功率电子实验指导

1、西安外事学院实验实训指导书 功率电子工学院自动化教研室2013-10-10第一章电力电子技术（功率电子）实验概述电力电子技术是电气工程及其自动化、自动化等专业的三大电子技术基础课程之一，涉及面广，包括了电力、电子、控制、计算机等，实验环节是这门课程的重要组成部分。通过实验，可加深对理论的理解，培养和提高实际动手能力，分析和解决实际问题的独立工作能力。1.1实验的特点和要求具体来说，学生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的主电路、触发或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（示波器、万用表等）的性能和使用方法；3、能够运

2、用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到实际的问题；4、能够综合实验数据，合理解释实验现象，编写完整的实验报告。本指导书介绍了电力电子要求的四个实验。12实验准备实验准备亦即实验的预习工作，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，从而提高实验的质量和效率，否则很有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完成不了实验的要求，甚至损坏实验装置，更严重的造成人身伤害。因此，实验前的准备工作要做到：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、阅读本指导书中的相关内容，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验的工作原理和实验方法；3、根据1和2写出本次

3、实验的预习报告，其中应该包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录的表格等，为实验的顺利进行做好充分的准备；预习报告点实验成绩的30%；4、熟悉本次实验所涉及到的实验装置、测试仪器等；5、以班级为单位进行实验分组，一般情况下，3-4人一组最好。1.3实验实施完成理论学习、实验预习等环节之后，即可进入实验室完成相关的实验实施。实验过程的表现占总成绩的30%。实验过程中要做到以下几点：1、实验开始前，指导老师要对学生的预习报告做检查，并给定预习报告成绩，没有预习报告的学生不得进入实验室参与实验，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只要满足要求后方可进行实验。2、指导老师对实验装置做介绍，要求

4、学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能，使用方法等等。3、按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，各人的任务应在实验进行中实验实行轮换，以便实验参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接线图进行接线，通常先接主电路，再接控制电路；先接串联电路，再接关联电路。5、接线完成后，必须先进行自查。自查完成后，经指导老师复查同意后，方可通电实验。6、实验时，要按实验指导书所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。通常，在通电前，应使负载电阻值最大，G（给定）的电位器处于零位置；测试点分布均匀；要改接线路时，必须先断电再进行。实验进行过程中，要观察实验

5、现象是否正常，测得的数据是否在合理的范围内，实验结果是否与理论一致。7、完成本次实验全部内容之后，应请指导老师检查一下实验数据、记录的波形，经老师认可后方可拆线。整理好连接线、仪器、设备、工具等。8、按指定的要求在记录本上填写本次实验的相关记录。经老师同意后，离开实验室。9、按规定的时间按时将完整的实验报告收齐，交给老师。1.4实验报告要求一次实验的最后阶段是撰写实验报告，即对实验过程中得到的数据进行整理、处理，绘制相应的波形，计算数据填写相应的表格，分析实验现象等等。实验报告占总成绩的40%。每个参与实验的学生都要独立完成一份实验报告。如果实验结果与理论有较大的出入时，不得随意改变实验数据和

6、结果，也不得用凑数据的方式向理论数据靠拢，而应该应用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大实验误差的原因。实验报告按空白纸质实验报告的要求认真完成。实验报告要求实验编号：实验名称：实验一、单相交流半控全桥（晶闸管）整流调压电路的分析与研究实验时间：2013.4.20 实验室名称：交直流调速实验室1、 实验目标 简单陈述本次实验的实验目的2、 实验设备 本次实验所涉及的设备、仪器、仪表、工具等 3、 实验原理复制或者手绘实验原理图绘制实验箱的连接电路（在实验箱图片上标注相应的连接导线，测量点以及编号，必须完成）1511721162118211321112112211098765

