电力电子实验指导书(东华大学)

1、东华大学信息学院电力电子技术实验指导书2014年4月目录实验一晶闸管触发电路研究实验二单相桥式半控整流电路实验三三相桥式整流电路实验四三相有源逆变电路附录一固纬GRS-6032A示波器使用简介 附录二固纬GRS-6032A示波器面板图片 电力电子实验一般注意事项： 1. 每次合、分主回路电源前要将各高、低压调压器（如：三相交流调压器、G给定Ug电位器）旋至最小位置，电阻器置最大值。2. 晶闸管控制极内部已连线至触发电路，面板上插孔禁止连接导线。3. 使用双踪示波器时两个探头的接地线要共点，以免因电压差造成过流。测量Ud时示波器探头的正极（红线）置晶闸管共阴极，负极（黑线）置晶闸管共阳极； UV

2、T是晶闸管阳极对阴极的电压，测量时探头红线置阳极，黑线置阴极。4. 交直流表要分清，选择量程要符合要求。5. “主电源送电”的含义是：按下交流电源“闭合“的绿色按钮。6. 数字表计的读数显示滞后于调节进程，因此相应的操作宜缓。固纬GRS-6032A示波器的使用 1. 示波器调节的主要目标显示为：屏幕上方显示信息：“ smpl ”屏幕下方显示信息：“DC 2V（或5V） 2 mS （或5mS） LINEf AC” 2.测量前扫描线居中校准：对 “CH1”/ “CH2”通道选择“GND”方式后，调节“POSITION”使扫描线居中。3. TIME/DIV一般选择5mS，正弦波一个周期在水平方向占4

3、格（90°/格）4.测试过程LEVEL、POSITION、TIME/DIV、X1/MAG等功能键钮均不能随意操作，以免引起波形在水平、垂直方向的移动，影响测量结果。实验一 锯齿波同步移相触发电路实验一实验目的1锯齿波同步移相触发电路的工作原理。2掌握锯齿波同步触发电路的调试方法。3测试锯齿波同步触发电路各点波形及移相特性。二实验内容 1锯齿波同步触发电路的调试。2锯齿波同步触发电路各点波形观察，分析。 三实验线路及原理锯齿波同步移相触发电路主要由同步电源、同步信号、锯齿波形成、脉冲移相、脉冲形成、脉冲放大、脉冲输出七个环节。分别对应1#6#及G1/K1七处检测孔。其工作原理可参见“电

4、力电子技术”有关教材。 图11 锯齿波触发电路原理和接线图注：G给定的Ug孔连接到触发电路的Ug孔(Ug为触发电路的控制电压)。四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏 2G给定 NMCL-31A3锯齿波触发电路 NMCL-36C 4三相触发电路和晶闸管主回路NMCL-33F 5. 二踪示波器 五实验方法 （一）锯齿波移相触发电路调试及各点波形的观察1 将NMCL-36C锯齿波触发电路面板上左上角的同步电压u、v对应接到交流电源输出的U、V端, G给定的Ug孔连接到触发电路的Ug孔，各调压器（交流电源、G给定）归零。2合上MEL-002T操作电源绿色开关。用示波器观察触发电路各观察孔对7#孔的电压

5、波形。1#孔为正弦波同步电压次级，2#为时间延伸的同步电压负半周，3#为锯齿波同步信号，4#为脉冲移相波形，5#为脉冲形成波形，6#为脉冲放大波形，G1K1G4K4为脉冲输出波形。分析、比较各波形相互的对应关系。3 调节脉冲移相范围将低压单元的“G”输出电压调至0V，即将控制电压Ug调至零，调节偏移电压Ub（即调RP），使触发脉冲向右移动，直到不再移动时为止。此点为触发角值最大处。读取角位置并保持“Ub”不变；再自零起增大Ug，脉冲波形将向左移动，不断增大Ug直至脉冲即将消失时停止，此点为值最小处。两个值（最大和最小）间隔的角度即为脉冲的移相范围。角读取方法如图所示。4 调节Ug，使a=60&

