶闸管参数十分重要。
四．实验过程（上正菜喽~）
4.1从连电路开始（其实已经都由善解人意的老师帮忙指点连接了八九成了）
在这次试验中，由于涉及到了安全原因，所以不得不麻烦老师很辛苦的挨个指导、连接。
本次实验线路具体说起来便是将MCL-32，即三相隔离变压器的二次绕组接至MCL-35，即三相降压变压器。
而三相变流桥的交流输入则选用的是输出三相电源（线电压约110~130v）。
至于逆变时，负载回路（其实应该叫电源回路不是么=。
=）的电动势源为MCL-32接至二极管组所构成的三相不可控全波整流桥。
电路里是通过一双刀双置开关来选择整流和逆变回路的（千万不能在主回路带电时切换，不然后果很严重（*O﹏O*））；
将Uct=0视为整流、逆变临界控制点：
当Uct﹥0时，处于整流移相控制；Uct﹤0时处于逆变移相控制；（其实我个人更倾向于说α=90。
）
本次实验的线路连接在实验前已由指导老师完成，噹噹噹噹~下面是连好的线路的玉照
4.2让我们整流吧（整流工作）
测试阻性负载：
首先将负载电阻调到最大，通过双置开关选择整流回路，加正给定电压。
观测并记录整流状态下α≈0O，60O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；
通过调节移相可调电位器，观察示波器波形，我们用相机分别记录下α≈0°，60°，90°时ud、uVT波形，如下所示：
P.S.小小得吐槽下，这次角度都是通过图像估计得，等于拿着图像找图像=。
=
α
Ud
UVT
α≈0°
α≈60°
α≈90°
α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；如图4-7所示。
大小值在波形图上，由示波器直接给出。
α≈0O时封锁任2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值（一次：
共阴极组2只，如图4-8所示；一次：
阴极阳极组各1只，如图4-9所示）。
大小值在波形图上，由示波器直接给出。
α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号
α≈0O时封锁任2只共阴极晶闸管的脉冲信号
α≈0O时封锁一阴一阳极晶闸管的脉冲信号
阻-感（300W+700mH）负载测试：
双置开关选择整流回路，观测并记录α=30O（如图4-10所示），90O（如图4-11所示），时Ud波形，α=30O（如图4-12所示），90O（如图4-13所示），时Uvt波形（注意限制Id≤0.8A）；
α
Ud
Uvt
30O
90O
α=0O时任意封锁1只（如图4-14所示），和2只（图4-15所示为封锁1，2号晶闸管，晶闸管的脉冲信号，图4-16所示为封锁1，3号晶闸管，晶闸管的脉冲信号）晶闸管的脉冲信号，记录Ud的波形及大小值。
大小值在波形图上，由示波器直接给出。
任意封锁1只晶闸管的脉冲信号
封锁1，2号晶闸管的脉冲信号
封锁1，3号晶闸管的脉冲信号
4.3一起逆变吧（逆变工作）
断掉主回路电源，将负载回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。
u 选负给定信号，保持负载为（450Ω+700mH），再合上电源，观测逆变状态下β=60°，90°时Ud，Uvt波形；用相机记录如下：
β
Ud
Uvt
60°
90°
在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH，直流反电动势E基本恒定），在最大逆变移相范围内，测定电网实际吸收直流功率Pk=f（Ud）的函数曲线（不低于8组数据点）。
已知，三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26。
在逆变移相范围极限取到Ud分别为0V和-164V，我们为了读数的准确控制了I的值，取得了几组不同数据。
