電力電子技術實驗講義（修訂一）

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章實驗的基本要求 3第二章電力電子技術實驗項目 62-4西門子TCA785集成觸發電路實驗 62-5單相半波可控整流電路實驗 102-7單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗 132-11三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗 162-12單相交流調壓電路實驗 19第三章現代電力電子器件特性及典型線路實驗 213-3直流斬波電路的性能研究 223-4SPWM單相交直交變頻原理實驗 28第一章實驗的基本要求一、實驗前的準備實驗前的預習階段，是保證實驗能否順利進行的必要步驟。每次實驗前都應先進行預習，從而提高實驗質量和效率，否則就有可能在實驗時不知如何下手，浪費時間，完不成實驗要求，甚至有可能損壞實驗裝置。因此，實驗前應做到：復習教材中與實驗有關的內容，熟悉與本次實驗相關的理論知識。閱讀本教材中的實驗指導，了解本次實驗的目的和內容；掌握本次實驗系統的工作原理和方法；明確實驗過程中應注意的問題。(3)寫出預習報告，其中應包括實驗系統的詳細接線圖、實驗步驟、數據記錄表格等。(4)進行實驗分組，一般情況下，電力電子技術實驗分組為每組1～2人，交、直流調速系統實驗的實驗小組為每組2～3人。二、實驗的實施過程在完成理論學習、實驗預習等環節后，就可進入實驗實施階段。實驗時要做到以下幾點：(1)實驗開始前，指導教師要對學生的預習報告作檢查，要求學生了解本次實驗的目的、內容和方法，只有滿足此要求后，方能允許實驗。

(2)指導教師對實驗裝置作介紹，要求學生熟悉本次實驗使用的實驗設備、儀器，明確這些設備的功能與使用方法。(3)按實驗小組進行實驗，實驗小組成員應進行明確的分工，以保證實驗操作協調，記錄數據準確可靠，各人的任務應在實驗進行中實行輪換，以便實驗參加者能全面掌握實驗技術，提高動手能力。(4)按預習報告上的實驗系統詳細線路圖進行接線，一般情況下，接線次序為先主電路，后控制電路；先串聯，后并聯。在進行調速系統實驗時，也可由2人同時進行主電路和控制電路的接線。(5)完成實驗系統接線后，必須進行自查。串聯回路從電源的某一端出發，按回路逐項檢查各儀表、設備、負載的位置、極性等是否正確;并聯支路則檢查其兩端的連接點是否在指定的位置。距離較遠的兩連接端必須選用長導線直接跨接，不得用2根導線在實驗裝置上的某接線端進行過渡連接。(6)實驗時，應按實驗教材所提出的要求及步驟，逐項進行實驗和操作。除作階躍啟動試驗外,系統啟動前，應使負載電阻值最大，給定電位器處于零位；測試記錄點的分布應均勻；改接線路時，必須斷開主電源方可進行。實驗中應觀察實驗現象是否正常，所得數據是否合理，實驗結果是否與理論相一致。(7)完成本次實驗全部內容后，應請指導教師檢查實驗數據、記錄的波形。經指導教師認可后方可拆除接線，整理好連接線、儀器、工具，使之物歸原位。三、實驗的總結實驗的最后階段是實驗總結，即對實驗數據進行整理、繪制波形和圖表、分析實驗現象、撰寫實驗報告。每位實驗參與者都要獨立完成一份實驗報告，實驗報告的編寫應持嚴肅認真、實事求是的科學態度。如實驗結果與理論有較大出入時，不得隨意修改實驗數據和結果，不得用湊數據的方法來向理論靠攏，而是用理論知識來分析實驗數據和結果，解釋實驗現象，找出引起較大誤差的原因。實驗報告的一般格式如下:(1)實驗名稱、專業、班級、實驗學生姓名、同組者姓名和實驗時間。(2)實驗目的、實驗線路、實驗內容。(3)實驗設備、儀器、儀表的型號、規格、銘牌數據及實驗裝置編號。(4)實驗數據的整理、列表、計算，并列出計算所用的計算公式。(5)畫出與實驗數據相對應的特性曲線及記錄的波形。(6)用理論知識對實驗結果進行分析總結，得出明確的結論。(7)對實驗中出現的某些現象、遇到的問題進行分析、討論，寫出心得體會，并對實驗提出自己的建議和改進措施。(8)實驗報告應寫在一定規格的報告紙上，保持整潔。(9)每次實驗每人獨立完成一份報告，按時送交指導教師批閱。四、實驗的安全操作規程為了順利完成電力電子技術及電機控制實驗，確保實驗時人身安全與設備的可靠運行要嚴格遵守如下安全操作規程：1、在實驗過程時，絕對不允許實驗人員將雙手接到隔離變壓器的兩個輸出端，將人體作為負載使用。2、為了提高學生的安全用電常識，任何接線和拆線都必須在切斷主電源后方可進行。3、為了提高實驗過程中的效率，學生獨立完成接線或改接線路后，應仔細再次核對線路，并使組內其他同學引起注意后方可接通電源。4、如果在實驗過程中發生過流告警，應仔細檢查線路以及電位器的調節參數，確定無誤后方能重新進行實驗。5、在實驗中應注意所接儀表的最大量程，選擇合適的負載完成實驗，以免損壞儀表、電源或負載。6、在完成電流、轉速閉環實驗前一定要確保反饋極性是否正確，應構成負反饋，避免出現正反饋，造成過流。