电机电力电子及电气传动教学实验台介绍

第1章MCL系列

电机电力电子及电气传动教学实验台介绍

一概述

1.特点：

(1)采用组件式结构，可根据不同内容进行组合，故结构紧凑，使用方便灵活，并且

可随着功能的扩展只需增加组件即可，能在一套装置上完成《电力电子学》，《电力拖动

自动控制系统》等课程的主要实验。

(2)装置布局合理，外形美观，面板示意图明确，直观，学生可通过面板的示意查寻

故障，分析工作原理。电机采用导轨式安装，更换机组简捷，方便，所采用的电机经过特

别设计，其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组，能给学生正确的感性认识。除实

验控制屏外，还设置有实验用台，内可放置机组，实验组件等，并有可活动的抽屉，内可

放置导线，工具等，使实验更方便。

(3)实验线路典型，配合教学内容，满足教学大纲要求。控制电路全部采用模拟和数

字集成芯片，可靠性高，修理，检测方便。触发电路采用数字集成电路双窄脉冲。

(4)装置具有较完善的过流、过压、RC吸取、熔断器等保护功能，提高了设备的运

行可靠性和抗干扰能力。

(5)面板上有多只发光二极管指示每一个脉冲的有无和熔断器的通断。触发脉冲可外

加，也可采用内部的脉冲触发可控硅，并可模拟整流缺相和逆变颠覆等故障现象。

2.技术参数

(1)输入电源：-380V10%50Hz±lHz

(2)工作条件：环境温度：-5~40°C

相对湿度：〈75%

海拔：〈1000m

(3)装置容量：(1KVA

(4)电机容量：(200W

(5)外形尺寸：长1600mmX宽700mm(长1300mmX宽700mm)

3.能开设的实验

电力电子技术.半控型器件：

1.单结晶体管同步移相触发电路及单相半波可控整流电路

2.正弦波同步移相触发电路及单相半波可控整流电路

3.锯齿波同步移相触发电路

4.单相桥式半控整流电路

5.单相桥式全控整流电路

6.单相桥式有源逆变电路

7.三相半波可控整流电路

8.三相半波有源逆变电路

9.三相桥式半控整流电路

10.三相桥式全控整流电路

11.三相桥式有源逆变电路

12.直流斩波电路

13.单相并相逆变电路

14.单相交流调压电路

15.三相交流调压电路

电力电子技术.全控型器件特性部分

1.功率场效应晶体管(MOSFET)的主要参数测量

2.功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动电路研究

3.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性及其驱动电路的研究

4.电力晶体管(GTR)驱动电路的研究

5.电力晶体管(GTR)的特性研究

电力电子技术.全控型器件典型线路部分

1.直流斩波电路(升压斩波、降压斩波)的性能研究

2.单相交直交变频电路的性能研究

3.半桥型开关稳压电源的性能研究

4.电流控制型脉宽调制开关稳压电源研究

5.直流斩波电路(Buck-Boost变换器)的研究

6.采用自关断器件的单相交流调压实验

7.单相正弦波(SPWM)逆变电路实验

8.全桥DC/DC变换电路实验

9.整流电路的有源功率因数校正实验

10.软开关实验

直流调速实验

1.晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

2.晶闸管直流调速主要单元调试

3.不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究

4.双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

5.逻辑无环流可逆直流调速系统

6.双闭环控制的直流脉宽调速系统(PWM)

交流调速实验

1.双闭环三相异步电机调压调速系统

2.双闭环三相异步电机串级调速系统

3.微机控制的脉宽调制SPWM变频调速系统(IPM)

