电力电子技术实验指南.doc

ELDS II 型电气控制系统综合实验台电力电子技术实验指南北京精仪达盛科技有限公司2004年2月 前 言电力电子技术实验指南 是本公司主要教学实验设备“DS II 电气控制系统综合实验台”关于电力电子技术实验的配套资料之一。是根据国内不同层次、不同类型的大学本科、高等专科、中等专业类相应专业的有关教学大纲、教材资料和实验要求，结合本“综合实验台”的基本功能和技术特点，专门聘请“工业电气自动化”方面长期从事专业教学和实验研究的，有丰富教学经验和实验实践的教授、专家编写而成。考虑到本“实验台” 技术性能的综合性、灵活性、可塑性及其宽广的适应能力，电力电子技术实验指南提供了多个典型教学实验内容，基本函盖了“电力电子技术”中典型的基于半控型功率器件（晶闸管）的相控变流技术、基于全控型功率器件（IGBT）高速开关控制方面的有关实验内容。用户单位可根据各自学校和专业的教学层次和专业特点，选择其中若干实验项目，还可以根据配套资料电力电子一号挂箱（DS401）使用说明、电力电子二号挂箱（DS402）使用说明、给定及调节器挂箱（DS301）使用说明、脉宽与变频控制挂箱（DS201）使用说明、交流调压与串级调速挂箱（DS203）使用说明以及本电力电子技术实验指南，自行组合相应实验项目和内容。本实验指南不是有关专业的“实验教学大纲” ，也非专业教学“教材” ，只是相关专业的一种“实验教学”的参考资料，主要供使用本“综合实验台”时的参考，敬请注意。由于直流调速系统实验指南作为本“综合实验台”的一种配套资料，“指南”的编写具有一定的局限性和较强的针对性，作为参考资料必定存在众多不足，也由于编写者的水平所限、资料不足和时间紧迫等，诸多不尽人意、缺点、错误之处在所难免，敬请批评、指正。并对参加本“实验指南”的编写、校阅、典型系统及其单元环节的调试人员顺致谢意。 北京精仪达盛科技有限公司教学设备资料编写组2004年2月目 录电力电子技术实验注意事项 1实验一、单结晶体管触发电路2实验二、锯齿波移相触发电路4实验三、单相半波整流电路6实验四、单相全波整流电路8实验六、单相桥式半控整流电路10实验五、单相桥式全控整流电路12实验七、三相桥式半波整流电路14实验八、三相桥式半控整流电路16实验九、三相桥式全控整流电路18实验十、单相交流调压电路20实验十一、三相交流调压电路22实验十二、三相桥式有源逆变电路（需要绕线电机）24实验十三、PWM直流斩波电路的研究 26实验十四、SPWM脉宽调制电路的研究28注：带有“”表示需要另外增加部件才能完成实验。 电力电子技术实验注意事项（一）“综合实验台” 及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前应首先对“实验台”及其相关挂箱进行全面检查和单元环节调试，确保主电源和相关触发电路单元工作正常。（二）每次实验前，务必设置“状态”开关（交流、直流、调试），并检查其它开关和旋钮的位置以及实验接线，经教师审核无误后方可开始实验。（三）任何需要改接线时，必须切除实验台总电源，（即分断空气开关）。（四）负载和电源的选用严格要参考有关挂件的使用说明，DS401挂箱要采用挂箱内部的低压电源和小功率负载，其余挂件的电源和负载则取自下主控上的相关单元。（五）任何需要改接线时，必须先切除主电路总电源，即按主电路“停止”的红色按钮，同时使系统的给定为零。（六）双踪示波器的两个探头，其地线已通过示波器机壳短接。使用时务必使两个探头的地线等电位（或只用一根地线即可），以免测试时系统经示波器机壳短路。（七）每个挂箱都有独立电源，使用时要打开上面的电源开关才能工作，同时在不同挂件上的单元电路配合使用时需要共信号地。（八）使用中，经常检查综合保护系统，尤其是过流保护的完好与可靠。（九）本实验注意事项，适用于电力电子所有典型实验，敬请注意。实验一 单结晶体管触发电路一、实验目的1了解单结晶体管触发电路 的工作原理。2验证单结晶体管触发电路的各点工作波形。二、实验内容1用示波器观察触发电路各测试点，记录各点波形，分析电路的工作原理。2利用单结晶体管触发电路配合晶闸管组成单相半波整流电路。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D401、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验电路的组成图1 单结晶体管触发电路1、波形测 试。将下主控 面板上的隔离变压器连接好（输入和输出端都用短线连接入主电路），将电压选择开关置于“3”位置，即将相电压设定为220V。任取主电路的一路输出（U5、V5或W5）和中输出中线L01连接到DS401挂箱“电源负载单元”的AC220V输入端子。连好线，合上机柜电源（合空气开关），按下主控柜右上单元的绿色按钮，依次闭和控制电路，主电路以及挂箱上的电源开关。旋转D401单元的移相控制电位器，用示波器分别观测图1所示面板单元上的测试点“A”-“H”，并记录各点波形，分析电路工作原理。 图2 单结晶体管触发的单相半波整流电路2、触发实验。经以上波形测试，确认电路工作正常，依次断开主电路，控制电路，总电源。选择D403单元的第一组（两组可任选）脉冲变压器，用细实验线连接OUT11和OUT12分别至IN11和IN12，该脉冲变压器的输出取出一组连接到D404单元的任意一个晶闸管的栅极和源极，注意G、K的对应关系，以免将触发信号接反。该被选择的晶闸管作为主电路的功率器件，主电源取自D407单元的变压器输出AC15V，负载取自D407单元的电阻R1或R1和L1串联（此时主电源应选择双15V）。具体接线参考图2。