7、43192114214、 实验步骤在充分做好实验前预习的基础上，学生必须详细描述本次实验的具体过程和步骤，经老师确认后方可从事相关的实验。例如：1. 检查实验台情况正常（未连接其他电路）。2. 上电测量输入电源三相正常，仪表显示良好。3. 切断实验台电源。4. 安装“单相交流晶闸管半控整流电路”实验挂件。5. 安装“交流、直流的电压表、电流表”实验挂件。6. 准备双踪示波器、万用表等。7. 准备连接导线。8. 连接总电源单相127V交流至单相变压器侧。9. 分别连接变压器次级的15V、50V交流至“单相交流晶闸管半控整流电路”实验挂件箱。10. 连接给定电路调钮跳线，连接如图（8）导线、（9）

8、导线11. 检查电路连接无误12. 总电源上电，测量变压器交流次级个各电压输出正常。13. 开启并调整示波器14. 分别测量（CH1:9-8/CH2:10-8）的波形，比较两种波形的同步。15. 调整给定值调钮，观察并记录锯齿波的变化和每个周期中第一个齿顶的相位。16. 关掉掉电源17. 连接（11）-（18）号导线，检查正确。连接Ud至直流电压表。18. 接通总电源开关。19. 示波器测量1 调整调钮是控制角=30（CH1）.2 测量Ud两端的输出电压波形并记录（CH1），记录此时的Ud电压。3 测量晶闸管阳极和阴极之间的波形并记录（CH1）。4 接上（19）号续流二极管，测量Ud波形（CH

9、1）。5 将=90（CH1），=120（CH1）分别重复（1）和（2）步骤测量记录。5、 实验结果1. 实验数据记录实验测量数据表序号测量点=（）Ud（无续流二极管）vUd（有二极管）vUd（半波）v12342. 表格数据分析 仔细分析实验测量的数据和结果，掌握电路的原理、特性等。3. 实验波形测量与记录绘制实验波形（注意标注，波形的相位关系）。4. 波形的分析与研究仔细分析实验测量的波形特点，得出实验结论；以及波形出现异常的分析和解决办法等。第二章 电力电子实验任务与指导实验一、单相桥式半控整流电路与单结晶体管触发电路的研究（46学时）一、实验目的1、熟悉单结晶体管触发电路的工作原理，测量相

10、关各点的电压波形；2、熟悉单相半波可控整流电路与单相半控桥式整流电路在电阻负载和电感负载时的工作情况。分析、研究负载和元件上的电压、电流波形；3、掌握由分列元件组成电力电子电路的测试和分析方法。二、实验电路及工作原理1、实验电路如图1-1所示；2、实验电路的工作原理见相关电力电子技术教材或自动控制原理与系统（孔凡才编著）或自动控制系统（孔凡才主编）。三、实验设备1、佳悦电力电子实验装置单元12、万用表3、双踪示波器4、变阻器三相127V交流输出单相127V交流输入单相交流输出总电源漏电保护开关电源指示灯电源熔断器三相电压表给定电源触发单元主电源工作负载给定值调钮单结晶体管触发脉冲输出半控晶闸管

11、续流二极管四、实验内容与实验步骤（一）单结晶体管触发电路的测试1、将实验电路的电源进线端接到相应的电源上。（虚线部分在交流电源单元上）（下同）2、用双综示波器Y1测量50V 的电压UT的数值与波形，用Y2测量15 V 稳压管上的电压Uv（同步电压）的波形，并进行比较（注意：以0 点为两探头的公共端）；3、整定RP1与RP0，使RP2输出电压在0.5V2.5V 之间变化。4、调节给定电位器RP2，使控制角为60左右。、测量单结晶体管V3（BT 管）发射极电压（即电容C1上的电压UC1）的电压波形。（以同步电压为参考波形）；、测量V3输出电压波形U0；（即100输出电阻上的电压）、测量脉冲变压器T