4.空间矢量控制的变频调速系统

5.采用DSP的磁场定向变频调速系统与直接转矩变频调速系统

6.采用DSP控制的直流方波无刷电机调速系统

4.组件配置：

4.1.实验机组：

(1)直流电动机：PN=185W,UN=220V,IN=1.1A,n=1500r/min

(2)绕线式异步电机：PN=100W,UN=220V,IN=0.55A,n=1350r/min

(3)直流复励发电机MOI：PN=100W,UN=200V,IN=0$A,n=1500/min

(4)三相笼型异步电动机M04：PN=100W,UN=220V,IN=0.48A,n=1400/min

(5)直流方波无刷电机M15：PN=40W,UN=36V,IN=1.3A,n=1500/min

4.2.实验挂箱：

(1)MCL-05单结晶体管，正弦波，锯齿波触发电路

(2)MCL-06单相并联逆变器，斩波器

(3)MCL-07IGBT、VDMOS、GTR电力电子器件实验箱MCL-03速度变换器，转速

调剂器，电流调剂器

(4)MCL-08直流斩波电路(Buck-Boost)和电流控制型脉宽调制开关稳压电源实

验箱MCL-04反号器，转矩极性鉴别器，零电流检测器，逻辑控制器.

(5)MCL-09微机控制的SPWM变频调速及空间矢量控制变频调速实验箱

(6)MCL-10A全桥DC/DC变换、直流脉宽调速系统实验箱

(7)MCL-11单相交流调压实验、单相正弦波(SPWM)逆变电路实验

(8)MCL-13A采用DSP控制的变频调速实验箱

(9)MCL-14A采用DSP控制的直流方波无刷电机调速实验箱

(10)MCL-15整流电路的有源功率因数校正实验箱

(IDMCL-16直流斩波电路(升压斩波、降压斩波)、单相交直交变频电路的性能

研究、半桥型开关稳压电源的性能研究

(12)MCL-17软开关

(13)MCL-18速度变换器，转速调剂器，电流调剂器，电流互感器，电压互感器,

过流保护，给定，电流反馈

(14)MCL-2O给定，触发电路，I组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸取，二极管三

相整流桥

(15)MCL-22现代电力电子电路和直流脉宽调速系统实验

(16)MCL-33触发电路，I组晶闸管，II组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸取，二

极管三相整流桥

(17)MEL-11电容箱

(18)MEL-O2三相芯式变压器

(19)MCL-34挂箱：反号器(AR),转矩极性鉴别器(DPT),零电流检测器(DPZ),逻辑

控制器(DLC)

4.3选配挂箱：

(1)MEL—03挂箱：可调电阻器

(2)电机导轨及测速发电机

直流发电机MOI：PN=100W,UN=200V

(3)电机导轨及测功机、测速发电机

MEL—13组件。

二MCL系统挂箱介绍和使用说明

—.MCL—18挂箱(MCL—31)

MCL—18由G（给定），零速封锁器（DZS）,速度变换器（FBS）,转速调剂器（ASR）,

电流调剂器（ACR）,过流过压保护等部份组成。

1.G（给定）：

原理图如图l-lo

它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号：

（1）OV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

多圈电位器调剂大小（调剂范畴为

0-±13V左右）。数值由面板右边的

数显窗读出。

只要依次扳动SI、S2的不同位

置即能达到上述要求。

（1）若S1放在“正给定”位，

扳动S2由“零”位到“给定”位即

能获得0V突跳到正电压的信号，再

由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；

（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2,能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳;

（3）S2放在“给定”位，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，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则

容易烧坏限流电阻。

2.FBC+FA+FT（电流变送器与过流过压保护）：

此单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。

电路图为1-20

（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，零电流信号和过电流逻辑信号

等。

电流互感器的输出接至输入TAI,TA2,TA3,反映电流大小的信号经三相桥式整流

电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中：

a.9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。

b.将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调剂。

c.将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调剂过流动作电流的大

小。

(2)过流保护(FA)

当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3,9R20上取得的过流信号电压超过运

算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，

结果使继电器K的线圈得电，继电器K由开释变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器

的线圈回路中，使接触器开释，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告

诉操作者已经过流跳闸。

SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除

记忆，复原正常工作。

3.零速封锁器(DZS)

