电气本电力电子技术实验指导书

1、实验一 晶闸管驱动电路实验 一、实验目的 1、加深理解晶闸管驱动电路的工作原理及各元件的作用。 2、掌握晶闸管驱动电路的测试方法。 3、了解电力电子技术实验装置的系统结构图及信号流程图。二、实验主要仪器与设备序号型 号备 注1电力电子实验装置（驱动电路板）驱动电路板2示波器3万用表三、实验原理图四、实验内容及步骤1、实验内容：(1)电力电子实验装置系统结构的认识；(2)晶闸管驱动电路各点波形的观察和分析。2、实验步骤：（1）观察电力电子装置的组成；合上S1，点击显示屏，查看并读懂系统接口图和系统结构图。（2）返回主菜单，点击相控整流实验，点击单路晶闸管触发电路，观看晶闸管驱动电路原理图，了解驱

2、动电路的工作原理。（3）点击返回，点击单相相控半波整流实验，点击开环实验。（4）用示波器观测TP3（12VGND）与TP4（PWM4A）之间的波形，并记录之。（5）用示波器观测TP10（G1）与TP11（K1）之间的波形，并记录之。五、思考题1、SCR驱动电路中，哪是光电耦合器？光电耦合器起什么作用？2、使晶闸管导通的条件是什么？ 3、晶闸管触发脉冲的宽度由哪些因素决定？六、实验分析1、从系统结构图和系统接囗图中可以看出，当做晶闸管整流电路实验时，电源开关S1、S2、S3应合上哪些开关？当做DC-DC变换电路实验时，电源开关S1、S2、S3应合上哪些开关？当做逆变电路实验时，电源开关S1、S2

3、、S3应合上哪些开关？2、驱动电路输出脉冲的宽度是多少？ 脉冲周期为多大？七、注意事项用示波器两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，晶闸管驱动电路实验时，最好使用一个探头。实验二 单相半波整流电路实验一、实验目的 1、熟悉单相半波整流电路的工作原理。2、加深对单相半波整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。3、了解续流二极管在单相半波整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。二、实验主要仪器与设备序号型 号备 注1电力电子实验装置（三相可控整流主电路板）单相半波整流电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验原理图及仿真模型1、实验

4、原理图图2-1 单相半波可控整流电路图2-1中, RL1合RL2分RL3合,晶闸管Q1工作，其它晶闸管门极触发脉冲被封锁即不能导通，电路构成单相半波可控整流电路。当输入电压进入正半周期时，Q1承受正向电压，若门极无触发信号，Q1处于正向阻断状态，负载端电压为0。如果有触发信号，则晶闸管Q1导通，负载端具有输入电压，反之在电源电压负半周期，情况相反。2、电路仿真模型图2-2 单相半波可控整流电路仿真模型1 图2-3 单相半波可控整流电路仿真模型2四、实验内容及步骤1、实验内容：(1)单相半波可控整流电路仿真分析；(2)单相半波可控整流电路输出波形的观察和分析。2、实验步骤：（1）打开MATLAB

5、仿真软件，建立图2-2所示仿真电路模型，电源电压幅值为15V，频率50Hz，负载为电阻性负载R=300。控制角分别为30°、60°、90°、120°时的仿真波形。（2）打开MATLAB仿真软件，建立图2-2所示仿真电路模型，电源电压幅值为15V，频率50Hz，负载为电阻电感负载R=300、L=500mH。控制角分别为30°、60°、90°、120°时的仿真波形。（3）打开MATLAB仿真软件，建立图2-3所示仿真电路模型，电源电压幅值为15V，频率50Hz，负载为电阻电感负载R=300、L=500mH。控制角分别为

