电力电子技术实验指导书2012级

1、电力电子技术实验指导书第一章 概 述一、电力电子技术实验内容与基本实验方法电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门新技术，广泛应用于工业领域、交通运输、电力系统、通讯系统、计算机系统、能源系统及家电、科研领域。电力电子技术课程既是一门技术基础课程，也是一门实用性很强的应用型课程，因此实验在教学中占有十分重要的位置。电力电子技术实验课的主要内容为：电力电子器件的特性研究，重点是开关特性的研究；电力电子变换电路的研究，包括：三相桥式全控整流电路（AC/DC变换）、SPWM逆变电路（DC/AC变换）、直流斩波电路（DC/DC变换）、单相交流调压电路（AC/AC变换）四大类基本变流电路。电力电子技

2、术实验借助于现代化的测试仪器与仪表，使学生在实验的同时熟悉各种仪器的使用，以进一步提高实验技能。波形测试方法是电力电子技术实验中基本的、常用的实验方法，电力电子器件的开关特性依据波形测试而确定器件的工作状态及相应的参数；电力电子变换电路依据波形测试来分析电路中各种物理量的关系，确定电路的工作状态，判断各个器件的正常与否。因此，掌握不同器件、不同电路的波形测试方法，可以使学生进一步掌握电力电子电路的工作原理以及工程实践的方法。本讲义参考理论课的内容顺序编排而成，按照学生掌握知识的规律循序渐进，旨在加强学生实验基本技能的训练、实现方法的掌握；培养和提高学生的工程设计与应用能力。由于编者水平有限，难

3、免有疏漏之处，恳请各位读者提出批评与改进意见。二、实验挂箱介绍与使用方法（一）MCL07挂箱 电力电子器件的特性及驱动电路MCL07挂箱由GTR驱动电路、MOSFET驱动电路、IGBT驱动电路、PWM发生器、主电路等部分组成。1、GTR驱动电路：内含光电耦合器、比较器、贝克箝位电路、GTR功率器件、串并联缓冲电路、保护电路等。可对光耦特性（延迟时间、上升时间、下降时间），贝克电路对GTR导通关断特性的影响，不同的串、并联电路对GTR开关特性的影响以及保护电路的工作原理进行分析和研究。2、MOSFET驱动电路：内含高速光耦、比较器、推挽电路、MOSFET功率器件等。可以对高速光耦、推挽驱动电路、

4、MOSFET的开启电压、导通电阻RON、跨导gm、反相输出特性、转移特性、开关特性进行研究。3、IGBT电路驱动：采用富士IGBT专用驱动芯片EXB841，线路典型，外扩保护电路。可对EXB841的驱动电路各点波形以及IGBT的开关特性进行研究。本挂箱的特点：（1）线路典型，有助于对基本概念的理解，力求通过实验，使学生对自关断器件的特性有比较深刻的理解。（2）由于接线比较多，设计时充分考虑实验时可能产生的误操作，保护功能完善，可靠性高。使用注意事项：（1）面板上有比较多的钮子开关控制电源，实验时注意开关的通断。（2）GTR采用较低频率的PWM波形驱动，MOSFET、IGBT采用较高频率的PWM

5、波形驱动。（二）MCL08挂箱 直流斩波及开关电源MCL08挂箱由直流变换电路(Buck-Boot电路)和电流控制型脉宽调制开关稳压电源组成。1、 直流斩波电路：控制电路采用555波形发生器，由光耦进行隔离经过推挽电路驱动GTR。555产生波形的占空比可由电位器进行调节，频率为8KHZ左右。斩波电路主回路的功率器件采用GTR（10A 、800V），输入电压为15V，输出电压为(7.530V)之间内可调。按流过电感L的电流在周期开始时是否从0开始，可分为连续或不连续工作状态两种模式。可分别观察两种模式下，电感电流iL、二极管电流iVD、GTR电流iVT等波形。2、 开关稳压电源：用UC3842构

6、成电流控制型脉宽调制开关稳压电源，通过实验使学生对开关稳压电源的工作原理以及UC3842的应用有一定的了解。（三）MCL11挂箱 单相正弦波逆变电源及单相交流调压电路MCL11挂箱分成两部分：正弦波逆变电源和单相交流调压。1、 正弦波逆变电源正弦波逆变电源的功能是把直流电逆变成交流电。由波形发生器产生一50HZ、幅度可变的正弦波，送入SG3525中的第“9”脚和第“5”脚信号（锯齿波）比较后，输出经调制（调制频率为10KHZ）的SPWM波形，经过倒相器反相后，得到两路互为反相的PWM驱动信号，分别驱动功率场效应管VT1、VT2使VT1、VT2交替导通，从而在高频变压器的副边得到一50HZ的正弦

