电力电子技术实验讲义

电力电子技术实验讲义（修订一）

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章实验的基本要求 3第二章电力电子技术实验项目 62-4西门子TCA785集成触发电路实验 62-5单相半波可控整流电路实验 102-7单相桥式全控整流及有源逆变电路实验 132-11三相桥式全控整流及有源逆变电路实验 162-12单相交流调压电路实验 19第三章现代电力电子器件特性及典型线路实验 213-3直流斩波电路的性能研究 223-4SPWM单相交直交变频原理实验 28第一章实验的基本要求一、实验前的准备实验前的预习阶段，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，浪费时间，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：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。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，电力电子技术实验分组为每组1～2人，交、直流调速系统实验的实验小组为每组2～3人。二、实验的实施过程在完成理论学习、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，指导教师要对学生的预习报告作检查，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)指导教师对实验装置作介绍，要求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。在进行调速系统实验时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。(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2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。(6)实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。除作阶跃启动试验外,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；改接线路时，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)完成本次实验全部内容后，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，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。三、实验的总结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。四、实验的安全操作规程为了顺利完成电力电子技术及电机控制实验，确保实验时人身安全与设备的可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：1、在实验过程时，绝对不允许实验人员将双手接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。2、为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。3、为了提高实验过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。4、如果在实验过程中发生过流告警，应仔细检查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、在完成电流、转速闭环实验前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈，避免出现正反馈，造成过流。7、除特殊说明外，系统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，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。8、在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。在完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。第二章电力电子技术实验项目2-1西门子TCA785集成触发电路实验一、实验目的(1)加深理解锯齿波集成同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。(2)掌握西门子的Tca785集成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型号备注1DK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DK05晶闸管触发电路该挂件包含“TCA785单相集成触发电路”等模块。3双踪示波器自备三、实验线路及原理单相集成锯齿波同步移相触发电路的内部框图如图2-10所示。Tca785集成块内部主要由“同步寄存器”、“基准电源”、“锯齿波形成电路”、“移相电压”和“锯齿波比较电路”和“逻辑控制功率放大”等功能块组成。同步信号从TCA785的第5脚输出，“过零检测”部分对同步电压信号进行检测，当检测到同步信号过零时，信号送“同步寄存器”。“同步寄存器”输出控制锯齿波发生电路，锯齿波的斜率大小由第9脚外接电阻和10脚外接电容决定；输出脉冲宽度由12脚外接电容的大小决定；14、15脚输出对应负半周和正半周的触发脉冲，移相控制电压从11脚输入。图2-10Tca785内部框图典型应用电路如下图所示：图2-11Tca785锯齿波移相触发电路原理图电位器RP1主要调节锯齿波的斜率，电位器RP2则调节输入的移相控制电压，脉冲从14、15脚输出，输出的脉冲恰好互差180O，可供单相整流及逆变实验用，各点波形请参考图2-12。图2-12单相集成锯齿波触发电路的各点电压波形(α=900)电位器RP1、RP2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，所有的测试信号都在面板上引出。四、实验内容(1)Tca785集成移相触发电路的调试。(2)Tca785集成移相触发电路各点波形的观察和分析。五、预习要求阅读有关Tca785触发电路的内容，弄清触发电路的工作原理。六、思考题(1)Tca785触发电路有哪些特点?(2)Tca785触发电路的移相范围和脉冲宽度与哪些参数有关?七、实验方法特别注意：“主电路电源输出”部分左边U，V，W三相电压是未经隔离的交流380V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为220V左右，而“主电路电源输出”部分右边A，B，C三相电压是经隔离变压器输出的交流220V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为127V左右，三相输出端A、B、C处的发光管发光时，可向外电路提供220V/1.5A的三相交流电源，且左右部分两个中线N之间是没有电气连接的，请不要混用。