6、30°、60°、90°、120°时的仿真波形。*上述三个仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。（4）合上电源开关S1、S2。（5）点击显示屏，相控整流实验，单相相控半波整流实验，电路原理图，了解单相半波可控整流电路工作原理。（6）依次点击返回，开环实验，相控触发角，改变触发角的大小。（7）观测触发角为10%时输出电压波形，从图上观测控制角为多少，并记录此时输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。（8）观测触发角为30%时输出电压波形，从图上观测控制角为多少，并记录此时

7、输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。五、思考题1、单相半波可控整流电路接电阻性负载时，控制角的移相范围是多少？2、单相半波可控整流电路接大电感性负载时，为什么常常要在负载两端反并联一个二极管？3、单相半波可控整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角与哪些因素有关？六、实验分析1、按实验步骤中的要求给出仿真波形，并对仿真波形作必要的说明。2、给出实验步骤中要求观测的波形、输出电压的大小及控制角的大小，并对实验波形进行分析说明。七、注意事项用示波器两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，

8、单相半波可控整流电路实验时，最好使用一个探头对实验波形进行观测。实验三 单相桥式全控整流电路实验一、实验目的(1)熟悉单相桥式全控整流电路的工作原理。(2)加深对单相桥式全控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。(3)了解续流二极管在单相桥式全控整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。二、实验所需仪器序号型 号备 注1电力电子实验装置（三相可控整流主电路板）单相桥式全控整流电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验线路及原理 1、实验线路及原理如图3-1所示,单相时:RL1合RL2分RL3合,即构成单相桥式全控整流电路，晶体管Q1、Q2和Q5、Q

9、6组成a、b两个桥臂，当输入电压进入正半周期时，Q1、Q6同时承受正向电压，若门极无触发信号，Q1、Q6仍处于正向阻断状态，负载端电压为0。如果有触发信号，则晶体管导通，负载端具有输入电压，反之在电源电压负半周期，情况相反。图3-1 单相桥式全控整流电路2、电路仿真模型图3-2 单相桥式全控整流电路仿真模型四、实验内容及方法1、单相桥式全控整流电路的仿真（1）建立图3-2所示电路仿真模型，输入电源电压幅值为310V，频率为50Hz，负载为电阻性负载，其电阻值为300。试给出控制角分别为60°和120°时输出电压的仿真波形。（2）建立图3-2所示电路仿真模型，输入电源电压幅值

10、为310V，频率为50Hz，负载为电阻电感负载，其电阻值为300，电感L=1.0H。试给出控制角分别为60°和90°时输出电压的仿真波形。（3）若是负载为反电动势负载，电路仿真模型如何建立？对于单相桥式半控整流电路的仿真模型又是如何建立？*上述三个仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。2、单相桥式全控整流电路实验（4）合上电源开关S1、S2。（5）点击显示屏，点击相控整流实验，点击单相桥式全控整流实验，点击电路原理图，了解单相桥式全控整流电路工作原理。（6）依次点击返回，点击开环实验，点击

11、相控触发角，改变触发角的大小。（7）观测触发角为10%时输出电压波形，从图上观测控制角为多少，并记录此时输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。（8）观测触发角为30%时输出电压波形，从图上观测控制角为多少，并记录此时输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。五、思考题(1)单相桥式全控整流电路对触发脉冲有什么要求？控制角的移相范围是多少？(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？六、实验分析(1)分析不同控制角时，单相桥式全控整流电路中各电路波形的变化原因。 (2)验证实

12、际波形与理论波形是否一致，如不一致，则说明造成不一致的原因。 (2)讨论、分析实验中出现的各种现象。七、注意事项(1)在主电路通电后，不能用示波器的两个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。实验四 三相桥式全控整流电路实验一、实验目的(1)熟悉三相桥式全控整流电路的工作原理。(2)熟悉三相桥式全控整流电路的组成及其工作特点。二、实验所需仪器序号型 号备 注1电力电子实验装置（三相可控整流主电路板）三相桥式全控整流电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验线路及原理1、实验线路及原理如图4-1