零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确

为零时，封锁调剂系统中的所有调剂器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路

有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图1-3所示。

它的总输入输出关系是：

(1)当1端和2端的输入电压的绝对值都小于0.07V左右时，则3端的输出电压应

为0V；

(2)当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端

的输出电压应为-15V；

(3)当3端的输出电压已为一15V,后因1端和

2端的电压绝对值都小于0.07V,使3端电压由一15V''

变为0V时，需要有100毫秒的延时。

3端为OV时输入到各调剂器反馈网络中的场效““

应管，使其导通，调剂器反馈网络短路而被封锁，31；'n

端为一15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除

封锁。具体原理如下：一III>

-0.2V-0.07V0.07V0.2V

它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组图「4电平检测器输入输出特性

成。

(1)DZS前半部分别由线性集成电路Al：A和Al：B组成二个山形电平检测器，

山形电平极测器的输入输出特性如图1—4所示，输入电压是指1或2端送入的电压(S3

放在封锁位)，输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输出电压突跳的几个输

入电压为:

Ua=-0.2VUb=-0.07VUc=+0.07VUd=+0.2V

输出正向电压无限幅，约为+12V,输出负向电压用二极管VD9和VDio箝位到-0.7V。

(2)DZS的后关部为开关延时电路

(a)当1和2端电压绝对值均小于0.07V,则4和5得到的电压都为+15V,高电平

为“1”态，输入单与门4011,其输出10脚也为“1”态，二极管VDu截止，这样单与非

门的输入为“1”态，输出3脚为“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三

极管VT1截止，从而3端输出为0V。

(b)当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于0.2V时，则在4和5上或者4

为-0.7V,或者5为-0.7V,或者4、5均为-0.7V,低电平为“0”态，三种情形输入D：

C,其输出都为“0"态，VD”导通，接0V,D:A输入为“0”态，其输出为“1”态，使

VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为一

15V»

(c)当已在(b)的情形，3端子输出为一15V,此时D:C的输出为0V,D:A上输入

电压接近0V。若要回到(a)的情部，则D：C的输出先由“0”态变成“1"态，VDu截

止，D:A上输入上电压应为+15V,但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5

充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：A的输出由“1”态变为“0”态，从而使

3端输出为0V,所以3端由一15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27c5的充

电回路时间常数。

(d)钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情形，即

为上述分析情形，放在“解除位"，Al：A组成的山形电平检测器输入总是+15V,3端子

电位总是一15V,使各调剂器解除封锁，以便单独调试调剂器用。

4.电源输入输出端：

面板下部的LI、L2、L3三接线柱表示三相电源的输入，U、V、W表示电源输出端。

在进行实验时，调压器的输出端接到LI、L2、L3,U、V、W接到可控硅或电机，在L1、

U,L2、V,L3、W间接有电流互感器，LI、L2间接有电压互感器，当电流过大或电压过

高时，过流保护和过压保护动作。

使用注意事项：接到可控硅的电压必须从U、V、W引出，否则过流保护和过压保护

不起作用。

5.FBS(速度变换器)

速度变换器(FBS)用于转速反馈

的调速系统中，将直流测速发电机的输

出电压变换成适用于控制单元并与转

图「5速度变换器

速成正比的直流电压，作为速度反馈。

其原理图如图1—5所示。

使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。分两路输出。

(1)一路经电位器RP2至转速表，转速表(0-±2000n/s)已装在电机导轨上。

(2)另一路经电阻及电位器RP,由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，

反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调剂，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁

反映转速的电平信号。

元件RP装在面板上。

6.ASR(速度调剂器)

