电力电子变换与控制实验指导书

电力电子变换与控制

实验指导书

南京理工大学能源与动力学院 新能源科学与技术教研室

2012.12

0 预备知识

0.1 THMPE-2型现代电力电子技术实验台简介

一、特点

(1)实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合。

(2)实验装置占地面积小，实验装置只需三相四线的电源即可投入使用。

(3)装置面板示意图明确、清晰、直观。实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，实验线路连接方式安全、可靠、迅速、简便。

(4)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实保护实验操作者的人身安全。

(5)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别。 二、技术参数

(1)输入电压：三相四线制，交流380V±10%，50Hz。

(2)工作环境：环境温度范围为-5—40℃，相对湿度<75%，海拔<1000m。 (3)装置容量：≤１.0kVA

(4)外形尺寸：长×宽×高=1550㎜×795㎜×1470㎜

图0.1 THMPE-2型现代电力电子技术实验台

三、PE-01电源控制屏

电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流电源；同时也为实验提供

所需的仪表和负载，如直流电压电流表，交流电压电流表及可调电阻负载等；屏上还设有定时器兼报警记录仪；在控制屏正面的大凹槽内，可挂置实验所需挂件；在控制屏两边还设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座。

图0.2 主控制屏上面板图

MPE01控制屏面板的功能包括：

(1)三相电网电压指示：用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

(2)定时器兼报警记录仪：可作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警、切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。

(3)电源控制部分：由电源总开关(钥匙式)、启动按钮及停止按钮组成；当打开电源总开关前时，设备上只有定时器兼报警记录仪工作；打开电源总开关，红灯亮，电源控制屏处于待机状态；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及直流电源均有电压输出，控制屏处于运行状态；如果想切断电源输出，则按下停止按钮，绿灯灭，红灯亮，重新回到待机状态。 (4)三相主电路输出：可提供三相线电压为220V/1.5A电源，在A、B、C三相输出附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压，当有输出电压后，相应的发光管发光，主电路输出

还设有电子式过流保护，当发生过流的情况，控制屏发出声光报警信号并及时切断主电源。 (5)直流电源：在按下启动按钮后将直流电源开关拨向“开”侧，则直流电源输出为220V的直流电压，并设有发光二极管指示输出是否正常，直流电源输出由0.5A 熔丝做短路保护；由于该电源的容量有限，一般不要作为大电流的直流电源使用。 (6)面板仪表：控制屏面板上部设有量程分别为 500V和5A的真有效值交流电压表、电流表，精度为0.5 级，供精确测量非正弦交流电压信号；控制屏面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5 级。

图0.3 主控制屏左下面板图

MPE01控制屏面板位于主控制屏面板的正下方，主要提供“给定”部分、“三相整流滤波电路”和“单相自耦调压器”三块功能，分别叙述如下：

(1)给定：电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成；S1为正、负极性切换开关，当S1开关拨到“正给定”侧，则可输出正电压，反之则输出负电压；输出的正、负电压的大小分别由RP1和RP2电位器来调节，顺时针调节输出增大，输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许正负给定电压输出，打到“停止”侧，则输出恒为零。元件RP1、RP2、S1及S2均安装在面板上，方便操作；此外给定输出由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。

注意：不允许长时间将给定输出端直接接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1 、RP2 触点烧坏。

(2)整流滤波电路：整流滤波电路完成将三相或单相交流整流为直流电压，供实验中的直流电压源使用 ，输出端接有2A的保险丝，防止输出短路。

(3)单相自耦调压器：提供了一只0～250V/0.5KVA 单相交流自耦调压器，提供单相可调交流电源，最大输出电流为 2A，输出侧设有电子式过流保护，当发生过流情况，控制屏发出声光报警信号并及时切断主电源；面板上设有电源控制开关，当控制屏启动后，将开关拨到“开”侧，调压器的原边得电，调节控制屏左侧的调压器旋钮，可得到0～250V的可调交流电压。