7、波，幅度可通过电位器RP进行改变。2、 单相交流调压电路采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功率因数高、电网污染小、波形畸变小等优点。输入交流电压为220V，经同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为1800，分别对应正弦波的正半周和负半周，由SG3525进行调制（调制频率为2.5KHZ）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。工作过程为：当输入交流电处于正半周时，经调制的方波信号施加于VT2的栅极和源极，VT1的控制电压为0V，交流电经过L、R、VT2、VD1构成回路；当输入交流电处于负半周时，方波信号施加于VT1、VT2的控制电压为

8、0V，交流电经过L、R、VT1、VD2构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦交流电，有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。（四）MCL18挂箱 控制和检测单元及过流过压保护MCL18由给定（G），零速封锁（DZS），速度变换器（FBS），转速调节器（ASR），电流调节器（ACR），过流过压保护等部分组成。（这里只对给定和过流过压保护部分进行介绍）1、 给定（G）：它的作用是得到以下几个阶跃的给定信号:（1）0V突跳到正电压,正电压突跳到0V;（2）0V突跳到负电压,负电压突跳到0V;（3）正电压突跳到负电压, 负电压突跳到正电压。正负电压可分别由RP1、RP2两个多圈电位器调节大小（

9、调节范围为0±13V）。数值由面板上的板表显示。只要依此扳动S1、S2开关的不同位置即能达到上述要求。a）S1放在“正给定”位置，扳动S2由“零”位到“给定”位既能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位置扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；b）S1放在“负给定”位置，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳；c）S2放在“给定”位置，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳；使用注意事项：给定输出有电压时，不能短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。2、电流变送器与过流过压保护（FBC+FA+FT）此单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过

10、流信号，三是发出过压信号。(1)电流变送器电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过流逻辑信号等。(2)过流保护（FA）当主电路电流超过某一数值后（2A左右），继电器断开主电路，并使发光二极管亮，作为过流信号，告诉操作者已经过流跳闸。SA作为解除记忆的恢复按钮，当过流动作后，如过流故障已经解除，则需按下解除记忆，恢复正常工作。（五）MCL36 锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测，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 所示。由VD1、VD2、C1、R1

11、等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。由VST1、V1、R3等元件组成的恒流源电路及V2、V3、C2等组成锯齿波形成环节。控制电压Uct偏移电压Ub及锯齿波电压在V4基极综合叠加，从而构成移相控制环节。V5、V6构成脉冲形成放大环节，脉冲变压器输出触发脉冲。元件RP装在面板上，同步变压器幅边已在内部接好。三、安全操作常识由于电力电子技术实验主要是面向大功率电路，如果操作不当，很容易造成人身触电伤亡事故。这就要求实验者树立牢固的安全意识，在实验过程中严格按照实验步骤和方法进行。1、 三相主电源为380V电网电压，操作时要注意安全。2、 主电路接线、改线时，必需

12、先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时“给定”回零。主电路工作时严禁带电操作。3、 主电路接线完成后，需检查无误后方可接通电源。4、 双踪示波器两个探头的地线通过示波器外壳短接，在使用时，必须使两个探头的地线同电位，以免造成短路事故。5、 主电路工作时禁止随意关断脉冲输出开关。四、实验前的准备1、实验前认真阅读实验指导书的有关内容，明确实验目的和任务，了解具体的实验项目、实验设备、被测电力电子器件的特性、被测电路的工作原理及需要测量的参数和波形。2、根据实验指导书上的要求写出预习报告。3、实验课上认真听取指导教师对实验的讲解，明确实验的要求、安全注意事项及操作方法。第二章 电力电子技