13、所示，三相时RL1分RL2合RL3分。三相可控整流电路任意时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组，晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT2、VT4、VT6。编号如图示，晶闸管的导通顺序为VT1VT6VT3VT2VT5VT4。图4-1 三相桥式全控整流电路2、电路仿真模型图4-2 三相桥式全控整流电路仿真模型四、实验内容及方法1、三相桥式全控整流电路的仿真（1）建立图4-2所示电路仿真模型，输入电源

14、电压幅值为310V，频率为50Hz，注意电源为三相对称电源，uA为参考相量，即其初相角为0°，负载为电阻性负载，其电阻值为300。试给出控制角分别为60°和90°时输出电压的仿真波形。（2）建立图4-2所示电路仿真模型，输入电源电压幅值为310V，频率为50Hz，注意电源为三相对称电源，uA为参考相量，即其初相角为0°，负载为电阻电感负载，其电阻值为300，电感L=1.0H。试给出控制角分别为60°和90°时输出电压的仿真波形。（3）若是负载为反电动势负载，电路仿真模型如何建立？对于三相桥式半控整流电路的仿真模型又是如何建立？*上述三

15、个仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。2、三相桥式全控整流电路实验（4）合上电源开关S1、S2。（5）点击显示屏，点击相控整流实验，点击三相桥式全控整流实验，点击电路原理图，了解三相桥式全控整流电路工作原理。（6）点击返回，点击开环实验，点击相控触发角，改变触发角的大小。（7）观测触发角为0时Q1管（测试点TPG1-TPK2）的触发脉冲波形，并记录之。（8）观测触发角为10%时输出电压波形，从图上观测控制角为多少，并记录此时输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。（9）观测触发角为30%时输出电压波形，从

16、图上观测控制角为多少，并记录此时输出电压波形和用万用表观测的输出电压大小。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。五、思考题(1) 三相桥式全控整流电路对触发脉冲有什么要求？其移相范围是多少？六、实验分析(1)分析不同控制角时，三相桥式全控整流电路中各电路波形的变化原因。 (2)验证实际波形与理论波形是否一致，如不一致，则说明造成不一致的原因。 (2)讨论、分析实验中出现的各种现象。七、注意事项(1)在主电路通电后，不能用示波器的两个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)用示波器两探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则

17、会造成短路。实验五 BUCK电路的性能研究一、实验目的(1)熟悉BUCK电路的工作原理。(2)熟悉BUCK电路的组成及其工作特点。二、实验所需仪器序号型 号备 注1电力电子实验装置（直流变换器综合电路板）BUCK电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验线路及原理1、BUCK电路(Buck Chopper)的基本工作原理BUCK电路(Buck Chopper)的原理图如图5-1所示。图中IRF540N为全控型器件，选用MOSFET管。D5为续流二极管。由图5-2中Q3（MOSFET管）的栅极电压波形UG2可知，当Q3处于通态时，电源Ui向负载供电，UD5=Ui。当Q3处于断态

18、时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：式中ton为Q3处于通态的时间，toff为Q3处于断态的时间，T为开关周期，D为导通占空比，简称占空比或导通比(D=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比D，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为BUCK电路。图5-1 BUCK电路的原理图UG2UD5tttUOtontoffTUi图5-2 BUCK电路的波形图2、BUCK电路的仿真模型图5-3 BUCK电路的仿真模型四、实验内容及方法(1)打开实验装置门，对照BUCK电路图熟

19、悉电力电子实验装置中直流变换器综合电路板的BUCK电路板 。(2)闭合S1，通过装置显示屏，点击直流变换器实验，选定降压BUCK电路实验，点击开环实验。(3) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取30%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP14-TP16）、输出电压（测试点TP14-TP17）和PWM驱动信号（测试点TP15-TP16）的波形，记录输入电压和输出电压的大小、PWM驱动信号的频率、占空比和幅值。(4) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取60%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP14-TP16）、输出电压（测试点TP14-TP17）和PWM驱动信号（测试点TP15-TP16）的波形