图0.4 主控制屏右下面板图

MPE03 控制屏面板位于控制屏大凹槽下部，主要有“指针式直流电压、电流表”、“平波电抗器”、“三相芯式变压器”和“可调电阻”四部分内容： (1)指针式直流电压、电流表：直流电压表测量范围 0～±300V ，为中零式，精度为 1.0 级；直流电流表测量范围 0～±2A，为中零式，精度为1.0 级。 (2)平波电抗器：有3 档电感量可供选择，分别为 100mH、200mH 及700mH，各档在 1A 电流下均能保持线性，可根据实验需要选择合适的电感值，电抗器回路中串有3A熔丝保护，熔丝座安装在控制屏内电抗器旁。

(3)三相芯式变压器：在逆变实验中作为升压变压器使用，该变压器有2套副边绕组，原、副边绕组的相电压为127V/63.5V/31.8V，如果是Y/Y/Y 接法，则线电压为220V/110V/55V。 (4)可调瓷盘电阻：面板上共有三个瓷盘电阻，一个90Ω/1.3A电阻，两个 900Ω/0.41A电阻，通过旋转手柄调节电阻值的大小，单个电阻回路中均设有熔丝保护。

0.2 电力电子技术实验的基本要求

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。电力电子技术实验的内容较多、较新，实验也比较复杂，系统性较强。 一、在完成指定的实验后，应具备以下能力:

(1)掌握电力电子变流装置触发、主电路及驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路。

(2)熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。

(3)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。 (4)能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。 二、实验过程

电力电子技术实验包括准备、实施和总结三个主要阶段。 实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤；每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，即浪费时间，也完不成实验要求，甚至有可能损坏实验装置；因此，实验前应做到： (1)复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。

(2)阅读本教材中的实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法；明确实验过程中应注意的问题。

(3)写出预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等。 (4)进行实验分组，一般情况下，为每组1～2 人。

在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。实验时要做到以下几点： (1)实验开始前，检查预习报告，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。

(2)熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。

(3)按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。

(4)按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。

(5)完成实验系统接线后，必须进行自查；串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确；并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置；距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用两根导线在实验装置上的某

接线端进行过渡性连接。

(6)实验时，应按实验指导书所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作；系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试记录点的分布应均匀；如需改接实验线路时，必须断开主电源方可进行；实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。

(7)完成实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连线、仪器、工具，使之物归原位。 实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。每位实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。

实验报告的一般格式如下:

(1)实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。 (2)实验目的、实验线路、实验内容。

(3)实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。 (4)实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。 (5)画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。

(6)用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。

(7)对实验中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。

(8)实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。

(9)每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。

0.3 实验安全操作规程

为了顺利完成电力电子技术实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：

(1)在实验过程时，绝对不允许双手同时接到”三相主电路输出”的两个输出端，将人体作为负载使用。

(2)提高安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。

(3)独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路是否正确，并使组内其他同学引起注意后方可接通主电源。

(4)如果在实验过程中发生告警情况，应仔细检查实验线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。

(5)在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。

(6)电源控制屏以及各挂件上所用保险丝规格和型号不得私自改变，否则可能会引起不可预料的后果。

(7)控制屏起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动，启动后必须缓慢增加给定，以免元器件和设备过载损坏。

0.4 常用实验仪器设备

电力电子技术实验常用的仪器设备主要有万用表和示波器，万用表可以用来测量交直流电压、电流和电阻值等，还经常用来检验是否有电和判断线路通断。示波器用来观察波形，需要使用探头来连接测量对象。

无论使用万用表还是示波器，都需要确保测量对象与仪器设备的设置是一致的，并且不能超过仪器的最大量程。

1 晶闸管触发电路实验 1.1 单结晶体管触发电路实验

一、实验目的

(1)熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。 (2)掌握单结晶体管触发电路的基本调试步骤。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 PE-01 电源控制屏 PE-12 晶闸管触发电路（一） 双通道示波器 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 该挂件包含“单结晶体管触发电路”等模块。