12、P 两端输出的电压波形UG1或UG2；、调节RP2观察触发脉冲移动情况（即控制角调节范围；能否由0180？注：由于此电路的同步电压为近似梯形波，因此前、后均有死区，调节范围一般为10170左右，甚至更小一些。注：RP0整定最高速，RP1整定最低速，RP2调节速度。（二）单相半波可控整流电路的研究（此实验可不做，直接做半控桥式电路）以 120V 交流电接入主电路输入端，晶闸管VT1接入触发脉冲，而VT2则不接入触发脉冲（此时主电路相当为一单相半波可控整流电路）。1、电阻负载 将电阻负载接入主电路输出端；（此处已接白炽灯） 调节RP2，使控制角分别为：=60、=90和=120，测量负载上的电压波形

13、，及Ud数值。（电流波形与电压波形相同）。2、电阻电感负载（不并接续流二极管）、将电感负载Ld与电阻负载Rd串联后接入主电路输出端。此处电阻负载为变阻器，调至100左右，电感负载可借用380V/50V 整流变压器的二次侧（即50V）绕组。、用示波器探头Y1测Ud波形，同时用探头Y2测Rd上的波形注意Y1和Y2的接地端为公共端，（可以主电路底线为公共端）（Rd上的波形相当电流波形）。、调节RP0，使=60、=90和=120，记下相应的Ud值，电压与电流波形。3、电阻电感负载（并接续流二极管）重复2 中实验。比较2、3 实验中Ud及波形的差别。（三）单相半控桥式整流电路的研究1、电阻负载、以电阻负

14、载接入半控桥主电路，为便于观察，已在输出端并联一只白炽灯，若不需要，则可把灯泡拧去；、将两组触发脉冲分别加在两个晶闸管VT1 和 VT2上；、调节RP0，使控制角分别为：=60、=90和=120，测量负载上的电压Ud的数值和波形（电阻上的电流波形与电压波形相同）；、测量晶闸管VT1两端的电压波形。2、电阻电感负载（先不并接续流二极管）、将电抗器与电阻串联后接入主电路；将主电路进线接在交流10V 上。将变阻器与电抗器串联，调节变阻器使电流I=0.5A。、调节 RP0，使控制角分别为：=0、=30、=90、=120和=170（最大）时，负载的电压与电流波形，负载电压波形为Ud波形，负载电流波形（即

15、电阻Rd上的电压波形）（因电阻上电压、电流波形是相同的）。注意：以主电路底线为两探头的公共端；、在电路已进入稳定工作时，突然将控制角增大到接近180，或突然拔去一个触发脉冲，半控桥有可能发生：正在导通的晶闸管一直导通（波形成为半波整流），从而失去调节作用（产生“失控现象” ），试观察失控现象。、并接续流二极管后，再观察有无失控现象。五、实验注意事项1、由于电力电子实验中的数值和波形都比较复杂，涉及因数也较多，因此要理解与掌握电路工作原理并对实验中要进行测量的数值和波形，做到心中有数。以避免实验中盲目性。2、使用双综示波器的两个探头同时进行测量时，必须使两个探头的地线端为同一电位的端点（因示波器

16、的两个探头的地线端是联在一起的），否则测量时会造成短路事故。3、由于示波器探头公共端接外壳，而外壳又通过插头与大地相联，而三相电力线路的中线是接大地的，这样探头地线便与电力中线相通了。在进行电力电子实验，若用探头去测晶闸管元件时，(若不用整流变压器时)便会烧坏元件或造成短路.因此,通常要将示波器接地线折去，或通过隔离变压器对示波器供电（如本实验装置的插座均经过隔离变压器）。六、实验报告1、记录交流电压、同步电压、电容C1两端电压、V3（BT 管）、输出电压的波形；2、记录单相半波可控整流电路和单相半控桥式整流电路负载及VT1管的数据与波形。（参见下表）3、对不同性质负载，Ud与U2间的关系式是