线连接好以后，将选用的脉冲变压器电源开关合上，并把D401单元的多旋电位器逆时针旋至零位（旋不动为止），合上总电源开关，依次闭和控制电路，主电路以及挂箱上的电源开关。顺时针旋转D401单元的移相控制电位器（电位器参数可调范围较宽，正常工作范围两侧都存在一定的死区），用示波器观察负载（电阻或电阻串联大电感）上的电压波形并做记录，分析实验结果。实验完毕，依次关闭机柜主电源，机柜控制电源，挂箱电源开关，最后断开空气开关。五、实验报告整理实验数据，按要求完成实验报告。实验二 锯齿波移相触发电路一、实验目的1了解锯齿波移相触发电路 的工作原理。2了解锯齿波移相触发电路 的一般特点。3熟悉锯齿波移相触发电路的应用。二、实验内容1用示波器观察触发电路各测试点，记录各点波形，分析电路的工作原理。2利用锯齿波移相触发电路配合晶闸管组成单相半波整流电路。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D402、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验电路的组成图3 集成锯齿波移相触发电路1、波形检测：将下主控面板上的隔离变压器连接好（输入和输出端都用短线连接如入主电路），将电压选择开关置于“3”位置，即将相电压设定为220V。任取主电路的一路输出（U5、V5或W5）和中输出中线L01连接到DS401挂箱“电源负载单元”的AC220V输入端子。连好线，合上机柜电源，依次闭和控制电路，主电路以及挂箱上的电源开关。旋转D402单元的移相控制电位器，用示波器分别观测各测试点，并记录各点波形，参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。图4 锯齿波移相触发单相半波可控整流电路2、触发实验：按图4电路连接成单相半波整流电路，接通电源，用示波器观测负载（电阻或者电阻串联大电感）上的电压波形，记录实验结果。分析锯齿波移相触发电路的工作特性。五、实验报告1、 观察不同负载情况下的整流输出电压波形的变化情况。2、 分析锯齿波触发电路与单结晶体管触发电路的区别。实验三 单相半波可控整流电路一、实验目的1了解单相半波整流电路的组成和工作原理。2熟悉单相半波整流电路在不同负载情况下的输出波形。二、实验内容用示波器观察单相半波整流电路在不同负载情况下的输出波形，分析电路的工作原理。三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D402、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验接线及操作图5单相半波整流电路 将主变压器接入主电路，转换开关置“3”位置，打开机柜总电源，依次合控制电路开关、挂箱电源开关、主电路开关，首先将“移相”电位器逆时针旋转至初始位置（旋到头），然后旋转“偏移”电位器，用示波器的两个通道同时对地测试“A”点和“A+”两点的信号，将“A+”点脉冲对应“A”点同步信号整定在180度位置。整定完成后，按实验系统操作规范（参照注意事项部分），依次断开各电源开关。按照图5连接实验线路，经指导教师检查确保无误后才可以上电进行实验。五、实验报告1、 记录不同负载在不同导通角时的整流输出电压波形。2、 分析阻性负载与感性负载对可控整流电路的影响。实验四 单相全波整流电路一、实验目的1了解单相全波整流电路 的组成和工作原理。2了解相全波整流电路 的一般应用。3熟悉单相全波整流电路在不同负载情况下的输出波形。二、实验内容1用示波器观察单相全波整流电路在不同负载情况下的输出波形，分析电路的工作原理。三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D402、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图6 单相桥式全控整流电路四、实验接线及操作 1、首先将主变压器接入主电路，转换开关置“3”位置，打开机柜总电源，按照实验三的方法整定触发电路。然后对照图6连接电路，经检查无误，依次合上机柜总电源（空气开关），控制电源，挂箱电源，主电路电源。调节“移相”电位器，用示波器观测负载（电阻或者电阻串联大电感）两端电压波形。 2、记录并分析不同负载不同导通角情况下的波形形成原因。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式依需要自拟。实验五 单相桥式全控整流电路一、实验目的1了解单相桥式全控整流电路的组成和工作原理。2熟悉单相桥式全控整流电路在不同负载情况下的输出波形。二、实验内容1用示波器观察单相桥式全控整流电路在不同负载情况下的输出波形，分析电路的工作原理。三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D402、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图7 单相桥式全控整流电路四、实验接线及操作 将主变压器接入主电路，转换开关置“3”位置，打开机柜总电源，按照实验三的方法整定触发电路。整定好之后，断开实验系统电源，照图7连接实验电路，经指导教师检查无误，依次合上机柜总电源（空气开关），控制电源，挂箱电源，主电路电源。调节“移相”电位器，用示波器观测负载（电阻或者电阻串联大电感）两端电压波形。记录不同状态下的输出电压波形。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验六 单相桥式半控整流电路一、实验目的1了解单相桥式半控整流电路的组成和工作原理。