PE-12面板

三、实验线路及原理

单结晶体管触发电路利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC 充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图1.1所示。

图1.1 单结晶体管触发电路原理图

图中V6 为单结晶体管，其常用型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成RC 充电回路，由C1-V6-脉冲变压器原边组成电容放电回路，调节RP1电位器即可改变C1充电回路中的等效电阻，即改变电路的充电时间。 工作原理简述如下：

由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7 及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，V6导通，电容通过脉冲变压器原边迅速放电，同时脉冲变压器副边输出触发脉冲；同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使得V6重新关断，C1再次被充电，周而复始，就会在电容C1两端呈现锯齿波形，在每次V6导通的时刻，均在脉冲变压器副边输出触发脉冲；在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但对晶闸管而言只有第一个输出脉冲起作用。电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1电位器改变C1的充电时间，控制第一个有效触发脉冲的出现时刻，从而实现移相控制；单结晶体管触发电路的各点典型波形如图1.2 所示。

电位器RP1 已装在面板上，同步信号已在内部接好无需外接，所有的测试信号均在面板上引出。

图1.2 单结晶体管触发电路各点典型波形(α=90°)

四、实验内容

(1)单结晶体管触发电路的调试。

(2)单结晶体管触发电路各点电压波形的观察。 五、预习要求

阅读电力电子技术教材中有关单结晶体管的内容，理解弄清单结晶体管触发电路的工作原理。 六、思考题

(1)单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中C1的数值有什么关系? (2)单结晶体管触发电路的移相范围能否达到180°? 七、实验方法

(1)单结晶体管触发电路的波形观测

用两根导线将PE-01电源控制屏的“三相主电路”A、B、C输出任意两相与PE-12的“外接220V”端连接；按下控制屏上的“启动”按钮，听到控制屏内有交流接触器瞬间吸合，此时“三相主电路输出”应输出线电压为220V的交流电源；打开PE-12电源开关，船形开

关发光，这时挂件中所有的触发电路都开始工作；用双通道示波器一路探头观测60V的同步电压信号，另一路探头观察单结晶体管触发电路，经半波整流后“1”点的波形，经稳压管削波得到“2”、“3”点的波形，调节移相电位器RP1，观察“4”点锯齿波的变化及“5”点的触发脉冲波形；观测输出的“G、K”触发电压波形，其能否在30°～170°范围内移相? (2)单结晶体管触发电路各点波形的记录

调节RP1电位器，当α＝30°、60°、90°及120°时，将单结晶体管触发电路的各观测点波形描绘下来，并与图1.2的波形进行比较。 八、实验报告

画出α=60°时，单结晶体管触发电路各点输出的波形及其幅值。 九、注意事项

(1)双通道示波器有两个探头，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)由于脉冲“G”、“K”输出端有电容影响，故观察输出脉冲电压波形时，需将输出端“G”和“K”分别接到晶闸管的门极和阴极，否则无法观察到正确的脉冲波形。

(3)在示波器读取波形的幅度及周期时，应注意示波器的“V/DIV”和“t/DIV”数值，防止读数错误。

1.2 锯齿波同步移相触发电路实验

一、实验目的

(1)加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。 (2)掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 PE-01 电源控制屏 PE-12 晶闸管触发电路（一） 双通道示波器 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 该挂件包含“单结晶体管触发电路”等模块。 三、实验线路及原理 锯齿波同步移相触发电路 I、II 由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图1.3所示。

由V3、VD1、VD2、C1 等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压U 来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2 等元件组成的恒流源电路，当V3 截止时，恒流源对C2 充电形成锯齿波；当V3 导通时，电容C2 通过R4、V3 放电；调节电位器RP1 可以调节恒流源的电流大小，改变对电容的充电时间，从而改变了锯齿波的斜率；控制电压U 、偏移电压U 和锯齿波电压在 V5 基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3 分别调节控制电压Uct 和偏移电压Ub 的大小；V6、V7 构成脉冲形成放大环节，C5 为强触发电容用于改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点典型波形如图1.4所示。

