电力电子实验指导书(电气).doc

实验一 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验一、 实验目的(1)掌握各种电力电子器件的工作特性。(2)掌握各器件对触发信号的要求。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK06 给定及实验器件该挂件包含“二极管”以及“开关”。3DJK07 新器件特性实验4DJK09 单相调压与可调负载5万用表自备三、 实验线路及原理将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种)和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09 上的可调电阻负载，将两个90的电阻接成串联形式，最大可通过电流为1.3A；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的直流电压源。实验线路的具体接线如下图所示：图11 新器件特性实验原理图四、实验内容(1)晶闸管（SCR）特性实验。(2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。(3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。(4)大功率晶体管（GTR）特性实验。(5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。五、预习要求阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。六、思考题各种器件对触发脉冲要求的异同点？七、实验方法(1)按图1-1接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK06上的给定电位器RP1沿逆时针旋到底，S1拨到“正给定”侧，S2拨到“给定”侧，单相调压器逆时针调到底，DJK09上的可调电阻调到阻值为最大的位置；打开DJK06的电源开关，按下控制屏上的“启动”按钮，然后缓慢调节调压器，同时监视电压表的读数，当直流电压升到40V时，停止调节单相调压器(在以后的其他实验中，均不用调节)；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv。UgIdUv(2)按下控制屏的“停止”按钮，将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(3)按下控制屏的“停止”按钮，换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(4)按下控制屏的“停止”按钮，换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv (5)按下控制屏的“停止”按钮，换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv八、实验报告根据得到的数据，绘出各器件的输出特性。九、注意事项(1)注意示波器的用法。(2)为保证功率器件在实验过程中避免功率击穿，应保证管子的功率损耗(即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积)小于8W。(3)为使GTR特性实验更典型，其电流控制在0.4A以下。(4)在本实验中，完成的是关于器件的伏安特性的实验项目。实验二 单相桥式全控整流实验一、实验目的(1)加深理解单相桥式全控整流工作原理。(2)研究单相桥式变流电路整流的全过程。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路该挂件包含“晶闸管”以及“电感”等几个模块。3DJK03-1 晶闸管触发电路该挂件包含“锯齿波同步触发电路”模块。4DJK10 变压器实验该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流” 等模块。5D42三相可调电阻6双踪示波器自备7万用表自备三、实验线路及原理图2-1为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用D42三相可调电阻器，将两个900接成并联形式，电抗Ld用DJK02面板上的700mH，直流电压、电流表均在DJK02面板上。触发电路采用DJK03-1组件挂箱上的“锯齿波同步移相触发电路”和“”。四、实验内容单相桥式全控整流电路带电阻电感负载。五、预习要求阅读电力电子技术教材中有关单相桥式全控整流电路的有关内容。图2-1 单相桥式整流实验原理图七、实验方法(1)触发电路的调试将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用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逆时针旋到底)，观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压Ub(即调RP3电位器)，使=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。将DJKO2上的正桥和反桥触发脉冲开关都打到“断”的位置,并使Ulf和Ulr悬空，确保晶闸管不被误触发。(2)单相桥式全控整流按图2-1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=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。 30 60 90 120U2Ud（记录值）Ud（计算值）计算公式:UdO.9U2(1+cos)/2八、实验报告(1)画出=30、60、90、120、150时Ud和UVT的波形。(2)画出电路的移相特性Ud=f()曲线。九、注意事项(1) 注意示波器的用法。(2)在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(3)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，保证可靠导通。实验三 单相桥式有源逆变电路实验一、实验目的(1)加深理解单相桥式逆变电路的工作原理。(2)研究单相桥式变流电路逆变的全过程，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1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路该挂件包含“晶闸管”以及“电感”等几个模块。3DJK03-1 晶闸管触发电路该挂件包含“锯齿波同步触发电路”模块。4DJK10 变压器实验该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流” 等模块。5D42三相可调电阻6双踪示波器自备7万用表自备三、实验线路及原理图3-1为单相桥式有源逆变原理图，三相电源经三相不控整流，得到一个上负下正的直流电源，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。“三相不控整流”是DJK10上的一个模块，其“心式变压器”在此做为升压变压器用，从晶闸管逆变出的电压接“心式变压器”的中压端Am、Bm，返回电网的电压从其高压端A、B输出，为了避免输出的逆变电压过高而损坏心式变压器，故将变压器接成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3-1 单相桥式有源逆变电路实验原理图四、实验内容(1)单相桥式有源逆变电路带电阻电感负载。(2)有源逆变电路逆变颠覆现象的观察。五、预习要求(1)阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的内容，掌握实现有源逆变的基本条件。六、思考题实现有源逆变的条件是什么?在本实验中是如何保证能满足这些条件? 七、实验方法(1)触发电路的调试将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用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逆时针旋到底)，观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压Ub(即调RP3电位器)，使=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。将DJKO2上的正桥和反桥触发脉冲开关都打到“断”的位置,并使Ulf和Ulr悬空，确保晶闸管不被误触发。(2)单相桥式有源逆变电路实验按图3-1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=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。 