7、除特殊說明外，系統起動前負載電阻必須放在最大阻值，給定電位器必須退回至零位后，才允許合閘起動并慢慢增加給定，以免元件和設備過載損壞。8、在直流電機啟動時，要先開勵磁電源，后加電樞電壓。在完成實驗時，要先關電樞電壓，再關勵磁電源。第二章電力電子技術實驗項目2-1西門子TCA785集成觸發電路實驗一、實驗目的(1)加深理解鋸齒波集成同步移相觸發電路的工作原理及各元件的作用。(2)掌握西門子的Tca785集成鋸齒波同步移相觸發電路的調試方法。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DK01電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DK05晶閘管觸發電路該掛件包含“TCA785單相集成觸發電路”等模塊。3雙蹤示波器自備三、實驗線路及原理單相集成鋸齒波同步移相觸發電路的內部框圖如圖2-10所示。Tca785集成塊內部主要由“同步寄存器”、“基準電源”、“鋸齒波形成電路”、“移相電壓”和“鋸齒波比較電路”和“邏輯控制功率放大”等功能塊組成。同步信號從TCA785的第5腳輸出，“過零檢測”部分對同步電壓信號進行檢測，當檢測到同步信號過零時，信號送“同步寄存器”。“同步寄存器”輸出控制鋸齒波發生電路，鋸齒波的斜率大小由第9腳外接電阻和10腳外接電容決定；輸出脈沖寬度由12腳外接電容的大小決定；14、15腳輸出對應負半周和正半周的觸發脈沖，移相控制電壓從11腳輸入。圖2-10Tca785內部框圖典型應用電路如下圖所示：圖2-11Tca785鋸齒波移相觸發電路原理圖電位器RP1主要調節鋸齒波的斜率，電位器RP2則調節輸入的移相控制電壓，脈沖從14、15腳輸出，輸出的脈沖恰好互差180O，可供單相整流及逆變實驗用，各點波形請參考圖2-12。圖2-12單相集成鋸齒波觸發電路的各點電壓波形(α=900)電位器RP1、RP2均已安裝在掛箱的面板上，同步變壓器副邊已在掛箱內部接好，所有的測試信號都在面板上引出。四、實驗內容(1)Tca785集成移相觸發電路的調試。(2)Tca785集成移相觸發電路各點波形的觀察和分析。五、預習要求閱讀有關Tca785觸發電路的內容，弄清觸發電路的工作原理。六、思考題(1)Tca785觸發電路有哪些特點?(2)Tca785觸發電路的移相范圍和脈沖寬度與哪些參數有關?七、實驗方法特別注意：“主電路電源輸出”部分左邊U，V，W三相電壓是未經隔離的交流380V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主電路電源輸出”部分右邊A，B，C三相電壓是經隔離變壓器輸出的交流220V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、C處的發光管發光時，可向外電路提供220V/1.5A的三相交流電源，且左右部分兩個中線N之間是沒有電氣連接的，請不要混用。(1)用兩根導線將電源控制屏“主電路電源輸出”的A與B間220V交流線電壓接到DK05的“外接220V”端，按下“啟動”按鈕，打開DK05電源開關，這時掛件中所有的觸發電路都開始工作，用雙蹤示波器一路探頭觀測15V的同步電壓信號，另一路探頭觀察Tca785觸發電路中同步信號“1”點的波形，“2”點鋸齒波，調節斜率電位器RP1，觀察“2”點鋸齒波的斜率變化，“3”、“4”互差1800的觸發脈沖；最后觀測輸出的四路觸發電壓波形，其能否在30°～170°范圍內移相?①同時觀察同步電壓和“1”點的電壓波形，了解“1”點波形形成的原因。②觀察“2”點的鋸齒波波形，調節電位器RP1，觀測“2”點鋸齒波斜率的變化。③觀察“3”、“4”兩點輸出脈沖的波形，記下各波形的幅值與寬度。(2)調節觸發脈沖的移相范圍調節RP2電位器，用示波器觀察同步電壓信號和“3”點U3的波形，觀察和記錄觸發脈沖的移相范圍。(3)調節電位器RP2使α=60°，觀察并記錄U1～U4及輸出“G、K”脈沖電壓的波形，標出其幅值與寬度，并記錄在下表中(可在示波器上直接讀出，讀數時應將示波器的“V/DIV”和“t/DIV”微調旋鈕旋到校準位置)。U1U2U3U4幅值(V)寬度(ms)八、實驗報告(1)整理、描繪實驗中記錄的各點波形，并標出其幅值和寬度。(2)討論、分析實驗中出現的各種現象。九、注意事項參照實驗一的注意事項。2-2單相半波可控整流電路實驗一、實驗目的(1)掌握單結晶體管觸發電路的調試步驟和方法。(2)掌握單相半波可控整流電路在電阻性負載及電阻電感性負載時的工作以及其整流輸出電壓（Ud）波形。(3)了解續流二極管的作用。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”模塊2DK03晶閘管主電路該掛件包含“晶閘管”、“電感”、“二極管”等模塊3DK05單相晶閘管觸發電路該掛件包含“單結晶體管觸發電路”模塊4DQ27三相可調電阻器調到最大,最小處附近時不要用力過猛5雙蹤示波器實驗室自備6萬用表實驗室自備三、實驗線路及原理將DK05掛件上的單結晶體管觸發電路的輸出端“G”和“K”接到DK03掛件面板上的正橋中的任意一個晶閘管的門極和陰極，接線如圖2-13所示。