图1.3 锯齿波同步移相触发电路I 原理图 （注：图上的TP7在实际装置上是TP8）

本装置设有两路锯齿波同步移相触发电路，分别为I和II，它们在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180°，供完成单相整流及逆变电路实验用。

电位器RP1、RP2 及RP3 均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号均在面板上引出。 四、实验内容

(1)锯齿波同步移相触发电路的调试。

(2)锯齿波同步移相触发电路各点波形的观察和分析。 五、预习要求

(1)阅读电力电子技术教材中有关锯齿波同步移相触发电路的内容，理解锯齿波同步移相触发电路的基本工作原理。

(2)掌握锯齿波同步移相触发电路脉冲初始相位的调整方法。 六、思考题

(1)锯齿波同步移相触发电路有哪些特点?

(2)锯齿波同步移相触发电路的移相范围与哪些参数有关?

图1.4 锯齿波同步移相触发电路I 各点典型波形(α＝90°)

七、实验方法

(1) 用两根导线将PE-01电源控制屏的“三相主电路”A、B、C输出任意两相与PE-12的“外 接220V”端连接；按下控制屏上的“启动”按钮，听到控制屏内有交流接触器瞬间吸合，此时“三相主电路输出”应输出线电压为220V的交流电源；打开PE-12电源开关，船形开关发光，这时挂件中所有的触发电路都开始工作；用双通道示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的波形。

①同时观察同步电压和“1”点的电压波形，了解“1”点波形形成的原因。 ②观察“1”、“2”、“3”点的电压波形，了解锯齿波宽度和“1”点电压波形的关系。

③调节电位器RP1，观测“3”点锯齿波斜率的变化。

④观察“4”～“8”点电压波形和输出电压的波形，记下各波形的幅值与宽度，并比较“5”点电压U5 和“8”点电压U8的对应关系。 (2)调节触发脉冲的移相范围

将控制电压Uct调至零(即将电位器RP2逆时针旋到底)，用示波器观察同步电压信号和“8”点U8的波形，调节偏移电压Ub (即调RP3电位器)，使α＝170°。

(3)调节Uct使α＝60°，观察并记录U1～U8及输出 “G、K”脉冲电压的波形，标出其幅值与宽度，并记录在下表中。 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 幅值(V) 宽度(ms) 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)总结锯齿波同步移相触发电路移相范围的调试方法，如果要求在Uct=0的条件下，使α＝90°，应如何调整? 九、注意事项

参照实验1.1的注意事项。

2 桥式全控整流及有源逆变电路实验 2.1 单相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一、实验目的

(1)加深理解单相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。 (2)研究单相桥式变流电路整流的全过程。

(3)研究单相桥式变流电路逆变的全过程，掌握实现有源逆变的条件。 (4)了解产生逆变失败的原因及预防方法。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 型 号 PE-01 电源控制屏 PE-11 三相可控整流电路（一） PE-12 晶闸管触发电路（一） 双通道示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 该挂件包含“晶闸管”等几个模块。 该挂件包含“单结晶体管触发电路”等模块。

PE-11面板

三、实验线路及原理

图2.1为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用控制屏右下处的可调电阻器，将两个900 Ω接成并联形式，电抗Ld选用控制屏下部的700mH，直流电压、电流表均在控制屏面板上。触发电路采用PE-12挂件箱上的“锯齿波同步移相触发电路Ⅰ”和“Ⅱ”。

图2.1 单相桥式全控整流实验原理图

图2.2 单相桥式有源逆变电路实验原理图

图2.2为单相桥式有源逆变实验原理图，三相电源经三相不控整流，得到一个上负下正的直流电源，供逆变桥路使用，逆变桥路逆变出的交流电压经升压变压器升压后反馈回电网；“三相不控整流”从电源控制屏下获得，其中控制屏下部分的“心式变压器”在此作为升压