(1)用两根导线将电源控制屏“主电路电源输出”的A与B间220V交流线电压接到DK05的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DK05电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器一路探头观测15V的同步电压信号，另一路探头观察Tca785触发电路中同步信号“1”点的波形，“2”点锯齿波，调节斜率电位器RP1，观察“2”点锯齿波的斜率变化，“3”、“4”互差1800的触发脉冲；最后观测输出的四路触发电压波形，其能否在30°～170°范围内移相?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“2”点的锯齿波波形，调节电位器RP1，观测“2”点锯齿波斜率的变化。③观察“3”、“4”两点输出脉冲的波形，记下各波形的幅值与宽度。(2)调节触发脉冲的移相范围调节RP2电位器，用示波器观察同步电压信号和“3”点U3的波形，观察和记录触发脉冲的移相范围。(3)调节电位器RP2使α=60°，观察并记录U1～U4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(可在示波器上直接读出，读数时应将示波器的“V/DIV”和“t/DIV”微调旋钮旋到校准位置)。U1U2U3U4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)讨论、分析实验中出现的各种现象。九、注意事项参照实验一的注意事项。2-2单相半波可控整流电路实验一、实验目的(1)掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。(2)掌握单相半波可控整流电路在电阻性负载及电阻电感性负载时的工作以及其整流输出电压（Ud）波形。(3)了解续流二极管的作用。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”模块2DK03晶闸管主电路该挂件包含“晶闸管”、“电感”、“二极管”等模块3DK05单相晶闸管触发电路该挂件包含“单结晶体管触发电路”模块4DQ27三相可调电阻器调到最大,最小处附近时不要用力过猛5双踪示波器实验室自备6万用表实验室自备三、实验线路及原理将DK05挂件上的单结晶体管触发电路的输出端“G”和“K”接到DK03挂件面板上的正桥中的任意一个晶闸管的门极和阴极，接线如图2-13所示。图中的R负载用450Ω电阻（将两个900Ω接成并联形式）。电感Ld在DK03面板上，有100mH,200mH、700mH三档可供选择，本实验中选用700mH。直流电压表及直流电流表从DK03挂件上得到。二极管在DK03上（或选用DK08挂件）。图2-13单相半波可控整流电路接线图四、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并记录。(3)单相半波可控整流电路带电阻性负载时Ud/U2=f(α)特性的测定。(4)单相半波可控整流电路带电阻电感性负载时续流二极管作用的观察。五、实验方法(1)单结晶体管触发电路的调试特别注意：“主电路电源输出”部分左边U，V，W三相电压是未经隔离的交流380V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为220V左右，而“主电路电源输出”部分右边A，B，C三相电压是经隔离变压器输出的交流220V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为127V左右，三相输出端A、B、C处的发光管发光时，可向外电路提供220V/1.5A的三相交流电源，且左右部分两个中线N之间是没有电气连接的，请不要混用。用两根导线将电源控制屏“主电路电源输出”A与B间的220V交流线电压（隔离变压器输出）接到DK05的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DK05电源开关，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压、锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形。调节移相电位器RP1，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30°～170°范围内移动?(2)单相半波可控整流电路接电阻性负载触发电路调试正常后，按图2-13电路图接线。将电阻器调在最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形，调节电位器RP1，观察α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud、UVT的波形，并测量直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表中。α30°60°90°120°150°U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）计算公式:Ud=0.45U2(1+cosα)/2(3)单相半波可控整流电路接电阻电感性负载将负载电阻R改成电阻电感性负载（由电阻器与平波电抗器Ld串联而成）。暂不接续流二极管VD1，在不同阻抗角[阻抗角φ=tg-1(ωL/R)，保持电感量不变，改变R的电阻值,注意电流不要超过1A情况下，观察并记录α=30°、60°、90°、120°时的直流输出电压值Ud及UVT的波形。α30°60°90°120°150°U2Ud(记录值）Ud/U2Ud（计算值）接入续流二极管VD1，重复上述实验，观察续流二极管的作用,以及UVD1波形的变化。α30°60°90°120°150°U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）计算公式:Ud=0.45U2(l十cosα)/2六、实验报告(1)画出α=90°时，电阻性负载和电阻电感性负载的Ud、UVT波形。(2)画出电阻性负载时Ud/U2=f(α)的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。七、注意事项(1)参照第一节的注意事项。(2)在本实验中触发电路选用的是单结晶体管触发电路，同样也可以用锯齿波同步移相触发电路来完成实验。(3)在实验中，触发脉冲是从外部接入DK03面板上晶闸管的门极和阴极，此时,请不要用扁平线将DK03、DK04的正反桥触发脉冲“输入”“输出”相连，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(4)为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意以下几点：①在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。②在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到零，且将负载电阻调到最大阻值处；接通主电路后，才可逐渐加大控制电压Uct，避免过流。③要选择合适的负载电阻和电感，避免过流。在无法确定的情况下，应尽可能选用大的电阻值。(5)由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其通过的电流不能太小，否则可能会造成晶闸管时断时续，工作不可靠。在本实验装置中，要保证晶闸管正常工作，负载电流必须大于50mA以上。(6)在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，而在锯齿波触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验就无法顺利完成。