17、怎样的？测量值与计算值是否相符？4、分析波形是否有异常情况，若有，分析其原因，并提出改进办法。实验二、IGBT管的驱动、保护电路的测试及直流斩波电路、升降压电路的研究（46 学时）一、实验目的1、熟悉直流斩波电路及升、降压电路的工作原理。2、掌握IGBT 器件的应用。驱动模块EXB841 电路的驱动与保护环节的测试。3、掌握脉宽调制电路的调试及负载电压波形的分析。二、实验电路及工作原理（一）实验电路见图3-1 （二）实验电路的工作原理1、直流斩波电路 220V 单相交流电经整流变压器TR，降为50V交流电，再经桥堆B及滤波电容C5、C6后，变为直流电，其幅值在45V70V之间，视负载电流大小而

18、定。直流电路的负载为110V、25W白炽灯（或220V 25W白炽灯），如今以绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关管，来控制直流电路的通、断，以调节负载上平均电压的大小。这就是一个直流斩波电路。2、IGBT 管的驱动和保护电路 （1） IGBT 管 IGBT 管是一个复合元件，它的前半部分类似绝缘栅场效应管（是电压控制型，具有输入阻抗高的优点），后半部分类似双极晶体管（具有输出阻抗小、导通压降小、承受电流大的优点）。它兼有场效应管和双极晶体管的优点，因而获得日益广泛的应用。 在图3-1 中，G 为栅极，C 为集电极（又称漏极D），E 为发射极（又称源极S）。如今以EXB841模块为例，来介绍I

19、GBT 的驱动电路的工作原理。EBX841 型模块，可驱动300/1200V IGBT 元件，整个电路信号延迟时间小于1s，最高工作频率可达4050kHz。它只需要外部提供一个+20V 的单电源（它内部自生反偏电压）。模块采用高速光电耦合（隔离）输入，信号电压经电压放大和推挽（射极跟随）功率放大输出，并有过电流保护环节。其功能原理图如图3-2 所示，接线图如图3-3所示。 对照图3-2和图3-3可以看出，15 脚接高电平（+5V）输入，14脚输入控制脉信号（输入负脉冲，使光电耦合器导通），光电耦合信号经电压放大器 放大，再经发射极跟随功率放大后，由脚3输出，经限流电阻RG送至IGBT 的栅极G

20、，驱动IGBT 导通工作。稳压管VST1、VST2为栅极电压正向限幅保护。集成模块中的电阻R和稳压管VST构成的分压，经1 脚，为IGBT的发射极提供一个反向偏置（-5V）的电压，由于UGE = VG-VE，因此发射极电位VE的提高，相对UGE来说，为反向偏置。若VE =5V，VG =0，则UGE =-5V0，G-E 结处于反偏。这是由于IGBT 为电压控制型器件，截止时容易因感应电压而误导通，所以通常设置一个较高的反向偏压（-5V），使IGBT 提高抗干扰能力，可靠截止。1 脚还外接反向偏置电源的滤波电容和发射极的钳位二极管VD2（使发射极电位不低于0V）。2限流与限幅保护图 3-3 中RG

21、为栅极限流电阻，对6 /500V 元件，取RG=250。图 3-3 中VST1为栅极正向限幅保护，VST1稳压值为14V15V（因EXB841 输出高电平电压为14.5V）。图 3-3 中 VST2为栅极反向限幅保护，VST2稳压值为-5V（因为EXB841 输出低电平电压为-4.5V）。 EXB841为15 脚模块，模块中其他脚号为空脚，故未标出。3、脉冲宽度调制器采用由555 定时集成电路构成的多谐振荡器（占空比可变，而频率不变），并经过射极跟随器V2、R10输出（以提高带载能力）。调节电位器RP，即可调节脉冲宽度。由电子技术可知：（） 脉冲周期 .（4）4 .（.）. . 脉冲频率 (0