6、#176;，观察并记录U1U6（对应1#6#孔的电压）及输出脉冲电压UG1K1，UG2K2的波形，记录在图12中。各波形在横坐标时间轴上要对应起来。用同样方法观测UG3K3，UG4K4的波形，比较与UG1K1，UG2K2之间的相位关系。 （二）双脉冲触发电路使用面板：G给定 NMCL-31A、触发电路和晶闸管主回路NMCL-33F双脉冲触发电路作为两组晶闸管变流桥的内置式触发电路，晶闸管控制部分连线已内部完成，无须外部再连。将G给定的“Ug ”接到NMCL-33F的“Uc t ”，NMCL-33F的脉冲封锁控制端“Ub l f ”接参考点“0V”（本线若不接不影响双脉冲测试），见下图，即可开始

7、触发电路的调试。1. 均以“0V”为参考点，利用示波器分别观察同步电压的波形和触发脉冲波形a. 三相同步电压与三相交流电源的频率相同，且字母（u/v/w) 对应的相其相位相同，只是前者幅值较小。观察同步电压三相波形是否依次滞后120°。b. 检查触发双脉冲的波形与相序：双脉冲波形周期与同步电压相同，一对双脉冲由两个幅值、脉宽完全相同，相位相差60°的单脉冲组成。6个脉冲观察孔从左到右依次记为1# 6#触发脉冲（分别控制1 6#晶闸管），且从1#至6#其波形相位依次滞后60°。2. 估算触发角移动范围任选一脉冲观测孔（如1#）。当Ug 0 时，改变NMCL-33F的

8、偏移电压“Ub”使1#脉冲波形向右移动，及至不能再移之时停止改变Ub ，此处为值增大的极限位置，读取角位置并保持“Ub”不变；再自零起增大Ug，双脉冲波形将向左移动，不断增大Ug直至脉冲不再移动时停止，此处为值最小的位置。两个值（最大和最小）之间的角度即为脉冲的移相范围。3. 以同步电压正弦波为参考，记录 = 60°时UG1UG6的脉冲波形于图14中。 触发角读取方法举例见下图13：图13 三相整流触发角读取方法Uu： 交流输出电源U相电压 Usu： U相同步电压UG1：1#输出脉冲Uu与Usu波形频率、相位完全一致。以上电压均以“0V”为参考点注意：同步电压正半周30°处

9、(自然换相点处)定义为三相整流触发电路的 = 0°图14 双脉冲触发电路波形思考题1锯齿波触发电路为什么要设置偏移电压？2 总结锯齿波同步触发电路移相范围的调试方法，及影响移相范围的电路参数。3以上两种触发电路的移相范围各是多少？ 同步电压与同步信号的概念：同步电压是同步变压器二次侧绕组输出的电压，总是正弦波。同步信号是由同步电压经变换后加到移相环节的与同步电压同频率的电压，例如锯齿波触发电路“3”点的锯齿波是同步信号。单脉冲和双脉冲的概念：单脉冲触发电路主要应用在单相整流电路和三相半波整流电路中；双脉冲触发电路主要应用在三相全控桥式整流（逆变）等六波头的电路中（这类电路如采用单脉冲

10、则需要脉宽大于60°的宽脉冲）。它的优点是减小了触发电路装置的输出功率，和脉冲变压器的体积。触发角 = 0°的概念： = 0°在自然换向点处，单相整流电路在交流电源正半周起始位置，三相整流及逆变电路在交流电源各相电压正半周30°处。初始相位角：即相应于某特定电路允许的最大触发角。其本质为Ud=0时对应的值。从波形上看电阻性负载为Ud=0的一条直线，电感性负载以Ud波形正负等高为准。各电路类型不同，该角度也不同。该值可据不同电路的Ud公式（令其为零）计算得出。相位法：以同步电源为参照，观察或设定触发角值的方法。负载法：从Ud波形中观测或改变触发角值的方法。