2验证单相桥式半控整流电路在不同负载情况下的输出电压波形。3掌握单相桥式半控整流电路与全控整流电路的区别。二、实验内容1用示波器观察单相桥式半控整流电路在不同负载情况下的输出电压波形，分析电路的工作原理。2比较单相桥式半控整流电路和全控整流电路的区别。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D402、D403、D404、D407单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图8 单相桥式半控整流电路四、实验接线及操作将主变压器接入主电路，转换开关置“3”位置，打开机柜总电源，按照实验三的方法整定触发电路。整定好之后，断开实验系统电源，照图8连接实验电路，经指导教师检查无误，依次合上机柜总电源（空气开关），控制电源，挂箱电源，主电路电源。调节“移相”电位器，用示波器观测负载（电阻或者电阻串联大电感）两端电压波形。记录不同状态下的输出电压波形。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验七 三相桥式半波整流电路一、实验目的1、了解三相桥式半波整流电路的组成和工作原理。2、熟悉三相桥式半波整流电路的组成和工作原理。3、验证三相桥式半波整流电路在不同控制角度和不同负载情况下的输出电压波形。二、实验内容1、用示波器观察三相晶闸管触发电路在不同控制电压情况下输出脉冲相位。即测试图9中“G11”“G16”脉冲信号输出与其对应的同步信号之间的关系，绘制相应图形。2、用示波器观察三相桥式半波整流电路在不同控制角度和不同负载情况下的输出电压波形，记录几组波形，与理论波形进行对比。 图9 三相晶闸管触发电路三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2直流可逆调速挂箱（DS101） D101、D102单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。4慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图10 三相桥式半波可控整流实验四、实验接线及操作1、给定单元D301的输出端连接至D101单元的GT1的Uk端，由于每一个挂箱都有独立的电源，在连接信号时需要把配合使用的不同挂箱的信号地共到一起。如图9连接线路，打开机柜电源，合机柜控制电源，打开挂箱电源。改变给定电压旋钮，观测各路脉冲输出的相位变化，分析电路的工作原理。2、上步实验完成后，把给定信号减小到零。通过调节GT1的偏移电位器，将触发信号整定在180位置，关断电源，按照图10线路接线。将主变压器接入主电路，转换开关置“0”位置。负载电阻为实验系统配套的可调电阻。可调电阻调节置阻值最大位置。经指导教师检查确认无误，打开电源，进行实验，用示波器观测负载两端电压波形，改变控制电压，观察波形变化情况。将给定信号减小到零，断开电源。将电感接入负载电路，开通电源，调节给定，用示波器观测整流输出电压波形。记录各种情况下的相应波形以备分析。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验八 三相桥式半控整流电路一、实验目的1掌握三相桥式半控整流电路的组成和工作原理。2验证三相桥式半控整流电路在不同负载和不同触发角情况下的输出电压波形。3了解三相桥式半控整流电路与桥式半波整流电路的区别。二、实验内容1用示波器观察三相桥式半控整流电路在不同负载和不同触发角情况下的输出电压波形，并与理论输出波形进行对比。2比较三相桥式半控整流电路与桥式半波整流电路的区别。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2电力电子一号挂箱（DS401） D405单元 。3直流可逆调速挂箱（DS101） D101、D102单元 。4给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。5慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验接线及操作与实验七相似，首先整定触发电路，使脉冲信号处于180度位置，整定完毕，断开电源。将主变压器连入主电路，转换开关置于“0”位置，按图11连接实验线路，经指导教师检查确保无误后，打开电源进行实验。值得注意的是：续流二极管的容量较小，允许通过的电流不许超过1A，所以一定要将可调电阻调到阻值最大位置，而且在实验过程中不要进行调节。记录了电阻负载情况下的波形后，将给定电压调至0伏，断开电源，将电阻负载改为电阻电感串联，再次打开电源，改变给定电压，观测整流输出电压波形。做好实验结果的记录，待实验后分析。图11 三相桥式半控整流实验五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验九 三相桥式全控整流电路一、实验目的1掌握三相桥式全控整流电路的组成和工作原理。2了解三相桥式全控整流电路的一般应用。3验证三相桥式全控整流电路在不同触发角和不同负载情况下的输出电压波形。二、实验内容1用示波器观察三相桥式全控整流电路在不同触发角和不同负载情况下的输出电压波形，与理论输出波形进行对比。三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2直流可逆调速挂箱（DS101） D101、D102单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。4慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验接线及操作图12 三相桥式全控整流电路 首先整定触发电路初相位为180度。断开电源依图12进行电路连接。转换开关置于“0”位置。负载可以采用负载电阻，电阻串联大电感，也可以如图示采用直流电动机。线路连接完成后，经指导老师检查后，确保无误，上电进行试验。改变给定电压，用示波器观察不同负载情况下，不同触发角度时的整流输出电压波形，并作详细记录，进行比较分析。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验十 单相交流调压电路一、实验目的1了解单相交流调压电路的组成和工作原理。2了解单相交流调压电路 的一般应用。3熟悉单相交流调压电路的工作波形。二、实验内容1用示波器观察单相交流调压电路在不同控制角度下的输出电压波形并与理论波形进行对比。三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2交流调压与串级调速挂箱（DS202） D207、D209单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。3慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图13 单相交流调压电路四、实验接线及操作首先整定触发电路初相位为180度。断开电源依图13进行电路连接。转换开关置于“0”位置。负载采用可调负载电阻，经指导老师检查后，确保无误，上电进行试验。改变给定电压，用示波器观察负载电压波形，并作详细记录。 五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验十一 三相交流调压电路一、实验目的1了解三相交流调压电路的组成和工作原理。2了解三相交流调压电路的一般应用。3熟悉三相交流调压电路的特点。二、实验内容1用示波器观察三相交流调压电路在不同控制角度下的输出电压波形并与理论波形进行对比。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2交流调压与串级调速挂箱（DS202） D207、D209单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。4慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验接线及操作图14 三相交流调压电路首先整定触发电路初相位为180度。断开电源依图14进行电路连接。转换开关置于“2”位置。负载采用三相异步电动机，经指导老师检查后，确保无误，上电进行试验。改变给定电压，用示波器观察每组反并联晶闸管两端的电压波形，并作详细记录。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验十二 三相桥式有源逆变电路一、实验目的1了解三相有源逆变电路的组成和工作原理。2了解三相有源逆变电路的一般应用。3熟悉三相有源逆变电路的特点。二、实验内容1验证有源逆变电路的工作原理三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2交流调压与串级调速挂箱（DS202） D207、D210单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。4慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器图15 有源逆变电路四、实验接线及操作 本实验系统是通过绕线电机串级调速系统来验证有源逆变技术的。具体的整定方法可以参阅交流调速实验指南一实验三的相关内容。实验线路连接如图15，连线完成，经指导教师检查确认后上电进行实验。通过改变逆变器的逆变角度来改变电动机的运行状态，从而验证三相桥式有源逆变电路的相关理论。必须说明，开设此实验需要用户自行准备小容量的三相绕线异步电动机。五、实验报告分析实验数据，按要求完成实验报告，报告形式根据需要自拟。实验十三 PWM直流斩波电路研究一、实验目的1熟悉直流斩波电路的工作原理。2了解直流斩波电路的一般应用。3熟悉直流斩波电路的特点。二、实验内容1改变给定信号的大小和极性，用示波器观察直流斩波触发电路的输出波形，分析电路的工作原理。2利用PWM信号发生器配合IPM模块组成DC/DC变换器。 三、实验设备与仪器1综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路2脉宽与变频挂箱（DS201） D203、D204、D205单元 。3给定及调节器挂箱（DS301） D301单元 。4慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器四、实验接线图16 PWM电路研究1、PWM脉冲发生器的研究。如图16连接线路，打开实验系统控制电源，打开挂件电源，改变给定电压的大小和极性，分别观察单极性和双极性工作状态下各路脉冲信号的状态。配合挂件使用说明书相关内容理解脉冲发生器的工作原理和特性。2、斩波实验。断开电源，将主变压器接入主电路，转换开关置“0”位置，按图17连接实验线路，脉冲发生器的极性开关置于双极性侧，负载采用直流电动机。接线完毕，要经过指导教师严格检查确认后方可以上电实验。调节给定电位器，观察电机电枢两端的电压波形，以及电动机的转速变化情况。注意给定电压不得超过正负4伏，且要缓慢调节，不许采用阶越给定