22、.8410-3)zz（） 脉宽调节范围 t.（） .（.）. （.）（） 占空比 .、为了使脉冲调制器输出低电平时，V能可靠截止，因此在V的基极处加一个由和电源及、构成的负偏置电路。为V基极反向限幅保护。三、实验设备1、佳悦 型实验装置单元3。2、电源：、三组。接实验装置下方直流电源。3、示波器5、万用表6、变阻器四、实验内容与步骤（一）直流斩波降压电路1、直流斩波降压电路如图3-2所示。对照图3-1，和图3-2，完成直流斩波降压电路连线。2、将（+20V、+5V、-5V）接入线路板相应电源插口。注意电压、极性不可接错。3、测量各电压的幅值是否正确。4、用示波器和万用表测量主电路（50V整流电

23、路）输出电压的幅值和波形。5、调节RP，用示波器测量脉冲的宽度和幅值，观察他们的变化，并作记录。6、在脉冲信号电压及主电路电压（幅值与波形）正常的情况下，接上负载（灯泡）及脉冲输入信号。7、使占空比为50%上时，测量负载平均电压UL的幅值与波形，并测量IGBT管UCB和UGE数值。8、使占空比分别为15、30，最大（98）时，重复步骤，即再测UL、UCB、UGE的数值。（二）验证EXB841 驱动模块的保护功能。 负载电压最高时，将二极管D1至IGBT 管集电极的连线断开（设置人为IGBT过载信号），观察保护电路工作情况（测量负载电压及UGE、UCE电压），并作记录。（三）直流斩波升降压电路。

24、 1、图 3-3 为直流斩波升降压电路示意图。对照图3-1 和图3-3，完成直流斩波升降压电路连线。图中C 为电解电容（1000F450V），VD 为功率二极管，L 为电感线图（此处可借用380V/50V整流变压器二次侧绕组），R 为变阻器，以防流过IGBT的电流过大（电流I1）。 升降压电路的工作原理是，当IGBT 导通时，有电流通过电感L，当IGBT截止时，电感L保持电流不变的特性，将向电容C 充电，电容两端电压即负载RL上的电压。电感L 的电流愈大，储存的磁场能量愈大，则放电时在电容C 生成的电压就愈高。调节变阻器阻值R，改变电感电流，即可改变电容（亦即负载RL）的电压。由于负载电压是靠

25、电感放电形式的，所以其极性是下正上负。 2、重复实验（一）中的步骤7与8。五、实验报告要求1、整理记录直流斩波降压电路在占空比分别为15%、30%、50%、98%时负载平均电压UL的数值与波形和IGBT管UGE、UCE数值。2、整理记录直流斩波升、降压电路在占空比分别为15%、30%、50%和98%时负载平均电压的数值、极性与波形。3、分析EXB841 驱动模块的过流保护作用。实验三、单相交流（过零触发）调功电路的研究（24 学时）一、 实验目的1、熟悉集成过零触发电路（KC08）的工作原理，测定KC08电路主要工作点的电压波形。2、掌握单相调功电路的工作原理和相关参数的整定。二、 实验电路及

26、工作原理 1 实验电路原理图 2、电路的工作原理此电路主要由KC08集成过零触发电路和由555定时集成电路组成的占空比可调的方波发生器构成。KC08集成电路内部的构成的原理图如图6-2虚框内电路所示。现对各部分的工作原理介绍如下： 图6-2 KC08电路内部构成原理图及外部主要接线图（1）由555 定时器构成的电路是一个频率固定、占空比可调的方波发生器（其工作原理参见电子技术书籍）。其8 脚接+12V 电源，1 脚接地，7 脚输出方波脉冲，其频率由VD1、VD2间的阻值及电容C2决定，此处频率固定，约为10Hz。调节电位器即可调节占空比（此处占空比约为10%90%）。在本电路中，此方波发生器主