速度调剂器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分

和微分等运算，使其输出按某一规律变化。

它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图1-6所示。

转速调剂器ASR也可当作电压调剂器AVR来使用。

速度调剂器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其

输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移

小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调剂器。图1-7中，

由二极管VD4,VD5和电位器RP2,RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2,R9组成

反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15,C1组成速度环串联校正网络。场

效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调剂器反馈网络短接而封锁，4

端为-13V时，VD5夹断，调剂器投入工作。RP1为放大系数调剂电位器。

元件RP1,RP2,RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2

两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。

7.ACR（电流调剂器）

电流调剂器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、

减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种

予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大

级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。

10K12K

C2,473R9R15

R16

R5R10

2M1N4007

10K

VD3

R11

IV5R18

3DJ6H300

C710KRP2

2242.2K

R121N4007

------E3DG6C

10K10KUA741

2CW54R3R21

1.5K

VST2

9013J_____-I\v4

,\.3CG23

后R131N4007RP3|

R810KR142.2K

•—»।——I10K

R19

10K300

-15

2c部54R4

C9

224-15

VS139013

图1-7电流调节器

电流调剂器与速度调剂器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推p信号，来自电

流变换器的过流信号Up,当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负

电压使触发电路脉冲后移。Uz、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，

三极管VI、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。

晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP

型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3,V4基极电位为负时，V3管（NPN

型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入

阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。

元件RP1、RP2、RP3装在面板上，Cl、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。

二.MCL-33挂箱:

MCL—33由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管，RC

吸取回路，平波电抗器L组成。

本实验台提供相位差为60°,经过调制的“双窄”脉冲（调制频率大约为3~10KHz）,

触发脉冲分别由两路功放进行放大，分别由Ublr和Ublf进行控制。当Ublf接地时，第一组

脉冲放大电路进行放大。当Ublr接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。脉冲移相由Uct

端的输入电压进行控制，当Uct端输入正信号时，脉冲前移，Uct端输入负信号时，脉冲后

移，移相范畴为10°—160°。偏移电压调剂电位器RP调剂脉冲的初始相位，不同的实验初

始相位要求不一样。

双脉冲观察孔输出相位差为60°的双脉冲，同步电压观察孔，输出相电压为30V左右

的同步电压，用双踪示波器分别观察同步电压和双脉冲，可比较双脉冲的相位。

使用注意事项：单双脉冲及同步电压观察孔在面板上俱为小孔，仅能接示波器，不能

输入任何信号。

1.脉冲控制。

面板上部的六档直键开关控制接到可控硅的脉冲，1、2、3、4、5、6分别控制可控硅

VT1,VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时

脉冲接通。

2.一桥可控硅由六只5A800V组成。

3.二桥可控硅由六只5A800V构成，另有六只5A800V二极管。

4.RC吸取回路可排除整流引起的振荡。当做调速实验时需接在整流桥输出端。平波电

抗器可作为电感性负载电感使用，电感分别为50mH、100mH、200mH、700mH,在1A范

畴内基本保持线性。

使用注意事项：

外加触发脉冲时，必须切断内部触发脉冲。

三.MCL—34挂箱

MCL-34为逻辑无环流可逆直流

调速专用挂箱。由AR（反号器）、DPT

（转矩器性鉴别器）、DPZ（零电流检

测器）、DLC（逻辑控制器）构成。

图1-8反号器

1.AR(反号器)

反号器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图1-8所示。用于调速系统中信号需要

倒相的场合。

反号器的输入信号由运算放大器的反相端接入，故输出电压为

Usc=-(RP+R3)/Ri

调剂RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=RI,则USC=-USR,输入与输出成

倒相关系。元件RP装在面板上。

2.DPT(转矩极性鉴别器)

转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模

数转换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的‘0“、“1“状态信号。其

原理图如图1—9(a)所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图1—9(b)所示，具有继

电特性。调剂同相输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。特性的回环宽度为

Uk=Usr2-Usrl=Kl(Uscm2-Uscml)

式中K/为正反馈系数，K/越大，则正反馈越强，回环宽度就越大，Usr2和Usrl分别为

输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm2和Uscml分别为正向和负向

饱和输出电压。

逻辑控制系统中的电平检测环宽一样取0.2~0.6V,环宽大时能提高系统抗干扰能力，

但环太宽时会使系统运作迟钝。

(a)(b)