(7)使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。2-3单相桥式全控整流及有源逆变电路实验一、实验目的(1)理解单相桥式全控整流及逆变电路的工作原理。(2)掌握实现有源逆变的条件。(3)掌握产生逆变颠覆的原因及预防方法。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等模块2DK03晶闸管主电路该挂件包含“晶闸管”以及“电感”等模块3DK05单相晶闸管触发电路该挂件包含“锯齿波同步触发电路”模块4DK12变压器实验该挂件包含“三相芯式变压器”、“三相不控整流”等模块5DQ27三相可调电阻器调到最大,最小处附近时不要用力过猛6双踪示波器自备7万用表自备三、实验线路及原理图2-15为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用450Ω可调电阻器（将两个900Ω接成并联形式），电抗Ld用DK03面板上的200mH，直流电压、电流表均在DK03面板上。触发电路采用DK05挂件上的“锯齿波同步移相触发电路Ⅰ、Ⅱ”锯齿波触发脉冲G1，K1加到VT1的控制极和阴极，锯齿波触发脉冲G4，K4加到VT6控制极和阴极。锯齿波触发脉冲G2，K2加到VT4的控制极和阴极，锯齿波触发脉冲G3，K3加到VT3控制极和阴极。图2-16为单相桥式有源逆变原理图，三相电源经三相不控整流，得到一个直流电源（实验时注意电源的极性），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返馈回电网。“芯式变压器”在此做为升压变压器用，从晶闸管逆变出的电压接“芯式变压器”的中压端Am、Bm，返回电网的电压从其高压端A、B输出，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。有关实现有源逆变的必要条件等内容可参见电力电子技术教材的有关内容。图2-15单相桥式整流实验原理图图2-16单相桥式有源逆变电路实验原理图四、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带电阻电感负载。(3)有源逆变电路逆变颠覆现象的观察。五、实验方法（1）特别注意：“主电路电源输出”部分左边U，V，W三相电压是未经隔离的交流380V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为220V左右，而“主电路电源输出”部分右边A，B，C三相电压是经隔离变压器输出的交流220V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为127V左右，三相输出端A、B、C处的发光管发光时，可向外电路提供220V/1.5A的三相交流电源，且左右部分两个中线N之间是没有电气连接的，请不要混用。(2)触发电路的调试用两根导线将电源控制屏“主电路电源输出”A与B间的220V交流线电压（隔离变压器输出）接到DK05的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DK05电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪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顺时针旋到底)，观察同步电压信号和“5”点U5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，注意不要把相序接反了，否则无法进行整流和逆变。在实验中，请不要用扁平线将DK03、DK04的正反桥触发脉冲“输入”“输出”相连，确保晶闸管不被误触发。(3)单相桥式全控整流按图2-15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)，逐渐增加Uct（调节RP2），在α=0°、30°、60°、90°、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。α30°60°90°120°U2Ud（记录值）Ud（计算值）计算公式:Ud＝O.9U2(1+cosα)/2(4)单相桥式有源逆变电路实验按图2-15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)，逐渐增加Uct（调节RP2），在β=30°、60°、90°时，观察、记录逆变电流Id和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录负载电压Ud的数值于下表中。β30°60°90°U2Ud（记录值）Ud（计算值）(5)逆变颠覆现象的观察调节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颠覆现象，记录逆变颠覆时的Ud波形。六、实验报告(1)画出α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud和UVT的波形。(2)画出电路的移相特性Ud=f(α)曲线。(3)分析逆变颠覆的原因及逆变颠覆后会产生的后果。七、注意事项(1)在实验中，触发脉冲是从外部接入DK03面板上晶闸管的门极和阴极，此时,请不要用扁平线将DK03、DK04的正反桥触发脉冲“输入”“输出”相连，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(2)为了保证从逆变到整流不发生过流，其回路的电阻R应取比较大的值，但也要考虑到晶闸管的维持电流50mA，保证可靠导通。2-4三相桥式全控整流及有源逆变电路实验一、实验目的(1)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波形。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等模块2DK03晶闸管主电路3DK04三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正、反桥功放”等模块4DK08给定及实验元器件该挂件包含“给定”模块5DQ27三相可调电阻器调到最大、最小处附近时不要用力过猛6DK12三相芯式变压器该挂件包含“三相芯式变压器和不控整流”电路6双踪示波器自备7万用表自备三、实验线路及原理实验线路如图2-20及图2-21所示。主电路由三相全控整流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流电路组成，触发电路为DK04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链。集成触发电路的原理可参考有关资料，三相桥式整流及逆变电路的工作原理可参见电力电子技术教材的相关内容。图中的R用450Ω（将两个900Ω接成并联形式）；电感Ld在DK03面板上，选用200mH，直流电压、电流表由DK03获得。在三相桥式有源逆变电路中，电阻、电感与整流电路一致，芯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。五、实验方法(1)DK03和DK04上的“触发电路”调试①打开总电源开关，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用弱电导线将DK03上的“三相同步信号输出端”和DK04“三相同步信号输入”端相连,打开DK04电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。