13、术实验实验一 三相桥式全控整流电路实验一、实验目的1、掌握三相桥式全控整流电路的工作原理及接线。2、熟悉MCL-II型电机控制教学实验台主控制屏的结构及调试方法。3、熟悉MCL-18, MCL-33, 组件的结构及调试方法4、分析和掌握三相桥式全控整流电路在不同负载下的工作状况和波形。二、实验内容1、锯齿波触发器的研究（1）触发器同步电压定相；（2）触发器波形测试及移相特性Uct=f() 测试；2、电阻负载及电阻、电感负载整流电路波形测试。三、实验线路及工作原理实验线路见图2触发电路以锯齿波作为同步信号,经移相控制、脉冲形成环节产生双窄脉冲，作为晶闸管门极的触发信号。整流电路由六只晶闸管组成三

14、相桥式全控型电路。触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后的双脉冲。四、实验设备及仪器1、MCL¾II型电机控制教学实验台主控制屏2、MCL-18挂箱3、MCL-33挂箱4、二踪示波器5、MEL06直流电压、电流表6、MEL03三相可调电阻器（或自配滑线变阻器）五、实验方法整流电路波形测试1、未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。MCL-18的S1开关置“正给定”，S2开关置“给定”RP1、RP2逆时针旋转到底，MCL18与MCL33的低压电源±15V对应连接。MCL18的Ug接MCL33的Uct，MCL33的Ub1f接地。合总电源开关（主电路断）用示波器观察MCL3

15、3的触发脉冲观察孔应为双脉冲且“1”号 脉冲超前“2”号 脉冲。将控制I 组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极和阴极，应有幅度为1V至2V的脉冲。2、整流电路的调试主电路接线：（1）将电源板上的U、V、W分别接MCL18的L1、L2、L3；U、V、W接MCL33的I组的U、V、W。晶闸管TV1、TV3、TV5的阴极连在一起，TV2、TV4、TV6的阳极连在一起。整流电路输出接电阻负载MEL03。负载两端接入电压表MEL06（选300V挡）。电流表（选2A档）（2）三相调压器逆时针调到底，合主电路电源，缓慢调节调压器主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从0V调至

16、200V。（3）Uct从0缓慢增加，观察电压表和电流表Ud不要超过220V，Id不要超过0.7A。3、整流电路的研究（1）整流输出接电阻负载，用示波器观察记录=30°、60°、90°、的整流输出电压波形。（2）整流输出接电阻、电感负载观察记录=30°、60°、90°的整流输出电压与电流波形和TV1上的波形。六、实验报告1、画出电路的移相特性Ud=f ()曲线.2、角为30°、60°、90°时的Ud、Id、VT1波形。实验二 直流斩波电路的研究一、实验目的1、 掌握Buck-Boost变换器的工作原理、特点

17、与电路组成。2、 掌握Buck-Boost变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。3、 掌握Buck-Boost变换器的调试方法。二、实验内容1、 测试Buck-Boost变换器的各物理量波形。2、 测试不同电感值时的不同占空比。3、 测试直流电压增益M=Vo/E与占空比的函数关系。4、 测试输入、输出滤波环节分别对输入电流iS输出电流 io的影响。三、实验线路实验线路见图3四、实验设备和仪器1、MCL08直流斩波及开关电源实验挂箱2、万用表4、 双踪示波器五、实验方法1、 检查PWM信号发生器与驱动电路工作是否正常连接有关线路，观察信号发生器与驱动电路的输出波形是否正常。2、 电感L=1.6

18、mH，电感电流iL处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试将“16”与 “18”、 “21”与 “4”、 “22” 与 “5”、 “19” 与“6”、 “1” 与“4”、 “9”与“12”相连。合上开关S1、S2、S3与S4，用示波器观察“7”与“13”（即iL）之间波形，然后调节RP1使iL处于连续与不连续临界状态，记录这时的占空比与工作周期T。3、 L=1.6mH，测出处于连续与不连续临界工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。调节RP1使iL处于连续与不连续临界工作状态，用示波器观察GTR基-射极电压Vbe与集-射极电压Vce；二极管阴极与阳极电压VD；电感L3两端电压VL；电感电流iL；三极管集电极电流iC以及二极管电流iD等波形。4、 L=1.6mH，测出连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。调节RP1使iL处于连续工作状态，用示波器观察上述波形。5、 L=1.6mH，测出不连续工作状态时的Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。调节RP1使iL处于不连续工作状态，用示波器观察上述波形。6、 L=1.6mH，iL处于连续与不连续临界工作状态时的占空比。将开关S2断开，用示波器观察iL波形调节RP1使iL处于连续与不连续临界工作状态，记录这时的占空比与工作周期T。7、L=3.2mH，测