圖中的R負載用450Ω電阻（將兩個900Ω接成并聯形式）。電感Ld在DK03面板上，有100mH,200mH、700mH三檔可供選擇，本實驗中選用700mH。直流電壓表及直流電流表從DK03掛件上得到。二極管在DK03上（或選用DK08掛件）。圖2-13單相半波可控整流電路接線圖四、實驗內容(1)單結晶體管觸發電路的調試。(2)單結晶體管觸發電路各點電壓波形的觀察并記錄。(3)單相半波可控整流電路帶電阻性負載時Ud/U2=f(α)特性的測定。(4)單相半波可控整流電路帶電阻電感性負載時續流二極管作用的觀察。五、實驗方法(1)單結晶體管觸發電路的調試特別注意：“主電路電源輸出”部分左邊U，V，W三相電壓是未經隔離的交流380V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主電路電源輸出”部分右邊A，B，C三相電壓是經隔離變壓器輸出的交流220V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、C處的發光管發光時，可向外電路提供220V/1.5A的三相交流電源，且左右部分兩個中線N之間是沒有電氣連接的，請不要混用。用兩根導線將電源控制屏“主電路電源輸出”A與B間的220V交流線電壓（隔離變壓器輸出）接到DK05的“外接220V”端，按下“啟動”按鈕，打開DK05電源開關，用雙蹤示波器觀察單結晶體管觸發電路中整流輸出的梯形波電壓、鋸齒波電壓及單結晶體管觸發電路輸出電壓等波形。調節移相電位器RP1，觀察鋸齒波的周期變化及輸出脈沖波形的移相范圍能否在30°～170°范圍內移動?(2)單相半波可控整流電路接電阻性負載觸發電路調試正常后，按圖2-13電路圖接線。將電阻器調在最大阻值位置，按下“啟動”按鈕，用示波器觀察負載電壓Ud、晶閘管VT兩端電壓UVT的波形，調節電位器RP1，觀察α=30°、60°、90°、120°、150°時Ud、UVT的波形，并測量直流輸出電壓Ud和電源電壓U2，記錄于下表中。α30°60°90°120°150°U2Ud（記錄值）Ud/U2Ud（計算值）計算公式:Ud=0.45U2(1+cosα)/2(3)單相半波可控整流電路接電阻電感性負載將負載電阻R改成電阻電感性負載（由電阻器與平波電抗器Ld串聯而成）。暫不接續流二極管VD1，在不同阻抗角[阻抗角φ=tg-1(ωL/R)，保持電感量不變，改變R的電阻值,注意電流不要超過1A情況下，觀察并記錄α=30°、60°、90°、120°時的直流輸出電壓值Ud及UVT的波形。α30°60°90°120°150°U2Ud(記錄值）Ud/U2Ud（計算值）接入續流二極管VD1，重復上述實驗，觀察續流二極管的作用,以及UVD1波形的變化。α30°60°90°120°150°U2Ud（記錄值）Ud/U2Ud（計算值）計算公式:Ud=0.45U2(l十cosα)/2六、實驗報告(1)畫出α=90°時，電阻性負載和電阻電感性負載的Ud、UVT波形。(2)畫出電阻性負載時Ud/U2=f(α)的實驗曲線，并與計算值Ud的對應曲線相比較。七、注意事項(1)參照第一節的注意事項。(2)在本實驗中觸發電路選用的是單結晶體管觸發電路，同樣也可以用鋸齒波同步移相觸發電路來完成實驗。(3)在實驗中，觸發脈沖是從外部接入DK03面板上晶閘管的門極和陰極，此時,請不要用扁平線將DK03、DK04的正反橋觸發脈沖“輸入”“輸出”相連，并將Ulf及Ulr懸空，避免誤觸發。(4)為避免晶閘管意外損壞，實驗時要注意以下幾點：①在主電路未接通時，首先要調試觸發電路，只有觸發電路工作正常后，才可以接通主電路。②在接通主電路前，必須先將控制電壓Uct調到零，且將負載電阻調到最大阻值處；接通主電路后，才可逐漸加大控制電壓Uct，避免過流。③要選擇合適的負載電阻和電感，避免過流。在無法確定的情況下，應盡可能選用大的電阻值。(5)由于晶閘管持續工作時，需要有一定的維持電流，故要使晶閘管主電路可靠工作，其通過的電流不能太小，否則可能會造成晶閘管時斷時續，工作不可靠。在本實驗裝置中，要保證晶閘管正常工作，負載電流必須大于50mA以上。(6)在實驗中要注意同步電壓與觸發相位的關系，例如在單結晶體管觸發電路中，觸發脈沖產生的位置是在同步電壓的上半周，而在鋸齒波觸發電路中，觸發脈沖產生的位置是在同步電壓的下半周，所以在主電路接線時應充分考慮到這個問題，否則實驗就無法順利完成。(7)使用電抗器時要注意其通過的電流不要超過1A，保證線性。2-3單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗一、實驗目的(1)理解單相橋式全控整流及逆變電路的工作原理。(2)掌握實現有源逆變的條件。(3)掌握產生逆變顛覆的原因及預防方法。