30 60 90120150U2Ud（记录值）Ud（计算值）(3)逆变颠覆现象的观察调节Uct,使=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。八、实验报告(1)画出=30、60、90时Ud和UVT的波形。(2)分析逆变颠覆的原因及逆变颠覆后会产生的后果。九、注意事项(1) 注意示波器的用法。(2)在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(3)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，保证可靠导通。实验四三相半波可控整流电路实验一、实验目的了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究可控整流电路在电阻负载和电阻电感性负载时的工作情况。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK06 给定及实验器件该挂件包含“给定”以及“开关”等模块。5D42三相可调电阻6双踪示波器自备7万用表自备三、实验线路及原理三相半波可控整流电路用了三只晶闸管，与单相电路比较，其输出电压脉动小，输出功率大。不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率较低。图3-1中晶闸管用DJK02正桥组的三个，电阻R用D42三相可调电阻，将两个900接成并联形式，Ld电感用DJK02面板上的700mH，其三相触发信号由DJK02-1内部提供，只需在其外加一个给定电压接到Uct端即可。直流电压、电流表由DJK02获得。图4-1 三相半波可控整流电路实验原理图四、实验内容(1)研究三相半波可控整流电路带电阻性负载。(2)研究三相半波可控整流电路带电阻电感性负载。五、预习要求阅读电力电子技术教材中有关三相半波整流电路的内容。六、思考题(1)如何确定三相触发脉冲的相序，主电路输出的三相相序能任意改变吗？(2)根据所用晶闸管的定额，如何确定整流电路的最大输出电流？七、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 打开DJK01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。用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。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。将DJK06上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1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=170。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。(2)三相半波可控整流电路带电阻性负载按图4-1接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，DJK06上的“给定”从零开始，慢慢增加移相电压，使能从30到170范围内调节，用示波器观察并纪录=30、60、90、120、150时整流输出电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形，并纪录相应的电源电压U2及Ud的数值于下表中306090120150U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）计算公式:Ud1.17U2cos (030O) Ud=0.675U21+cos(a+) (30o150o)(3)三相半波整流带电阻电感性负载将DJK02上700mH的电抗器与负载电阻R串联后接入主电路，观察不同移相角时Ud、Id的输出波形，并记录相应的电源电压U2及Ud、Id值，画出90o时的Ud及Id波形图。306090120U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）八、实验报告绘出当90o时，整流电路供电给电阻性负载、电阻电感性负载时的Ud及Id的波形，并进行分析讨论。九、注意事项(1) 注意示波器的用法。(2)在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(3)整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序，必须一一对应。实验五 直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）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1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK09 单相调压与可调负载3DJK20 直流斩波电路4D42三相可调电阻5慢扫描示波器6万用表三、实验线路及原理 1、主电路 、降压斩波电路(Buck Chopper)降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-6所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图5-1b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，为导通占空比，简称占空比或导通比(=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，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5-1 降压斩波电路的原理图及波形、升压斩波电路(Boost Chopper)升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图5-2所示。电路也使用一个全控型器件V。由图5-2b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/toff1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。(a)电路图 (b)波形图图5-2 升压斩波电路的原理图及波形、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图及工作波形如图5-3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，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时为升压。(a)电路图 (b)波形图图5-3 升降压斩波电路的原理图及波形、Cuk斩波电路Cuk斩波电路的原理图如图5-4所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，UiL1V回路和负载RL2C2V回路分别流过电流。当V处于断态时，UiL1C2D回路和负载RL2D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，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时为升压。图5-4 Cuk斩波电路原理图、Sepic斩波电路Sepic斩波电路的原理图如图5-5所示。电路的基本工作原理是：可控开关V处于通态时，UiL1V回路和C2VL2回路同时导电，L1和L2贮能。当V处于断态时，UiL1C2DR回路及L2DR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，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时为升压。图5-5 Sepic斩波电路原理图、Zeta斩波电路Zeta斩波电路的原理图如图5-6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5-6 Zeta斩波电路原理图若改变导通比，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21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Silicon General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4-12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。 图5-7 SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件四、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DJK20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.