20、，记录输入电压和输出电压的大小、PWM驱动信号的频率、占空比和幅值。(5) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取90%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP14-TP16）、输出电压（测试点TP14-TP17）和PWM驱动信号（测试点TP15-TP16）的波形，记录输入电压和输出电压的大小、PWM驱动信号的频率、占空比和幅值。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。（6）建立图5-3所示BUCK电路仿真模型，E=24V，L=10-3H、C=660µF、R=10，IGBT的开关频率为10kHz。分别给出占空比为30%、60%、和90%时的

21、仿真波形。*上述仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。五、思考题(1)BUCK电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？六、实验分析(1)分析不同占空比时，BUCK电路中各电路波形的变化原因。 (2)验证实际波形与理论波形是否一致，如不一致试说明其原因。 (3)讨论、分析实验中出现的各种现象。七、注意事项(1)用示波器两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，最好使用一个探头。实验六 BOOST电路的性能研究一、实验目的(1)熟悉BO

22、OST电路的工作原理。(2)熟悉BOOST电路的组成及其工作特点。二、实验所需仪器序号型 号备 注1电力电子实验装置（直流变换器综合电路板）BOSST电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验线路及原理1、BOOST电路(Boost Chopper)的工作原理BOOST电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图6-1所示。电路也使用一个全控型器件MOSFET管。由图6-2中Q2（MOSFET管）的栅极电压波形UGE可知，当Q2处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C11上的电压向负载供电，因C11值很大，基本保持输出电压UO为恒值。

23、设Q2处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当Q2处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设Q2处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui) I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：UiI1ton=(UO-Ui) I1toff上式中的T/toff1,输出电压高于电源电压，故称该电路为BOOST电路。图6-1 BOOST电路的原理图UG1UD4tttUO图6-2 BOOST电路的波形图2、BOOST电路的仿真模型图6-3 BOOST电路的仿真模型四、实验内容及方法(1)打开实验装

24、置门，对照BOOST原理图熟悉BOOST电路实验板。(2)闭合S1，通过装置显示屏选定BOOST电路，设定好驱动信号占空比后（其他参数不能修改，本次实验占空比D选取10%、20%和30%），开启实验装置BOOST电路模块，点击开环实验。(3) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取10%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP9-TP13）、输出电压（测试点TP11-TP13）和MOSFET管漏极源极电压uds（测试点TP10-TP13）、二极管D4电压（测试点TP10-TP11）和电感L1电压（测试点TP9-TP10）的波形，记录输入电压和输出电压的大小，MOSFET管漏极源极电压uds、二极管D

25、4电压和电感L1电压的频率、占空比和幅值。(4) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取20%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP9-TP13）、输出电压（测试点TP11-TP13）和MOSFET管漏极源极电压uds（测试点TP10-TP13）、二极管D4电压（测试点TP10-TP11）和电感L1电压（测试点TP9-TP10）的波形，记录输入电压和输出电压的大小，MOSFET管漏极源极电压uds、二极管D4电压和电感L1电压的频率、占空比和幅值。(5) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取30%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP9-TP13）、输出电压（测试点TP11-TP13）和MOSFET

26、管漏极源极电压uds（测试点TP10-TP13）、二极管D4电压（测试点TP10-TP11）和电感L1电压（测试点TP9-TP10）的波形，记录输入电压和输出电压的大小，MOSFET管漏极源极电压uds、二极管D4电压和电感L1电压的频率、占空比和幅值。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。（6）建立图6-3所示BOOST电路仿真模型，E=24V，L=10-1H、C=1000µF、R=10，IGBT的开关频率为10kHz。分别给出占空比为10%、20%、和30%时的仿真波形。*上述仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生