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等模塊2DK03晶閘管主電路該掛件包含“晶閘管”以及“電感”等模塊3DK05單相晶閘管觸發電路該掛件包含“鋸齒波同步觸發電路”模塊4DK12變壓器實驗該掛件包含“三相芯式變壓器”、“三相不控整流”等模塊5DQ27三相可調電阻器調到最大,最小處附近時不要用力過猛6雙蹤示波器自備7萬用表自備三、實驗線路及原理圖2-15為單相橋式整流帶電阻電感性負載，其輸出負載R用450Ω可調電阻器（將兩個900Ω接成并聯形式），電抗Ld用DK03面板上的200mH，直流電壓、電流表均在DK03面板上。觸發電路采用DK05掛件上的“鋸齒波同步移相觸發電路Ⅰ、Ⅱ”鋸齒波觸發脈沖G1，K1加到VT1的控制極和陰極，鋸齒波觸發脈沖G4，K4加到VT6控制極和陰極。鋸齒波觸發脈沖G2，K2加到VT4的控制極和陰極，鋸齒波觸發脈沖G3，K3加到VT3控制極和陰極。圖2-16為單相橋式有源逆變原理圖，三相電源經三相不控整流，得到一個直流電源（實驗時注意電源的極性），供逆變橋路使用，逆變橋路逆變出的交流電壓經升壓變壓器返饋回電網。“芯式變壓器”在此做為升壓變壓器用，從晶閘管逆變出的電壓接“芯式變壓器”的中壓端Am、Bm，返回電網的電壓從其高壓端A、B輸出，變壓器接成Y/Y接法。圖中的電阻R、電抗Ld和觸發電路與整流所用相同。有關實現有源逆變的必要條件等內容可參見電力電子技術教材的有關內容。圖2-15單相橋式整流實驗原理圖圖2-16單相橋式有源逆變電路實驗原理圖四、實驗內容(1)單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載。(2)單相橋式有源逆變電路帶電阻電感負載。(3)有源逆變電路逆變顛覆現象的觀察。五、實驗方法（1）特別注意：“主電路電源輸出”部分左邊U，V，W三相電壓是未經隔離的交流380V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主電路電源輸出”部分右邊A，B，C三相電壓是經隔離變壓器輸出的交流220V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、C處的發光管發光時，可向外電路提供220V/1.5A的三相交流電源，且左右部分兩個中線N之間是沒有電氣連接的，請不要混用。(2)觸發電路的調試用兩根導線將電源控制屏“主電路電源輸出”A與B間的220V交流線電壓（隔離變壓器輸出）接到DK05的“外接220V”端，按下“啟動”按鈕，打開DK05電源開關，這時掛件中所有的觸發電路都開始工作，用雙蹤示波器觀察鋸齒波同步觸發電路各觀察孔的電壓波形。將控制電壓Uct調至零(將電位器RP2順時針旋到底)，觀察同步電壓信號和“5”點U5的波形，調節偏移電壓Ub(即調RP3電位器)，使α=180°。將鋸齒波觸發電路的輸出脈沖端分別接至全控橋中相應晶閘管的門極和陰極，注意不要把相序接反了，否則無法進行整流和逆變。在實驗中，請不要用扁平線將DK03、DK04的正反橋觸發脈沖“輸入”“輸出”相連，確保晶閘管不被誤觸發。(3)單相橋式全控整流按圖2-15接線，將電阻器放在最大阻值處，按下“啟動”按鈕，保持Ub偏移電壓不變(即RP3固定)，逐漸增加Uct（調節RP2），在α=0°、30°、60°、90°、120°時，用示波器觀察、記錄整流電壓Ud和晶閘管兩端電壓Uvt的波形，并記錄電源電壓U2和負載電壓Ud的數值于下表中。α30°60°90°120°U2Ud（記錄值）Ud（計算值）計算公式:Ud＝O.9U2(1+cosα)/2(4)單相橋式有源逆變電路實驗按圖2-15接線，將電阻器放在最大阻值處，按下“啟動”按鈕，保持Ub偏移電壓不變(即RP3固定)，逐漸增加Uct（調節RP2），在β=30°、60°、90°時，觀察、記錄逆變電流Id和晶閘管兩端電壓Uvt的波形，并記錄負載電壓Ud的數值于下表中。β30°60°90°U2Ud（記錄值）Ud（計算值）(5)逆變顛覆現象的觀察調節Uct,使α=150°，觀察Ud波形。突然關斷觸發脈沖（可將觸發信號拆去），用雙蹤慢掃描示波器觀察逆變顛覆現象，記錄逆變顛覆時的Ud波形。六、實驗報告(1)畫出α=30°、60°、90°、120°、150°時Ud和UVT的波形。(2)畫出電路的移相特性Ud=f(α)曲線。(3)分析逆變顛覆的原因及逆變顛覆后會產生的后果。七、注意事項(1)在實驗中，觸發脈沖是從外部接入DK03面板上晶閘管的門極和陰極，此時,請不要用扁平線將DK03、DK04的正反橋觸發脈沖“輸入”“輸出”相連，并將Ulf及Ulr懸空，避免誤觸發。(2)為了保證從逆變到整流不發生過流，其回路的電阻R應取比較大的值，但也要考慮到晶閘管的維持電流50mA，保證可靠導通。2-4三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗一、實驗目的(1)理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理。(2)了解KC系列集成觸發器的調整方法和各點的波形。