11、实验二 单相桥式半控整流电路实验一实验目的1研究单相桥式半控整流电路在电阻负载，电阻电感性负载及反电势负载时的工作。2掌握锯齿波触发电路的原理和应用方法。3进一步掌握双踪示波器在电力电子线路实验中的使用特点与方法。二实验线路单相桥式半控整流电路每一个导电回路只包含一个晶闸管，另外一个整流器件为二极管。见图21。图21 单相桥半控整流电路接线图 三实验内容1单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载。2单相桥式半控整流电路供电给电阻电感性负载。四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏 2. 触发电路和晶闸管主回路NMCL-36C 3G给定 NMCL-31A 4平波电抗器NMCL-33105.续流二极管NM

12、CL-33F 6.可调电阻NMEL-03/4/57.直流电流表NMCL-001/1 8二踪示波器 五注意事项1实验前必须先了解晶闸管的电流额定值（本装置单相晶闸管为1.7A，使用时要求主回路电流小于1A），并根据额定值与整流电路形式计算出负载电阻的最小允许值。2为保护整流元件不受损坏，晶闸管整流电路的正确操作步骤（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。晶闸管门极不须连线。（2）在控制电压Uct=0时，接通主电源。然后逐渐增大Uct，使整流电路投入工作。（3）断开整流电路时，应先把Uct降到零，使整流电路无输出，然后切断总电源。否则可能烧毁熔丝。以后在三相整流及逆变电路负载实验中

13、均按此原则操作，不再重申。六实验方法1触发电路控制回路调试： 将主电源控制屏的电源输出U、V端接入锯齿波触发电路同步电压的u、v端G给定的Ug孔连接 到触发电路的Ug孔，各调压器（交流电源、G给定）归零。主回路线不接。a)主电源送电（按下交流电源绿色闭合按钮），用示波器检查各观察孔对7#孔的电压波形。b)调节脉冲移相范围：按图22所示读取方法来设定单相整流电路初始相位角。用示波器观察UG1K1相对于同步电压的位置，当“G”输出电压Ug=0时，调节偏移电压Ub，在UG1K1脉冲波形刚好不再右移的瞬间，立刻停止调节。此时a角应接近初始触发角180°，对应于Ud=0。此后Ub(即RP)保持

14、不变。注意：在调节偏移电压Ub时，要注意捕捉脉冲波形刚刚不再右移的瞬间，此时应立刻停止调节，以免调过头后形成控制死区，影响Ug给定电压对a角的线性控制。 增加Ug，UG1K1脉冲将向左移动，继续增大直至脉冲刚刚消失为止，此时触发角amin30°。移相范围为a=30°180°。观察后Ug重新归零。图22 单相整流电路触发角读取方法示意图Uu：交流输出电源U相电压 Usu：U相同步电压（对“”） UG1K1：输出脉冲Uu与Usu波形频率、相位一致。 注意：同步电压正半周的起点(自然换相点处)定义为单相触发电路 = 0°2单相桥式半控整流电路电阻性负载测试按图

15、21接线，并短接电感Ld，续流二极管VD不接。可任选一组可调电阻器作为负载电阻Rd，如A1-A2。电阻性负载的单相桥式半控整流电路初始相位角为a=180°。此值前已调好。（a）将G给定电位器RP1逆时针调到底，使Ug=0。电阻负载Rd调节至最大。（b）主电源送电，此时=180°（初始相位角）。 增大Ug，依次使=150°,120°，90°，60°,30°，分别测取输出电压Ud以及晶闸管端电压UVT波形，绘于图2-3中，同时记录交流输入电压U2、整流输出电压Ud的值于表2-1中。验证公式 注：回路电流不能超过所选电阻器的额定值