变压器用，从晶闸管逆变出的电压接“心式变压器”的中压端Am、Bm，返回电网的电压从其高压端A、B输出，为了避免输出的逆变电压过高而损坏心式变压器，故将变压器接成Y/Y接法；图中的电阻R、电抗Ld和触发电路与整流所用相同。

从PE-12输出的四路触发脉冲，在接到晶闸管主电路的时候必须要遵循以下规定：PE-12输出的G1K1和G4K4触发脉冲信号接到PE-11的VT3和VT4，G2K2和G3K3触发脉冲信号接到VT1和VT6。 四、实验内容

(1)单相桥式全控整流电路带电阻电感负载。 (2)单相桥式有源逆变电路实验。

(3)有源逆变电路逆变失败现象的观察。 五、预习要求

(1)阅读电力电子技术教材中有关单相桥式全控整流电路的有关内容。

(2)阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的内容，掌握实现有源逆变的必要条件。 六、思考题

实现有源逆变的条件是什么?在本实验中是如何保证满足这些条件? 七、实验方法

(1)触发电路的调试

用两根导线将PE-01电源控制屏的“三相主电路”A、B、C输出任意两相与PE-12的“外接220V”端连接；按下控制屏上的“启动”按钮，听到控制屏内有交流接触器瞬间吸合，此时“三相主电路输出”应输出线电压为220V的交流电源；打开PE-12电源开关，船形开关发光，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。将控制电压Uct 调至零(将电位器RP2逆时针旋到底)，观察同步电压信号和“8”点U8的波形，调节偏移电压Ub (即调RP3电位器)，使α＝180°。

将锯齿波触发电路的输出脉冲端分别接至全控桥中相应晶闸管的门极和阴极（PE-12输出的G1K1和G4K4触发脉冲信号接到PE-11的VT3和VT4，G2K2和G3K3触发脉冲信号接到VT1和VT6），注意不要把相序接反了，否则无法进行整流和逆变实验；并将PE-11上的控制触发脉冲的开关都打到“断”的位置,确保晶闸管不被误触发。

按图2.1接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持Ub偏移电压不变(即RP3固定)的情况下，逐渐增加Uct（调节RP2），输出电压逐步升高，在α=30°、60°、90°及120°时，用示波器观察、记录整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt 的波形，并记录电源电压U2 和负载电压Ud 的数值于下表中。 Α 30 ° 60 ° 90 ° 120 ° U2 Ud（记录值） Ud（计算值） 计算公式：Ud ＝O.9U2 (1+cosα)/2 (3)单相桥式有源逆变电路实验

按图2.2接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持Ub偏移电压不变(即RP3固定)的情况下，逐渐增加Uct（调节RP2），可以观测到输出电压逐步减小，当晶闸管两端电压恰好为0时，α为90°，此时继续增大Uct，输出电压由负变到正，表明晶闸管处于整流状态，在β=30°、60°及90°时，观察、记录逆变电流Id晶闸管两端电压Uvt 的波形，并记录负载电压Ud 的数值于下表中。 β 30 ° 60 ° 90 ° U2 Ud（记录值） Ud（计算值） (4)逆变失败现象的观察

调节Uct，使α=150°，观察Ud 波形。突然关断触发脉冲（可将触发信号拆去），用双踪慢扫描示波器观察逆变失败现象，记录逆变失败时的Ud波形。 八、实验报告

(1)画出α=30°、60°、90°、120°及150°时Ud 和Uvt 的波形。 (2)画出电路的移相特性Ud=f(α)曲线。

(3)分析逆变失败的原因及逆变失败后会产生的后果。 九、注意事项

(1)参照实验1.1的注意事项一；

(2)在本实验中，触发脉冲是从外部接入PE-11面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的触发脉冲的开关拨向“断”的位置，避免误触发。