③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DK08上的“给定”输出Ug直接与DK04的移相控制电压Uct相接（要共地），将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DK04上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使α=170°。⑤适当增加给定Ug的正电压输出，观测DK04上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。⑥将DK04面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DK04的“正桥触发脉冲输出”端和DK03“正桥触发脉冲输入”端相连，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。图2-20三相桥式全控整流电路实验原理图图2-21三相桥式有源逆变电路实验原理图(2)三相桥式全控整流电路按图2-20接线，将DK08上的“给定”输出调到零(逆时针旋到底)，使电阻器放在最大阻值处，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0.65A)。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。α30˚60˚90˚U2Ud(记录值)Ud/U2Ud(计算值)计算公式:Ud=2.34U2cosα(0～60O)Ud=2.34U2[1+cos(α+)](60o～120o)(3)三相桥式有源逆变电路按图2-21接线，将电源控制屏上的“给定”输出调到零(逆时针旋到底)，将电阻器放在最大阻值处，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0.6A左右(注意Id不得超过0.65A)。用示波器观察并记录β=30°、60°、90°时的电压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。β30˚60˚90˚U2Ud(记录值)Ud/U2Ud(计算值)计算公式:Ud=2.34U2cos(180O-β)六、实验报告(1)画出电路的移相特性Ud=f(α)。(2)画出触发电路的传输特性α=f(Uct)。(3)画出α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形。七、注意事项(1)为了防止过流，启动时将负载电阻R调至最大阻值位置。2-5单相交流调压电路实验一、实验目的(1)理解单相交流调压电路的工作原理。(2)理解单相交流调压电路带电感性负载对脉冲及移相范围的要求。(3)了解KC05晶闸管移相触发器的原理和应用。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“可调电阻器”，“交流电流表”，“交流电压表”等模块2DK05单相晶闸管触发电路该挂件包含“单相交流调压触发电路”3DK08实验元器件该挂件包含“双向晶闸管”4双踪示波器自备5万用表自备三、单相交流调压触发电路的介绍单相交流调压触发电路采用KCO5集成晶闸管移相触发器（KCO5的电路内部原理图见附录）。该集成触发器适用于触发双向晶闸管或两个反向并联晶闸管组成的交流调压电路，具有失交保护、输出电流大等优点，是交流调压的理想触发电路。单相交流调压触发电路原理图2-22所示。图2-22单相交流调压触发电路原理图同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP2点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，RP2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。四、实验线路及原理本实验采用KCO5晶闸管集成移相触发器。该触发器适用于双向晶闸管或两个反向并联晶闸管电路的交流相位控制，具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单、易于集中控制、有失交保护、输出电流大等优点。单相晶闸管交流调压器如图2-22所示。图中电阻R用450Ω（将两个900Ω接成并联接法）或则用220V灯泡负载（DK08），“双向晶闸管”由DK08取得，交流电压、电流表由DK01电源控制屏上得到，电抗器Ld从DK03上得到，用700mH。2-22单相交流调压主电路原理图四、实验内容(1)KC05集成移相触发电路的调试。(2)单相交流调压电路带电阻性负载。(3)单相交流调压电路带电阻电感性负载。五、实验方法(1)KCO5集成晶闸管移相触发电路调试特别注意：“主电路电源输出”部分左边U，V，W三相电压是未经隔离的交流380V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为220V左右，而“主电路电源输出”部分右边A，B，C三相电压是经隔离变压器输出的交流220V电压（两相之间线电压），它们和中线N之间的相电压为127V左右，三相输出端A、B、C处的发光管发光时，可向外电路提供220V/1.5A的三相交流电源，且左右部分两个中线N之间是没有电气连接的，请不要混用。用两根导线将电源控制屏“主电路电源输出”的A,B220V交流线电压接到DK05的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DK05电源开关，用示波器观察“1”～“5”端及脉冲输出的波形。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，观察输出脉冲的移相范围如何变化，移相能否达到170°，记录上述过程中观察到的各点电压波形。(2)单相交流调压带电阻性负载将DK05面板上的单相交流调压触发电路的输出脉冲端“G1”、“K1”接至主电路双向晶闸管的门极和阴极。接上电阻性负载，用示波器观察负载电压、晶闸管两端电压UvT的波形。调节“单相调压触发电路”上的电位器RP2，观察在不同α角时各点波形的变化，并记录α=30°、60°、90°、120°时的波形。(3)单相交流调压接电阻电感性负载①在进行电阻电感性负载实验时，需要调节负载阻抗角的大小，因此应该知道电抗器的内阻和电感量。常采用直流伏安法来测量内阻，如图2-23所示。电抗器的内阻为：RL=UL/I(2-1)电抗器的电感量可采用交流伏安法测量，如图2-24所示。由于电流大时，对电抗器的电感量影响较大，采用自耦调压器调压，多测几次取其平均值，从而可得到交流阻抗。图2-23用直流伏安法测电抗器内阻图2-24用交流伏安法测定电感量(2-2)电抗器的电感为(2-3)这样，即可求得负载阻抗角在实验中，欲改变阻抗角，只需改变可调电阻器R的电阻值即可。②切断电源，将L与R串联，改接为电阻电感性负载。按下“启动”按钮，用双踪示波器同时观察负载电压U1和负载电流I1的波形。调节R的数值，使阻抗角为一定值,观察在不同α角时波形的变化情况，记录α＞φ、α=φ、α＜φ三种情况下负载两端的电压U1和流过负载的电流I1波形。六、实验报告(1)整理、画出实验中所记录的各类波形。(2)分析电阻电感性负载时，α角与φ角相应关系的变化对调压器工作的影响。七、注意事项（1）可参考实验一的注意事项（2）本实验也可采用用反并联晶闸管取代双向晶闸管，自己可进行设计。第三章现代电力电子器件特性及典型线路实验3-1直流斩波电路的性能研究一、实验目的(1)熟悉直流斩波电路的工作原理。