27、要对KC08提供控制信号（送往KC08 的2 脚）。(2)KC08 电路的一个特点是可以自生直流电源。它通过交流电从U1端进入14 脚，经稳压管VST1和VST2，再经8 脚和外接二极管VD 及限流电阻R3，接至交流电U2端，从而构成半波稳压整流，它两端并联一个470F 的外接电容器。在14 与8 之间形成一个+12V+14V 的电源。由于电路7 脚经过二极管VD5与8 脚相连，因此14 脚与7 脚之间亦构成一个单向导电的电源。因此14 脚为高电平。7脚为低电平并接地。（3）由图可见，同步电压（此处即交流电源电压）通过R2加到14 脚与1 脚之间，经整流桥（VD1VD4）后，去驱动三极管T1，

28、以进行电压过零检测。它的原理是，当同步电压不为零时，T1集电极电流使T6导通，进而使T7基极对地短路，（注意KC08 的6、7 脚相连），输出级T7、T8的输出端5 将无脉冲输出，注意5脚接双向晶闸管门极。综上所述，只有当电压为零时，T6截止，且T7基极呈正电位时，才可能有触发脉冲输出。同步电路限流电阻R2的取值，由下列经验求取：（4）由三极管T2T5构成一个差分比较器，4 脚的输入提供一个基准电压U0，此处通过11、12 与4的连接，由14 及7 间的电压再经内部两个电阻分压获得U0，差分比较器的另一端通过2 脚接在由555 定时器构成的方波发生器的输出端。（5）当Ui UO，T2、T3基极

29、处于正偏，T4、T5处于反偏，这时C3上的电压，将通过T1、T2、T3和T6构成通路，导致T6导通，从而使T7、T8截止，因而无触发脉冲输出。当 Ui UO，T4、T5处于正偏，T2、T3处于反偏，在交流电压U=0 时，这时T6截止，C3上的电压将使T4、T5与T7、T8导通，从而输出触发脉冲。由于6 脚与7 脚相连，所以输出的脉冲为零电平脉冲。由于双向晶闸管的阳极，接在C3的高电平端（+12V）上，零电平的触发脉冲，将使双向晶闸管导通。由上述可见，当输入的控制信号为低电平时（UiUo），则交流电压过零时，将有触发脉冲输出，将会使该半波导通。（6）调节电位器RP，可调节方波零电平的宽度，即可调

30、节负载上通过交流电的半波个数。（7）调功电路的波形如图6-3 所示，图中U 为交流电压，Ui为输入方波控制信号波形，若方波周期T 为0.1 秒，则在一个方波周期内，将对应5 个正弦波（10 个半波）。由于是过零触发，所以调节方波的占空比，在T 周期内，输出的半波个数将在0、1、210 之间，按整数改变。这意味着输出的平均功率将可分10 档进行调节。当图中Ui零电平的宽度略大于6个半波时，负载有6个半波导通，输出功率将为满负荷的6/10。当图中Ui零电平宽度略大于1 个半波时，这样负载电压仅1 个半波。输出功率将为满负荷的1/10。这样，改变调节电位器RP，即可实现输出平均功率的调节，调功电路的

31、优点是电流的波形为正弦波，谐波成份少，而且调节方便，因此在电加热设备中获得广泛的应用。三、实验设备1、佳悦 型实验装置单元72、万用表3、双踪示波器四、实验内容与步骤1、接上50V交流电源。接入+12V 外接直流电源，按图6-2 连接各信号电路。2、测量555定时电路输出电压的幅值与波形，记录调节电位器RP 时方波占空比的变化范围。3、测量并记录KC08 电路输出触发脉冲的幅值与波形，自生电源两端（14 与7 脚间的电压幅值与波形。4、测量并记录电阻负载电压的波形。5、测量并记录双向晶闸管两个阳极T1与T2的电压波形。五、实验注意事项用双踪示波器测量各点波形并进行比较时，其探头的公共端要接同一个接线端。六、实验报告1、方波发生器输出电压的幅值与波形。2、方波占空比的调节范围（百分比）。3、以交流电压波形为基准，在它的下方分别画出占空比为80%、50%和20%时的下列波形。1）方波波形；2）触发脉冲波形；3）负载上的电压波形。