16、。表2-1单相桥式整流电路电阻负载时输入输出电压值a=150a=120a=90a=60a=30Ud（V）U2（V）图23 单相半控桥整流电路电阻负载u d、u VT的波形3单相桥式半控整流电路电阻电感性负载测试保持前面接线不变，只撤除电感上的短接线，使回路保持R、L串联形式的阻感性负载。电感性负载的单相桥式半控整流电路初始相位角为a=180°。前已满足，不必重设。本实验直流主回路接线分两种情况：a.无续流二极管 b.有续流二极管。（1）无续流二极管（a）将G给定电位器RP1逆时针调到底，使Ug=0。电阻负载Rd调节至最大。（b）主电源送电，此时=180°（初始相位角）。 增

17、大Ug，观察=30°、60°、90°、120°、150°时u d、uVT波形并记录uVT的波形于图24 a)，可通过减小Rd来保持Id波形连续。（c）在某一值时突然关断触发电路电源（自身的电源开关），观察是否出现ud失控波形。如不发生失控现象，重新使电路工作，然后通过减小控制角或电阻R使电流增大后再试。记录发生失控时的U2值，并记录失控时的ud、uVT1、uVT3波形于图25a)。（2）有续流二极管 其它不变，保持失控数据，并续流二极管到u d端（不必断电）后重新观察记录失控时的ud、uVT1、uVT3波形于图25b)。再接通同步电源，调节Ug

18、，观察=30°、60°、90°、120°、150°时u d、uVT波形，并记录uVT的波形于图24 b)。在调节电阻Rd时，注意观察波形如何变化，调时要防止回路过流！ a)无续流管 b) 有续流管图24 单相半控桥电感负载续流管对u VT波形的影响 a)无续流管 b) 有续流管 图25 单相半控桥电感负载失控时的u d及u VT波形思考题1 什么是半控桥电路的失控？如何防止？2 控制角相同时，换作单相全控桥控制形式，电路中的4个晶闸管的uVT波形是怎样的？ 3试述单相全控桥电路与单相半控桥电路工作特性的异同。实验三 三相桥式全控整流电路实验一实

19、验目的1熟悉触发电路及晶闸管主回路组件。2熟悉三相桥式全控整流电路的接线及工作原理。二实验内容研究三相全控桥式整流电路供电给电阻性、电阻电感性、反电动势负载时的工作特性。三实验线路及原理主电路由三相全控变流电路及负载组成。触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。三相桥式整流电路的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。实验线路如图3-1/2所示。注：三相桥式全控变流电路使用I组（VT1VT6）或组（VT1VT6）桥晶闸管，对应的控制回路接地线分别是Ublf或Ublr点（位于Uct下方）与“0”短接。图31三相全控桥整流电路电阻和电感性负载 图32三相全控桥整流电路电动机负载的

20、原理及接线图 的原理及接线图 四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏 2触发电路及晶闸主回路组件NMCL-33F3电阻负载组件NMEL-03/4 4平波电抗器NMCL-33105. 直流电流表NMCL-001/1 6G给定 NMCL-31A7转矩测量、加载系统NMEL-13 8直流电动机M039直流电动机励磁电源 NMEL-18/2 10二踪示波器五实验方法一、带电阻性负载1. 按图31接线，电感先用导线短接。未通主电源之前，先对初始相位角进行设定：电阻性负载的三相桥式全控整流电路初始相位角为a=120°。用示波器观察1#脉冲相对于同步电压的角度位置，在Uct=0时，调节偏移电压Ub，

21、使a=120°。此后Ub保持不变。触发角a读取方法参看实验一的图13。2. Rd先置最大，检查确保Ug=0后，主电源送电。调试步骤如下：a.改变Ug，观察 =15°，30°，60°，90°，120°时u d、uVT3 波形并记录到图315。 >60°时uVT3波形不画。b. 记录每一个角所对应的Ud、 U2值到表34，绘制电阻性负载时Ud / U2=f（）曲线于图313。c. 求取三相全控桥整流电路的负载特性Ud=f ( Id )。记录 = 30°时对应的Ud、 Id值（通过调节Rd值改变Id值）到表35，绘