U（V）
I（A）
0
0.65
-24
0.60
-46
0.55
-68
0.50
-91
0.45
-100
0.42
-114
0.40
-130
0.38
-144
0.35
-167
0.3
如上表，记录分别在Ud=-24V，-46V，-68V，-91V，-100V，-114V，-130V，-144V，167V时参数的值，计算出Pk的值。
（附上我们辛苦劳动所得的数据~之后的各种分析就是和它们愉快地玩耍啦~）
五．数据处理及误差分析
5.1实验数据与处理
逆变工作时，在恒定负载情况下，我们在Ud为0V到-167V范围内调整逆变角测得一系列Ud及对应的I（见表格）。
我们在matlab中对实验原始数据进行处理，根据公式计算出电网实际吸收直流功率Pk：
Ud（V）
I（A）
Pk（W）
0
0.65
-10.98
-24
0.6
5.04
-46
0.55
17.44
-68
0.5
27.50
-91
0.45
35.68
-100
0.42
37.41
-114
0.40
41.44
-130
0.38
45.65
-144
0.35
47.21
-167
0.3
47.76
阻性负载时：
封锁任意一只晶闸管脉冲信号，Ud=123V；
封锁任意两只晶闸管脉冲信号，Ud=68V（共阴极组两只）；
Ud=95V（阴极阳极组各一只）。
感性负载时：
封锁任意一只晶闸管脉冲信号，Ud=119V；
封锁任意两只晶闸管脉冲信号，Ud=64V（封锁VT1，VT4）；
Ud=83V（封锁VT1，VT6）
接下来，我们对实验所测得的数据进行拟合。
并根据拟合结果来判断参数间的关系。
拟合结果见下图。
Pk=f（Ud）实验测试曲线以及二阶拟合曲线
其中二次拟合曲线方程为
接下来我们对拟合结果做可信度分析。
我们使用regress函数对二次拟合曲线的系数与残差做置信度为90%的置信分析。
二次拟合曲线系数的置信区间：
阶数
拟合系数
系数的置信区间
0
-10.7097
（-11.8044，-9.6150）
1
-0.6991
（-0.7280，-0.6701）
2
-0.0021
（-0.0022，-0.0019）
残差与残差的置信区间：
序号
残差
残差的置信区间
1
-0.2753
（-1.0276,0.4770）
2
0.1714
（-1.0357,1.3784）
3
0.3927
（-0.8292,1.6145）
4
0.2988
（-0.9359,1.5335）
5
0.0174
（-1.2535,1.2883）
6
-0.9675
（-1.8451,-0.0899）
7
-0.4918
（-1.7022,0.7186）
8
0.6549
（-0.4812,1.7911）
9
0.422
（-0.7534,1.5974）
10
-0.2226
（-1.0257,0.5804）
残差图如下：
由图可见，除了第六个点的残差略大，其他拟合估计值与实验值较近，且残差置信区间包括了零点，说明二次拟合曲线能较好的负荷原始数据。
5.2误差分析
一．测量仪器如电压表电流表精度不高，有误差且读数时不能做到完全准确。
二.实验仪器中的Rn不是严格为26欧姆，所以计算时会有偏差。
三.阻性负载450欧姆和阻感负载中700mH的电感不严格满足。
四.晶闸管导通需要时间不可能瞬时导通，而理论分析时认为晶闸管瞬间导通，所以实际的Ud与理论计算不一样。
5.3可行性分析
本次试验我们通过连接三相全控桥式整流电路带阻性负载，测出延迟角在0°，60°和90°时的输出电压波形和晶闸管承受电压波形，之后又测出了断掉一只晶闸管和两只晶闸管多种情况的波形，改变负载为阻感负载，侧除了延迟角为30°和90°的波形以及延迟角在0°时的断掉一只晶闸管和两只晶闸管多种情况的波形。
接入直流电源改为逆变电路，测出逆变角在60°和90°的波形。