图-9转矩极性鉴别器

3.DPZ(零电流检测器)

(b)

(a)

图1-10零电流检测

零电流检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统

中进行零电流检测，其原理图和输入输出特性分别如图1-10（a）和1-10（b）所示。

4.DLC（逻辑控制器）

逻辑控制器适用于直流电动机可控硅无环流反并联供电的调压调速系统中，它对转矩

极性指令和主回路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥可控硅整流装置上

的触发脉冲。逻辑电路除了功率输出级外，全部采用CMOS集成化与非门电路组成。对于与

非门电路来说，只有当输入端全部为“1”信号（高电平）时，其输出才为零（低电平）；

只要输入端中任一个“0”信号，其输出便为“1”信号。

其原理图如图1-11所示。DLC主要由逻辑判定电路，延时电路，逻辑保护电路，推。

环节等组成。

图『11逻辑控制

A.逻辑判定环节逻辑判定环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流电平

检测器的输出UM和Ui状态，正确地判定晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换（由UM是

否变换状态决定）及切换条件是否具备（由Ui是否由“0”态变“1”态决定）。即当UM

变换后，零电流检测器检测到主电路电流过零）时，逻辑判定电路立刻翻转，

同时应保证在任何时刻逻辑判定电路的输出Uz和UF状态必须相反。

B.延时环节要使正，反两组整流装置安全，可靠地切换工作，必须在逻辑无环

流系统中逻辑判定电路发出切换指令Uz或UF后。经关断等待时间tl（3ms）和触发等待时间

t2（10ms）之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，电路中VD1、Cl,VD2、C2起

tl的延时作用，VD3、C3,、VD4、C4起t2的延时作用。

C.逻辑保护环节逻辑保护环节也称多一保护环节。当逻辑电路发生故障时，Uz、

UF的输出同时为“1"状态，逻辑控制器两个输出端Ublr和Ublf全为“0"状态，造成两组整流

装置同时开放，引起短路环流事故。加入逻辑保护环节后，当Uz、UF全为“1"状态时，使

逻辑保护环节输出“A”点电位变为“0“，使Ublf和Ublr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁,