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等模塊2DK03晶閘管主電路3DK04三相晶閘管觸發電路該掛件包含“觸發電路”、“正、反橋功放”等模塊4DK08給定及實驗元器件該掛件包含“給定”模塊5DQ27三相可調電阻器調到最大、最小處附近時不要用力過猛6DK12三相芯式變壓器該掛件包含“三相芯式變壓器和不控整流”電路6雙蹤示波器自備7萬用表自備三、實驗線路及原理實驗線路如圖2-20及圖2-21所示。主電路由三相全控整流電路及作為逆變直流電源的三相不控整流電路組成，觸發電路為DK04中的集成觸發電路，由KCO4、KC4l、KC42等集成芯片組成，可輸出經高頻調制后的雙窄脈沖鏈。集成觸發電路的原理可參考有關資料，三相橋式整流及逆變電路的工作原理可參見電力電子技術教材的相關內容。圖中的R用450Ω（將兩個900Ω接成并聯形式）；電感Ld在DK03面板上，選用200mH，直流電壓、電流表由DK03獲得。在三相橋式有源逆變電路中，電阻、電感與整流電路一致，芯式變壓器用作升壓變壓器，逆變輸出的電壓接心式變壓器的中壓端Am、Bm、Cm,返回電網的電壓從高壓端A、B、C輸出，變壓器接成Y/Y接法。四、實驗內容(1)三相橋式全控整流電路。(2)三相橋式有源逆變電路。五、實驗方法(1)DK03和DK04上的“觸發電路”調試①打開總電源開關，操作“電源控制屏”上的“三相電網電壓指示”開關，觀察輸入的三相電網電壓是否平衡。②用弱電導線將DK03上的“三相同步信號輸出端”和DK04“三相同步信號輸入”端相連,打開DK04電源開關，撥動“觸發脈沖指示”鈕子開關，使“窄”的發光管亮。③觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調節A、B、C三相鋸齒波斜率調節電位器（在各觀測孔左側），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。④將DK08上的“給定”輸出Ug直接與DK04的移相控制電壓Uct相接（要共地），將給定開關S2撥到接地位置（即Uct=0），調節DK04上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔”VT1的輸出波形，使α=170°。⑤適當增加給定Ug的正電壓輸出，觀測DK04上“脈沖觀察孔”的波形，此時應觀測到單窄脈沖和雙窄脈沖。⑥將DK04面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將DK04的“正橋觸發脈沖輸出”端和DK03“正橋觸發脈沖輸入”端相連，觀察正橋VT1～VT6晶閘管門極和陰極之間的觸發脈沖是否正常。圖2-20三相橋式全控整流電路實驗原理圖圖2-21三相橋式有源逆變電路實驗原理圖(2)三相橋式全控整流電路按圖2-20接線，將DK08上的“給定”輸出調到零(逆時針旋到底)，使電阻器放在最大阻值處，按下“啟動”按鈕，調節給定電位器，增加移相電壓，使α角在30°～150°范圍內調節，同時，根據需要不斷調整負載電阻R,使得負載電流Id保持在0.6A左右(注意Id不得超過0.65A)。用示波器觀察并記錄α=30°、60°及90°時的整流電壓Ud和晶閘管兩端電壓Uvt的波形，并記錄相應的Ud數值于下表中。α30?60?90?U2Ud(記錄值)Ud/U2Ud(計算值)計算公式:Ud=2.34U2cosα(0～60O)Ud=2.34U2[1+cos(α+)](60o～120o)(3)三相橋式有源逆變電路按圖2-21接線，將電源控制屏上的“給定”輸出調到零(逆時針旋到底)，將電阻器放在最大阻值處，按下“啟動”按鈕，調節給定電位器，增加移相電壓，使β角在30°～90°范圍內調節，同時，根據需要不斷調整負載電阻R,使得電流Id保持在0.6A左右(注意Id不得超過0.65A)。用示波器觀察并記錄β=30°、60°、90°時的電壓Ud和晶閘管兩端電壓UVT的波形，并記錄相應的Ud數值于下表中。β30?60?90?U2Ud(記錄值)Ud/U2Ud(計算值)計算公式:Ud=2.34U2cos(180O-β)六、實驗報告(1)畫出電路的移相特性Ud=f(α)。(2)畫出觸發電路的傳輸特性α=f(Uct)。(3)畫出α=30°、60°、90°、120°、150°時的整流電壓Ud和晶閘管兩端電壓UVT的波形。七、注意事項(1)為了防止過流，啟動時將負載電阻R調至最大阻值位置。2-5單相交流調壓電路實驗一、實驗目的(1)理解單相交流調壓電路的工作原理。(2)理解單相交流調壓電路帶電感性負載對脈沖及移相范圍的要求。(3)了解KC05晶閘管移相觸發器的原理和應用。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DK01電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”，“可調電阻器”，“交流電流表”，“交流電壓表”等模塊2DK05單相晶閘管觸發電路該掛件包含“單相交流調壓觸發電路”3DK08實驗元器件該掛件包含“雙向晶閘管”4雙蹤示波器自備5萬用表自備三、單相交流調壓觸發電路的介紹單相交流調壓觸發電路采用KCO5集成晶閘管移相觸發器（KCO5的電路內部原理圖見附錄）。