(2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”3DK07直流斩波电路4DQ27三相可调电阻器5DK11单相调压与可调负载慢扫描示波器自备万用表自备三、实验线路及原理1、主电路①、降压斩波电路(BuckChopper)降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如图3-3所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图3-3b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，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V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=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α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。(a)电路图(b)波形图图3-3降压斩波电路的原理图及波形②、升压斩波电路(BoostChopper)升压斩波电路(BoostChopper)的原理图及工作波形如图3-4所示。电路也使用一个全控型器件V。由图3-4b中V的栅极电压波形UGE可知，当V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C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V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V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/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。电路图(b)波形图图3-4升压斩波电路的原理图及波形③、升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)的原理图及工作波形如图3-5所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。此后，V关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正，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。电路图波形图图3-5升降压斩波电路的原理图及波形④、Cuk斩波电路Cuk斩波电路的原理图如图3-6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3-6Cuk斩波电路原理图⑤、Sepic斩波电路Sepic斩波电路的原理图如图3-6所示。电路的基本工作原理是：可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。当V处于断态时，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。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3-7Sepic斩波电路原理图⑥、Zeta斩波电路Zeta斩波电路的原理图如图3-8所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源Ui经开关V向电感L1贮能。当V处于断态后，L1经D与C2构成振荡回路，其贮存的能量转至C2，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C2上之后，D关断，C2经L2向负载R供电。输出电压为：图3-8Zeta斩波电路原理图若改变导通比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。2、控制与驱动电路控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国SiliconGeneral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3-9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。四、实验内容（1）控制与驱动电路的测试（2）六种直流斩波器的测试图3-9SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件五、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双踪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DK07控制电路电源开关。(2)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，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)用示波器分别观测A、B和PWM信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。观测点A(11脚)B(14脚)PWM波形类型幅值A(V)频率f(Hz)(4)用双踪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由三相隔离变压器输出的单相交流电经DK11单相交流调压器及单相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24V，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六种典型的直流斩波电路进行测试。(1)切断电源，根据DK07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。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比α(%)Ui(V)Uo(V)七、实验报告(1)分析图3-9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，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。3-2SPWM单相交直交变频原理实验一、实验目的(1)熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成。(2)掌握SPWM波产生的基理。(3)分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DK03晶闸管主电路该挂件包含“平波电抗器”等几个模块3DK11单相调压与可调负载4DK14单相交直交变频原理5双踪示波器自备6万用表自备三、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:AC/DC(整流)DC/AC(逆变)图3-10主电路结构原理图如图3-10所示,交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由实验挂箱DK11单相调压器提供50V交流电）；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。(2)驱动电路:如图3-11（以其中一路为例）所示，采用IGBT管专用驱动芯片M57962L（或M57