避免产生短路环流事故。

D.推°环节在正，反桥切换时，逻辑控制器中D2:10输出“1“状态信号，将此信

号送入ACR的输入端作为脉冲后移推时旨令，从而可避免切换时电流的冲击。

E.功率放大输出环节。

由于与非门输出功率有限，为了能可靠推动脉冲门I或II,故加了由VI和V2_组成的

功率放大级，由逻辑信号ULKI或Ug进行控制,或为“通”，或“断”来控制触发脉冲门I或

触发脉冲门Iio

四.MCL05挂箱

MCL-05挂箱为触发电路专用挂箱，其中有单结晶体管，正弦波，锯齿波同步移相触

发电路。

面板左上方装有同步变压器原边组的接线柱，下有“触发挑选开关”，可根据需要挑

选“单结管”，“正弦波”，“锯齿波”等触发电路。

当外加同步电压220V为时，通过触发电路挑选直键开关可挑选输出至单结管触发电

路，正弦波触发电路，锯齿波触发电路的同步电压分别为60V,15,7V

1.单结晶体管触发电路

由单结晶体管V3,整流稳压环节，及由VI,V2等组成的等效可变电阻等组成，其原

理图如图1-12所示。

1N4007

1N4007

图1T2单结晶体管触发电路

由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经全波整流，再由稳压管VST1,VST2

进行削波，而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过

R7,V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V3导通，

从而通过脉冲变压器输出脉冲。同时C3经V3放电，由于时间常数很小，Uc2很快下降至

单结晶体管的谷点电压,V3重新关断，C2再次充电。每个梯形波周期，V3可能导通，关断

多次，但只有第一个输出脉冲起作用。电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，调剂

RP3的滑动触点可改变VI的基极电压，使VI,V2都工作在放大区，即等效电阻可由RP1

来调剂，也就是说一个梯形波周期内的第一个脉冲显现时候（控制角）可由RP1来调剂。

元件RP1装有面板上，同步信号已在内部接好。

2.正弦波同步触发电路

正弦波同步触发电路由同步移相和脉冲形成放大等环节组成,其原理图如图1-13所示。

同步信号由同步变压器副边提供。晶体管VI左边部分为同步移相环节，在VI的基极

上综合了同步信号UT,偏移电压Ub及控制电压Uct,RP2可调齐UUb,调剂Uct可改变触发

图1T3正弦波触发电路

电路的控制角。脉冲形成放大环节是一集基耦单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的

基极，V3的集电极通过C4,RP3耦合到V2的基极。当同步移相环节送出负脉冲时，使单

稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。

调剂元件均装在面板上，同步变压器副边已在内部接好

3.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1-14所示。

由VD1,VD2,C1,R1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，同步变压器副边已在内部接好。

五.MCL06使用说明

MCL06为单相并联逆变和直流斩波器专用挂箱。

1.单相并联逆变触发电路

以555集成时基电路为基础振荡电路，通过双D触发器二分频得到相位差180°的触

发脉冲，经三极管VI,V2功率放大后交替触发主电路的两个晶闸管。振荡频率由电位器RP

进行调剂，555的输出“3”接至4013的CLK端，输出为相位相差180°的脉冲。

单相并联逆变触发电路原理图见图1-15

图1T6斩波器主电路

图『15单相并联逆变触发电路

2.斩波器主电路

图1一16所示的是一脉宽可调的逆阻型斩波器，晶闸管VT1为主晶闸管，VT2为辅

助晶闸管，用来控制输出电压的脉宽，C和L1组成换流振荡环节。

3.UPW（脉宽调制器）

脉宽调制器UPW的第一级为由幅值比较电路和积分电路组成的一个频率和幅值均可

调的锯齿波发生器。电位器RP2用来调剂锯齿波的幅值，电位器RP1用来调剂锯齿波的频

率。电路如图1-17所示。

由第二比较器产生的方波接至电路的输入端，则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉

冲，如图所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变。将此两

脉冲通过功放级送至面板上的主晶闸管和辅助晶闸管，其中前沿脉冲送主晶闸管VT1,后

沿脉冲送辅助晶闸管VT2。

图1T7斩波器触发电路

六.MCL—07挂箱

MCL-07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电路：内含普通光耦、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。可对光耦的特性(延迟时间、上升时间、下降时间)，贝克电路对GTR

通、关断特性的影响，不同的串、并联电路对GTR开关的影响以及保护电路的工作原理进

行研究和分析。

2.MOSFET电路：内含高速光耦、比较器、推挽电路、MOSFET功率器件等。可对

高速光耦、推挽驱动电路、MOSFET的开启电压、导通电阻RON、跨导gm、反向输出特性、

转移特性、开关特性进行研究。

3.IGBT电路：采用富士IGBT专用驱动芯片EXB841,线路典型，外扩过流保护电

路。可对EXB841的驱动电路各点波形以及1GBT的开关特性进行研究。

特点：

(1)线路典型，注重对基本概念的了解，力求通过实验，使学生对自关断器件的特性

有比较深刻的懂得。

(2)由于接线比较多，设计时充分考虑到学生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)面板上有比较多的扭子开关控制电源，需注意扭子开关的通断。

(2)GTR采用较低频率的PWM波形驱动，MOSFET、IGBT采用较高的PWM波形

驱动。

（2）由于接线头采用防转动叠插头，使用时需注意防转动叠插头导线的导通，以免观

察不到波形。

七.MCL—08挂箱

MCL—08挂箱由直流变换电路（Buck-Boost电路）和电流控制型脉宽调制开关稳压

电源组成。

1.直流转波电路：控制回路采用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剂，频率约为8K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7.5~30V之内可调。