(3)要注意的是，供给PE-12挂件电源必须与接到主电路的电源必须是同一路，同时要保证相 位上一致，否则无法顺利完成该实验。

(4)为了保证完成逆变实验时，避免不小心从逆变状态调到整流状态而不发生过流的情况， 应将回路中的电阻R取比较大的值，保证晶闸管能可靠工作。

2.2 三相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一、实验目的

(1)加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。 (2)了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的典型波形。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 号 PE-01 电源控制屏 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 PE-11 三相可控整流电路（一） 该挂件包含“晶闸管”等几个模块。 双通道示波器 万用表 三、实验线路及原理 三相桥式全控整流主电路由三相晶闸管及负载组成，实验线路见图2.3，触发电路为PE-11中的集成触发电路，由KCO4 、KC4l、KC42 等集成芯片组成，可输出经高频调制后的双窄脉冲，以上的集成电路的内部原理可参考附录中的相关内容，图中的可调电阻R、电感Ld 、直流电压及电流表均在电源控制屏上，电阻R将两个900Ω接成并联形式；电感选用700mH。

图2.3 三相桥式全控整流电路实验原理图

图2.4 三相桥式有源逆变电路实验原理图

在三相桥式有源逆变电路中，实验线路如图2.4所示，图中的电阻将并联形式改为串联形式、电感的取值与整流的完全一致，而三相不控整流及心式变压器均在电源控制屏上，其中心式变压器用作升压变压器，逆变输出的电压接心式变压器的中压端Am、Bm、Cm,返回电网的电压从高压端A、B、C输出，变压器接成Y/Y接法。 四、实验内容

(1)三相桥式全控整流电路。 (2)三相桥式有源逆变电路。

(3)在整流或有源逆变状态下，当触发电路出现故障（人为模拟）时观测主电路的各电压波形。

五、预习要求

(1)阅读电力电子技术教材中有关三相桥式全控整流电路的有关内容。

(2)阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的有关内容，掌握实现有源逆变的基本条件。 (3)学习前面有关集成触发电路的实验内容，掌握该触发电路的工作原理。 六、思考题

(1)如何解决主电路和触发电路的同步问题?在本实验中，主电路三相电源的相序可任意设定 吗?

(2)在本实验的整流及逆变时，对α角有什么要求?为什么? 七、实验方法

(1)PE-11上的“触发电路”调试

①打开PE-01电源控制屏上的总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示” 开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②打开PE-11电源开关，拨动 “触发脉冲指示”开关，使“窄”处的发光管亮。

③用双通道示波器观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

④将控制屏下面的“给定”输出Ug直接与PE-11上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S1拨到“正给定”位置， S2拨到“停止”位置（即Uct =0），调节PE-11上的偏移电压电位器，用双通道示波器同时观察A相同步电压信号和“脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=170°。此时注意α的起始点。

⑤将给定开关S2拨到运行位置，适当增加给定Ug 的正电压输出，观测PE-11上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到双窄触发脉冲。

⑥用20芯的扁平电缆，将PE-11的“触发脉冲输出”端与“触发脉冲输入”端相连，并将PE-11 “触发脉冲控制”上的六个开关拨至“通”侧，用示波器观察VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(2)三相桥式全控整流电路按图2.3接线，将控制屏上的 “给定”正给定输出调到零(RP1电位器逆时针旋到底)，可调电阻器R放在最大阻值处，按下“启动”按钮，逐步调节给定电位器，增大移相电压，使α角在30°～150°范围内调节，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得负载电流Id 保持在0.6A左右(注意Id 不得超过0.82A) 。用示波器观察并记录α=30°、60°及90°时的整流电压Ud 和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录相应的Ud 数值于下表中。

30 ° 60 ° 90 ° α U2 Ud（记录值） Ud（计算值） 计算公式：Ud =2.34U2 cosα (3)三相桥式有源逆变电路

按图2.4接线，将电源控制屏上的 “给定”正给定输出调到零(RP1电位器逆时针旋到底)，将可调电阻器R放在最大阻值处，按下“启动”按钮，调节给定电位器，增加移相电压，使β角在30°～90°范围内调节，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得电流Id 保持在0.3A左右(注意Id 不得超过0.41A) 。用示波器观察并记录β=30°、60 °及90°时的