27、演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。五、思考题(1)BOOST电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？六、实验分析(1)分析不同占空比时，BOOST电路中各电路波形的变化原因。 (2)验证实际波形与理论波形是否一致，如不一致试说明原因。 (2)讨论、分析实验中出现的各种现象。七、注意事项(1)用示波器两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，最好使用一个探头。实验七 全桥电路的性能研究一、实验目的(1)熟悉全桥电路的工作原理。(2)熟悉全桥电路的组成及其工作特点。二、实验所需仪器序

28、号型 号备 注1电力电子实验装置（直流变换器综合电路板）全/半桥电路板2示波器3万用表4PC机及MATLAB仿真软件三、实验线路及原理1、实验线路图及基本工作原理图7-1 全桥电路的原理图全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂QA1和QA4为一对，桥臂QA2和QA3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°。全桥逆变电路输出电压Uo的波形和半桥电路的波形Uo形状相同，也是矩形波。（基本工作原理见课本相关内容）2、仿真模型图7-2 全桥电路的仿真模型四、实验内容及方法(1) 打开实验装置门，对照全桥电路原理图熟悉全桥电路实验板。(2)启动实验装置电源S1，通

29、过装置显示屏选定全桥电路，设定好驱动信号占空比后（其他参数不能修改，本次实验占空比D选取10%和30%），开启实验装置全桥电路模块，选择开环实验键。(3) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取10%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP26-TP21）、输出电压（测试点TP30-TP31）、PWM驱动信号QA1（测试点TP18-TP19）、PWM驱动信号QA2（测试点TP20-TP21）、PWM驱动信号QA3（测试点TP22-TP23）、PWM驱动信号QA4（测试点TP24-TP25）、开关管QA1（测试点TP26-TP19）、开关管QA2（测试点TP19-TP21）、开关管QA3（测试点TP2

30、6-TP23）、开关管QA4（测试点TP23-TP25）、储能电感L两端电压（测试点TP29-TP30）、变压器初级端电压（测试点TP27-TP28）和变压器次级端电压（测试点TP29-TP31）的波形，记录其波形、频率和幅值。(4) 设定好驱动信号占空比，占空比D选取30%。用示波器分别观测输入电压（测试点TP26-TP21）、输出电压（测试点TP30-TP31）、PWM驱动信号QA1（测试点TP18-TP19）、PWM驱动信号QA2（测试点TP20-TP21）、PWM驱动信号QA3（测试点TP22-TP23）、PWM驱动信号QA4（测试点TP24-TP25）、开关管QA1（测试点TP26-

31、TP19）、开关管QA2（测试点TP19-TP21）、开关管QA3（测试点TP26-TP23）、开关管QA4（测试点TP23-TP25）、储能电感L两端电压（测试点TP29-TP30）、变压器初级端电压（测试点TP27-TP28）和变压器次级端电压（测试点TP29-TP31）的波形，记录其波形、频率和幅值。*做实验时应将观测的实验波形用U盘保存并COPY给老师，所以每一组实验时至少要带一个U盘。（5）建立图7-2所示全桥电路仿真模型，电源电压U2的幅值为311V，整流滤波电容C1=4700µF、L=10-3H、C=100µF、R=10，变压器的参数设置如图7-3所示，IGB

32、T的开关频率为10kHz。分别给出占空比为10%和30%时的仿真波形。图7-3 变压器的参数设置*上述仿真实验步骤在实验课前完成，实验时，由老师抽查的学生演示并运行做好的电路仿真。在演示时回答老师的提问或完成老师所指定的操作。五、思考题(1)全桥电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？六、实验分析(1)分析不同占空比时，全桥电路中各电路波形的变化原因。(2)讨论、分析实验中出现的各种现象。七、注意事项(1)用示波器两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，最好使用一个探头。实验八 单相正弦波脉宽调制逆变电路实验一、实验目的(1)熟悉单相PWM逆变电路的工作原理。(2)熟悉单相PWM逆变电路的组成及其工作特