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。

实验中，可分别观察两种模式下，电感电流记、二极管电流ivD、GTR电流田T等波形。

2.开关电源

采用UC3842构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电源的

工作原理以及UC3842的应用有一定的了解，UC3842脉宽调制器的具体说明可参见第二章

的有关内容。

八.MCL—09挂箱:

MCL—09挂箱为电机变频调速专用挂箱，它由主回路和控制回路组成，现分别说明：

1.主回路

主回路结构如下图。变频器为电压源VSI型，其中间直流环节采用大电容滤波，主回

路整流电路采用桥式不控整流模块，电网电压经桥式整流后对直流母线上的滤波电容充电,

串联限流电阻R1是为限制过大的充电电流。若不用限流电阻，当系统合闸时会有相当大的

充电电流，可能会烧毁滤波大电容和整流模块。不过，限流电阻也不是一直串联在回路中，

只是在电容刚开始充电时进行限流，当电容两端的电压充到一定值时，继电器收合，把限

流电阻R,短路。

直流环节滤波电容为2200MF/450V,电路中电容C2、二极管VD和电阻构成一个

典型的吸取缓冲电

路。主回路工作时，

因为功率器件开关

频率很高，开关动作

时会在直流环节中

产生电流突变，若直

图1T8变频调速主回路

流环节存在电感，则可能在功率器件两端产生很大的尖峰电压，吸取缓冲电路的作用就是

吸取排除此尖峰电压。

电容电压的检测用电阻R2和R3分压进行检测，分别控制继电器K和过压保护电路。

功率器件采用三菱智能IGBT模块。内含过压、过流、过热保护，是一种新型的功率

器件。具有驱动电路简单、可靠性高等优点。

电机采用三相鼠笼式异步电机、△接法，功率为120W,电压为220V。

2.控制回路

控制回路主芯片采用美国英特尔公司的电动机专用变频芯片80C196MC,内含六路

PWM输出，其低电平有效，可直接驱动隔离控制电路和驱动电路的光电耦合器，因此可直

接用于控制三相逆变器中的六个主开关器件驱动级。

80C196MC的具体说明可参考有关资料。

九.MCL—10挂箱:

MCL—10为直流脉宽调速专用挂箱，原理框图如图1—19。

在结构上分为两部分：主回路和控制回路。

1.主回路：

二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情形下，交流输入为220V,经过整流

后变为300V直流电，电阻Ri为起动限流电阻，滤波电容C为470UF/450V；四只功率

MOS管构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到十或一的直流电压。H桥

的具体工作原理可参考有关资料。

在VT2和VT4的源极回路中，串接两取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4

的电流，经过差放放大，在“21”端输出一反映电流大小的电压，作为双闭环控制系统的

电流反馈信号。

电阻R2在本实验箱中有两个作用。第一，可用来观察波形，R2的阻值为1Q，其上的

电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，

过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOS管。

2.控制回路

控制回路采用SG3525构成，SG3525的具体参数可参见实验指导书的第三章。

SG3525的13脚输出占空比可调（改变9脚电压）的脉冲波形（占空比调剂范畴不小

于0.1~0.9）,同时频率可通过充放电时间的不同而改变（通过钮子开关S1调剂），经过

RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为511s左右的脉冲（观察“33”端和“34”端）,

经过光耦隔离后，分别驱动四只MOS管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱

动信号相同。

为了保证系统的可靠性，在控制回路设置了保护线路，一旦显现过流，保护电路输出

二路信号，分别封锁SG3525的脉冲输出和与门的信号输出。

面板的左端为正、负给定。当钮子开关S5打向“土给定”，S4打向“正给定”时，

“24”端输出一15V,同时调剂电位器RP3,“23”可得到0~12V的正电压输出；当S4打

向“负给定”时，调剂RP4,“23”可得到0-12V的负电压输出。当钮子开关S5打向“0”