图4.2 升压斩波电路的原理图及波形

③Cuk斩波电路

Cuk斩波电路的原理图如图 4.3所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。

图4.3 Cuk 斩波电路原理图

(2)控制与驱动电路

控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM 控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图4.4 所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即 PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。详细的工作原理与性能指标可

参阅相关的资料。

图4.4 SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件

四、实验内容

(1)控制与驱动电路的测试 (2)三种直流斩波器的测试 五、思考题

(1)直流斩波电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？

(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的两个普通探头同时对两处波形进行观测？ 六、实验方法

(1) 控制与驱动电路的测试

①启动实验装置电源，开启PE-19 控制电路电源开关。 ②调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双通道示波器分别观测SG3525的第 11 脚与第14脚的波形，观测输出光耦输出PWM信号的变化情况，并填入下表。

Ur(V) 11(A)占空比(%) 14(B)占空比(%) PWM占空比(%) ③用示波器分别观测A、B 和光耦输出PWM 信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。

PWM 观测点 A(11脚) B(14 脚) 波形类型 幅值A (V) 频率f (Hz) ④用双通道示波器的两个探头同时观测11 脚和14 脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，测出两路信号的相位差，并测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间。

(2)直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)

斩波电路的输入直流电压Ui 由三相调压器输出的单相交流电经电源控制屏上的桥式整流及电容滤波后得到。接通交流电源，观测 Ui 波形，记录其平均值(注：本装置限定直流输出最大值为50V ，输入交流电压的大小由调压器调节输出)。

按下列实验步骤依次对三种典型的直流斩波电路进行测试。

①切断电源，根据PE-19 上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载，负载电流最大值限制在200mA以内。将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。

②检查接线正确，尤其是电解电容的极性是否接反后，接通主电路和控制电路的电源。 ③用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压UO和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。

④调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比α时，记录Ui、UO和α的数值于下表中，从而画出UO=f(α)的关系曲线。

降压斩波电路(Buck Chopper) Ur(V) 1.4 1.6 占空比α (%) Ui(V) UO(V) 1.8 2.0 2.2 2.4 2.5 升压斩波电路(Boost Chopper) Ur(V) 1.4 1.6 占空比α (%) Ui(V) UO(V)

Cuk斩波电路 Ur(V) 占空比α (%) Ui(V) UO(V) 1.8 2.0 2.2 2.4 2.5 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.5

七、实验报告

(1)分析图4.4中产生PWM信号的工作原理。

(2)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui /UO-α曲线，并作比较与分析。 (3)讨论、分析实验中出现的各种现象。 八、注意事项

(1)在主电路通电后，不能用示波器的两个普通探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路。

(2)用示波器两个普通探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍，在做直流斩波器测试实验时，最好只使用一个探头。

5 单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路实验

一、实验目的

(1)熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成。 (2)熟悉ICL8038 的功能。

(3)掌握SPWM波产生的基本原理。

(4)分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究不同的工作频率对电路波形的影响。

二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 号 PE-01 电源控制屏 PE-16 单相交直交变频原理 双通道示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。

PE-16面板

三、实验线路及原理

采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。实验电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。 (1)主电路部分:

如图5.1 所示, 交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由控制屏提供）；逆变部分（DC/AC）由四只 IGBT 管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。输出经LC 低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出 。

本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载。

图5.1 主电路结构原理图

图5.2 驱动电路结构原理图

图5.3 保护电路结构原理图

(2)驱动电路:

如图5.2（以其中一路为例）所示，功率驱动部分采用 IGBT管专用驱动芯片三菱 M57962L，其信号输入端接控制电路产生的SPWM信号，其输出直接驱动IGBT管。其特点

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