总体上说，操作过程中没有出现错误操作，实验结果应当与理论值相同，但是由于误差的存在，比如电感并不是无穷大（只有700mH），测量仪器老化，测量数据波动，读取误差等问题的存在，数据和图像会存在些许偏差，尤其是在做晶闸管脉冲信号屏蔽实验中，由于电路不正常运行，尤其是在带电感的时候，会产生很多震荡和尖峰，但是在反映电路性质和基本数量关系上面，此实验还是可信度很高的
六.思考与讨论
6.1实验思考题
1.如何近似估算电网吸收的电功率？
答：
在本次试验中，逆变角大小由调节来决定。
所以只要测量各个逆变角情况下的负载电压和负载电流大小就可以算出吸收功率。
其计算公式为：
，其中和均为有效值，为三相全控桥电源回路输出端等效内阻。
6.2实验讨论题
1.分析比较整流工作时，阻性负载和阻感负载在缺相（丢失一路触发信号）故障下，瞬时波形的差异？
答：
由于流过电感的电流不能突变，所以阻感负载可以改善断续的波形，使之变得连续。
由此可知，阻性负载在缺相时的波形是断续的，而阻感负载在缺相时的波形是连续的，并且可以过零点。
为了更直观地看出这两者间的区别，我给出了封锁阴阳极各一只晶闸管的阻感负载和阻性负载的负载波形图像如下：
封锁了阴，阳极各一只的阻性负载波形封锁了阴，阳极各一只的阻感负载波形
2.整流状态下阻感负载时，α=90°时的瞬时波形一定有正负半波对称吗？
为什么？
答：
不一定。
实验得到的时的阻感负载整流波形如下：
由此图可知，当负载由450Ω的电阻以及700mH的电感串联组成时，得到的电压波形并不对称，正半波较大而负半波较小。
只有当理想条件下电感为无限大时正负半波才会对称。
在实际情况下为了使波形尽可能地和理想情况接近，应当使电阻尽可能小，电感尽可能大，但同时应保证。
3、说明逆变状态下，逆变电源的负载波形是电路上哪两端的波形？
为什么逆变输出电压越高，负载电流越小？
答：
在逆变状态下，负载两端的电压是指加在三相全控桥晶闸管共阳极和共阴极两端的电压。
因为，所以当逆变输出电压越大，负载电流越小。
4、做出=f（）特性曲线，并对变化趋势做出定性分析。
答：
特性曲线如下
根据此图，我们可以定性地做出以下分析：
1.从拟合出来的公式来看，与成二次关系，这与理论上相符合，进而验证了我们数据的正确性。
2.在-40V<<0时，曲线大致呈线性关系。
3.当<-140V时，曲线趋近平缓，随着绝对值继续增大，值几乎不再变化。
七.实验感悟
首先我不得不吐槽一下肖勇老师对实验报告的要求太高了，我们一组4人为达到肖勇老师的要求可以说是用尽了身上每一根汗毛，让每天晚上12点到1点成为了雷打不动的写报告时间。
在做实验前我们做了充分的预习，再加上有肖勇老师详细而幽默的讲解，连连导线，记录数据神马的都是小菜一碟。
但在实验过程中出现了与书本上不同的波形，同时晶闸管导通角的调整也不是像书上说的那样容易，在实验时不能调整到α=90°。
我们才深深地体会到了现实的“残酷”，可见在把知识运用到实际中要考虑的因素远远超过了书本中提到的因素。
在书写实验报告时，为了让肖勇老师满意，小组成员自学并使用了MATLAB，SIMULINK，MULTISIM等软件。
同时也仔细对试验中的细节进行了思考，并给出了合理的解释，因此我们对书本上的知识有了更加深入的理解。
当然，我们用WORD软件排版的能力也增强了不少。
正所谓“严师出高徒”，再次感谢肖勇老师在实验中的指导与独特理念的传授。
附件
Matlab程序：
Ud=[0,-24,-46,-68,-91,-100,-114,-130,-144,-167];
I=[0.65,0.6,0.55,0.5,0.45,0.42,0.40,0.38,0.35,0.3];
Pk=-Ud.*I-I.^2*26;
[p,s]=polyfit（Ud,Pk,2）;
xi=linspace（-167,0,100）;
z=polyval（p,xi）;
holdon
plot（Ud,Pk,xi,z,'--',Ud,Pk
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