該集成觸發器適用于觸發雙向晶閘管或兩個反向并聯晶閘管組成的交流調壓電路，具有失交保護、輸出電流大等優點，是交流調壓的理想觸發電路。單相交流調壓觸發電路原理圖2-22所示。圖2-22單相交流調壓觸發電路原理圖同步電壓由KC05的15、16腳輸入，在TP2點可以觀測到鋸齒波，RP1電位器調節鋸齒波的斜率，RP2電位器調節移相角度，觸發脈沖從第9腳，經脈沖變壓器輸出。四、實驗線路及原理本實驗采用KCO5晶閘管集成移相觸發器。該觸發器適用于雙向晶閘管或兩個反向并聯晶閘管電路的交流相位控制，具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡單、易于集中控制、有失交保護、輸出電流大等優點。單相晶閘管交流調壓器如圖2-22所示。圖中電阻R用450Ω（將兩個900Ω接成并聯接法）或則用220V燈泡負載（DK08），“雙向晶閘管”由DK08取得，交流電壓、電流表由DK01電源控制屏上得到，電抗器Ld從DK03上得到，用700mH。2-22單相交流調壓主電路原理圖四、實驗內容(1)KC05集成移相觸發電路的調試。(2)單相交流調壓電路帶電阻性負載。(3)單相交流調壓電路帶電阻電感性負載。五、實驗方法(1)KCO5集成晶閘管移相觸發電路調試特別注意：“主電路電源輸出”部分左邊U，V，W三相電壓是未經隔離的交流380V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主電路電源輸出”部分右邊A，B，C三相電壓是經隔離變壓器輸出的交流220V電壓（兩相之間線電壓），它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、C處的發光管發光時，可向外電路提供220V/1.5A的三相交流電源，且左右部分兩個中線N之間是沒有電氣連接的，請不要混用。用兩根導線將電源控制屏“主電路電源輸出”的A,B220V交流線電壓接到DK05的“外接220V”端，按下“啟動”按鈕，打開DK05電源開關，用示波器觀察“1”～“5”端及脈沖輸出的波形。調節電位器RP1，觀察鋸齒波斜率是否變化，調節RP2，觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化，移相能否達到170°，記錄上述過程中觀察到的各點電壓波形。(2)單相交流調壓帶電阻性負載將DK05面板上的單相交流調壓觸發電路的輸出脈沖端“G1”、“K1”接至主電路雙向晶閘管的門極和陰極。接上電阻性負載，用示波器觀察負載電壓、晶閘管兩端電壓UvT的波形。調節“單相調壓觸發電路”上的電位器RP2，觀察在不同α角時各點波形的變化，并記錄α=30°、60°、90°、120°時的波形。(3)單相交流調壓接電阻電感性負載①在進行電阻電感性負載實驗時，需要調節負載阻抗角的大小，因此應該知道電抗器的內阻和電感量。常采用直流伏安法來測量內阻，如圖2-23所示。電抗器的內阻為：RL=UL/I(2-1)電抗器的電感量可采用交流伏安法測量，如圖2-24所示。由于電流大時，對電抗器的電感量影響較大，采用自耦調壓器調壓，多測幾次取其平均值，從而可得到交流阻抗。圖2-23用直流伏安法測電抗器內阻圖2-24用交流伏安法測定電感量(2-2)電抗器的電感為(2-3)這樣，即可求得負載阻抗角在實驗中，欲改變阻抗角，只需改變可調電阻器R的電阻值即可。②切斷電源，將L與R串聯，改接為電阻電感性負載。按下“啟動”按鈕，用雙蹤示波器同時觀察負載電壓U1和負載電流I1的波形。調節R的數值，使阻抗角為一定值,觀察在不同α角時波形的變化情況，記錄α＞φ、α=φ、α＜φ三種情況下負載兩端的電壓U1和流過負載的電流I1波形。六、實驗報告(1)整理、畫出實驗中所記錄的各類波形。(2)分析電阻電感性負載時，α角與φ角相應關系的變化對調壓器工作的影響。七、注意事項（1）可參考實驗一的注意事項（2）本實驗也可采用用反并聯晶閘管取代雙向晶閘管，自己可進行設計。第三章現代電力電子器件特性及典型線路實驗3-1直流斬波電路的性能研究一、實驗目的(1)熟悉直流斬波電路的工作原理。(2)熟悉各種直流斬波電路的組成及其工作特點。(3)了解PWM控制與驅動電路的原理及其常用的集成芯片。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DK01電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”3DK07直流斬波電路4DQ27三相可調電阻器5DK11單相調壓與可調負載慢掃描示波器自備萬用表自備三、實驗線路及原理1、主電路①、降壓斬波電路(BuckChopper)降壓斬波電路(BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖3-3所示。