时，“23”端输出0V,同时“24”端输出为0V,封锁控制电路的工作。

十.MCL—11挂箱:

MCL-11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。该实验电路框图如图1—3。

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端，和3525

的第5脚（为锯齿波）比较后，输出经调制（调制频率约为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SPWM波形，经过LC滤波后，

得到一50Hz的正弦波，幅度可通过电位器RP进行改变。

图1-20

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、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理框图如图1—21。

输入交流电压为220V,经过同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为

180°,分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525进行调制（调制频率约为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波时，经调解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L、R、VT2、VD1构成回路；

当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1、VT2控制电压为0,交流电经过VTK

VD2、R、L构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通

过调剂脉冲的占空比进行改变。

调制、隔离及驱动

图1-21

第2章现代电力电子芯片介绍

集成模块驱动电路EXB840

目前较多使用EXB系列集成模块驱动IGBT。它比分立元件的驱动电路有体积小，效

率高，可靠性高的优点。EXB840是十六脚型封装块，各脚的功能如表2—1示。

内部结构简图如图2—1(a)所示。图2—1(b)为其典型应用电路。

表2—1EXB系列各脚功能表

脚号功能说明

1士Vc的地；与IGBT的发射极相接

2电源端，一样值为20伏

3驱动输出，经栅极电阻Rg与IGBT相连

4外接电容器，防止过电流保护环节误动作

5内设的过电流保护电路输出端

6经快速二极管连到GIBT集电极。监视集电极电平，作为过流信号之一。

7,8可不接

9电源地端

10,11可不接

12,13,16

14驱动信号输入(一)

15驱动信号输入(+)

(b)

2T(a)EXB840驱动器内部结构图和(b)EXB840典型应用图

EXB840能驱动75A,1200V的IGBT管。加直流20V作为集成块工作电源。开关频

率在40千赫以下，整个驱动电路动作快，信号延时不超过1.5微秒。内部利用稳压二极管

产生一5V的电压，除供内部应用外，也为外用提供负偏压。集成块采用高速光耦输入隔离,

并有过流检测及过载慢速关栅等控制功能。

图2-2有过流检测，保护及软关断功能的线路示意图

图2—2为有过流检测输入和过流保护输出的一种典型应用。当IGBT显现过流时，脚

5显现低电平，光耦SOI有输出，对PWM信号提供一个封锁信号，该信号使PWM驱动脉

冲输出转化成一系列窄脉冲，对EXB840实行软关断。如图2—3所示，此电路中具有记忆、

封锁保护功能外，还具有较强的抗干扰能力，在真正过流时（即信号连续10ns以上）才

发生控制动作，关断IGBT。

图2-3具有记忆、封锁保护功能的线路示意图

电流控制型脉宽调制器

一样脉宽调制器是按反馈电压来调剂脉宽的。所谓电流控制型脉宽调制器是按反馈电

流来调剂脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输

出信号进行比较，从而调剂占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于

结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬

态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型的控制器。

UC3842脉宽调制器的工作原理及方框图

UC3842A是高性能固定频率电流型控制器。它们用于脱机和DC-DC的变换器，为设

计人员提供了一种经济而所需外部元件又少的解决方案。这种集成电路的特点是有一个调

定的振荡器，用来精确地控制占空比。有一个经过温度补偿的基准电压，一个高增益误差

放大器、电流传感比较器和一个适用于驱动功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体

管）的大电流推挽输出。

5V基准

50mA

输出

6

02-4UC3842脉宽调制器方枢图

它还具有一些保护功能，其中包括各有其滞后的输入和基准电压的欠电压锁定、逐个

周期的电流限制、可控制的输出死区时间和用来记录单脉冲的锁存器。

图2—4示出UC3842的内部方框图。由图可知，其引脚有8个，但一样可以使用内部

E/A误差放大器构成电压闭歪，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。端8为内

部供外用（