圖中V為全控型器件，選用IGBT。D為續流二極管。由圖3-3b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態時，電源Ui向負載供電，UD=Ui。當V處于斷態時，負載電流經二極管D續流，電壓UD近似為零，至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。負載電壓的平均值為：式中ton為V處于通態的時間，toff為V處于斷態的時間，T為開關周期，α為導通占空比，簡稱占空比或導通比(α=ton/T)。由此可知，輸出到負載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比α，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。(a)電路圖(b)波形圖圖3-3降壓斬波電路的原理圖及波形②、升壓斬波電路(BoostChopper)升壓斬波電路(BoostChopper)的原理圖及工作波形如圖3-4所示。電路也使用一個全控型器件V。由圖3-4b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態時，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒定為I1,同時電容C1上的電壓向負載供電，因C1值很大，基本保持輸出電壓UO為恒值。設V處于通態的時間為ton，此階段電感L1上積蓄的能量為UiI1ton。當V處于斷態時Ui和L1共同向電容C1充電，并向負載提供能量。設V處于斷態的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為(UO-Ui)I1ton。當電路工作于穩態時，一個周期T內電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：UiI1ton=(UO-Ui)I1toff上式中的T/toff≥1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。電路圖(b)波形圖圖3-4升壓斬波電路的原理圖及波形③、升降壓斬波電路(Boost-BuckChopper)升降壓斬波電路(Boost-BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖3-5所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態時，電源Ui經V向電感L1供電使其貯存能量，同時C1維持輸出電壓UO基本恒定并向負載供電。此后，V關斷，電感L1中貯存的能量向負載釋放。可見,負載電壓為上負下正，與電源電壓極性相反。輸出電壓為：若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。電路圖波形圖圖3-5升降壓斬波電路的原理圖及波形④、Cuk斬波電路Cuk斬波電路的原理圖如圖3-6所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態時，Ui—L1—V回路和負載R—L2—C2—V回路分別流過電流。當V處于斷態時，Ui—L1—C2—D回路和負載R—L2—D回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓為：若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。圖3-6Cuk斬波電路原理圖⑤、Sepic斬波電路Sepic斬波電路的原理圖如圖3-6所示。電路的基本工作原理是：可控開關V處于通態時，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同時導電，L1和L2貯能。當V處于斷態時，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同時導電，此階段Ui和L1既向R供電，同時也向C2充電，C2貯存的能量在V處于通態時向L2轉移。輸出電壓為：若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。圖3-7Sepic斬波電路原理圖⑥、Zeta斬波電路Zeta斬波電路的原理圖如圖3-8所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態時，電源Ui經開關V向電感L1貯能。當V處于斷態后，L1經D與C2構成振蕩回路，其貯存的能量轉至C2，至振蕩回路電流過零，L1上的能量全部轉移至C2上之后，D關斷，C2經L2向負載R供電。輸出電壓為：圖3-8Zeta斬波電路原理圖若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。2、控制與驅動電路控制電路以SG3525為核心構成，SG3525為美國SiliconGeneral公司生產的專用PWM控制集成電路，其內部電路結構及各引腳功能如圖3-9所示，它采用恒頻脈寬調制控制方案，內部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調節Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相差、占空比可調的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關電源、斬波器的控制。詳細的工作原理與性能指標可參閱相關的資料。四、實驗內容（1）控制與驅動電路的測試（2）六種直流斬波器的測試圖3-9SG3525芯片的內部結構與所需的外部組件五、思考題(1)直流斬波電路的工作原理是什么？有哪些結構形式和主要元器件？(2)為什么在主電路工作時不能用示波器的雙蹤探頭同時對兩處波形進行觀測？六、實驗方法1、控制與驅動電路的測試(1)啟動實驗裝置電源，開啟DK07控制電路電源開關。(2)調節PWM脈寬調節電位器改變Ur，用雙蹤示波器分別觀測SG3525的第11腳與第14腳的波形，觀測輸出PWM信號的變化情況，并填入下表。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.511(A)占空比(%)14(B)占空比(%)PWM占空比(%)(3)用示波器分別觀測A、B和PWM信號的波形，記錄其波形、頻率和幅值，并填入下表。觀測點A(11腳)B(14腳)PWM波形類型幅值A(V)頻率f(Hz)(4)用雙蹤示波器的兩個探頭同時觀測11腳和14腳的輸出波形，調節PWM脈寬調節電位器，觀測兩路輸出的PWM信號，測出兩路信號的相位差，并測出兩路PWM信號之間最小的“死區”時間。2、直流斬波器的測試(使用一個探頭觀測波形)斬波電路的輸入直流電壓Ui由三相隔離變壓器輸出的單相交流電經DK11單相交流調壓器及單相橋式整流及電容濾波后得到。接通交流電源，觀測Ui波形，記錄其平均值(注：本裝置限定直流輸出最大值為24V，輸入交流電壓的大小由調壓器調節輸出)。按下列實驗步驟依次對六種典型的直流斬波電路進行測試。(1)切斷電源，根據DK07上的主電路圖，利用面板上的元器件連接好相應的斬波實驗線路，并接上電阻負載，負載電流最大值限制在200mA以內。將控制與驅動電路的輸出“V-G”、“V-E”分別接至V的G和E端。(2)檢查接線正確，尤其是電解電容的極性是否接反后，接通主電路和控制電路的電源。(3)用示波器觀測PWM信號的波形、UGE的電壓波形、UCE的電壓波形及輸出電壓Uo和二極管兩端電壓UD的波形，注意各波形間的相位關系。(4)調節PWM脈寬調節電位器改變Ur，觀測在不同占空比(α)時，記錄Ui、UO和α的數值于下表中，從而畫出UO=f(α)的關系曲線。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比α(%)Ui(V)Uo(V)七、實驗報告(1)分析圖3-9中產生PWM信號的工作原理。(2)整理各組實驗數據繪制各直流斬波電路的Ui/UO-α曲線，并作比較與分析。(3)討論、分析實驗中出現的各種現象。八、注意事項(1)在主電路通電后，不能用示波器的兩個探頭同時觀測主電路元器件之間的波形，否則會造成短路。(2)用示波器兩探頭同時觀測兩處波形時，要注意共地問題，否則會造成短路，在觀測高壓時應衰減10倍，在做直流斬波器測試實驗時，最好使用一個探頭。3-2SPWM單相交直交變頻原理實驗一、實驗目的(1)熟悉單相交直交變頻電路原理及電路組成。(2)掌握SPWM波產生的基理。(3)分析交直交變頻電路在不同負載時的工作情況和波形，并研究工作頻率對電路工作波形的影響。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DK01電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DK03晶閘管主電路該掛件包含“平波電抗器”等幾個模塊3DK11單相調壓與可調負載4DK14單相交直交變頻原理5雙蹤示波器自備6萬用表自備三、實驗線路及原理采用SPWM正弦波脈寬調制，通過改變調制頻率，實現交直交變頻的目的。實驗電路由三部分組成：即主電路,驅動電路和控制電路。(1)主電路部分:AC/DC(整流)DC/AC(逆變)圖3-10主電路結構原理圖如圖3-10所示,交直流變換部分（AC/DC）為不可控整流電路（由實驗掛箱DK11單相調壓器提供50V交流電）；逆變部分（DC/AC）由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調制方式。輸出經LC低通濾波器，濾除高次諧波，得到頻率可調的正弦波（基波）交流輸出。本實驗設計的負載為電阻性或電阻電感性負載。(2)驅動電路:如圖3-11（以其中一路為例）所示，采用IGBT管專用驅動芯片M57962L（或M57