22、制负载特性曲线 Ud=f ( Id )于图314。二、带电感性负载1. 按图31接线，电感短接线撤除。未通主电源之前，先对初始相位角进行设定：电感性负载的三相桥式全控整流电路初始相位角为a=90°。方法同“一”。用示波器观察“1”脉冲相对于同步电压的角度位置，在Uct=0时，调节偏移电压Ub，使a=90°。此后Ub保持不变。2. Rd先置最大，检查确保Ug=0后，主电源送电。调试步骤如下：调节Ug，观察=15°、30°、60°、90°等时的u d、uVT3 波形，并记录到图316。注：严密监视电流并及时改变电阻Rd。当=90°

23、;时，Ud波形应为上下等高的对称波形，否则可减小Rd。三、带反电势负载（必须先接通励磁）1按图32接线，电动机的励磁由“直流励磁电源”供电。保持初相角a=90°不变。2. 检查确保Ug=0后，主电源送电。调试步骤如下： a确保励磁电源电流表A1100mA后，增大Ug，使电动机转速逐渐升高，直到约1400rpm。b保持Ug不变，通过旋转“转矩调节”改变Id值，测定电动机运行时的n、Id值，数据记录 于表36。根据表36绘制电动机在整流电源供电时的机械特性n=f ( Id )于图317。 提示：改变电动机负载采用转矩测量、加载系统组件上的“转矩调节”。c. 在不同角（30°、6

24、0°、90°）下观察平波电抗器的作用：示波器观察电抗器700mH两端的电 压波形u L并记录于图318。注：负载不变。图315 电阻性负载时三相全控桥整流电路的ud、uVT3波形（当>60°后电流断续uVT3波形可不画）表34：三相全控桥电阻性负载（Ud =0必须画出）1503006009001200UdU2图3-13 电阻性负载时三相全控桥整流电路的Ud / U2=f（）曲线表35：三相全控桥电阻性负载（注意：控制角保持不变）UdId04A06A08A10A12A 图314 电阻性负载时三相全控桥整流电路的负载特性曲线Ud=f ( Id ) (据表35绘制

25、)图316 电感性负载时三相全控桥整流电路的ud、uVT3波形（电流断续uVT3波形可不画）表36：全控桥电动机负载的机械特性曲线Id（A）11Im i nn（r/min）图3-17 n=f ( Ia )曲线 (据表36绘制)图3-18 全控桥电动机负载不同控制角时的u L波形思考题1什么是可控整流装置的初始相位？如何实现？2为什么不同电路的可控整流装置或不同的负载其初始相位就可能不同？试叙述以上电路在三 种不同负载下初始相位各是多少？实验四 三相有源逆变电路 直流电转变为交流电，称之为逆变。把直流电逆变为交流电并送到电网的过程，称有源逆变。本实验电路：三相桥式有源逆变电路。一 实验目的1验证

26、可控电路在有源逆变时的工作条件并比较与整流工作时的区别。2测量逆变工作状态时的波形ud、uVT并比较与整流工作时的区别。二、实验内容三相桥式全控电路的有源逆变三、实验线路及原理本实验采用不可控整流电源驱动直流电动机M03并带动直流发动机M01旋转发电，发电机M01的输出端接到晶闸管主电路的ud端，当晶闸管电路工作于逆变状态，则可将发动机电能逆变回电网。图4-1 三相有源逆变电路原理及接线图四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏 2触发电路及晶闸主回路组件NMCL-33F3电阻负载组件NMEL-03/4 4平波电抗器NMCL-33105. 直流电流表NMCL-001/1 6G给定 NMCL-31A

27、7. 转矩测量、加载系统NMEL-13 8直流电动机M03/直流发电机M019. 直流电动机电枢电源 NMEL-18/1 10直流电动机励磁电源 NMEL-18/211二踪示波器五实验方法1按图41接线。Ug接至NMCL-33面板的Uct端三相桥式全控变流电路使用I组（VT1VT6）或组（VT1VT6）桥晶闸管时，分别对应着Ublf或Ublr孔（位于Uct下）与“”短接。 主电源先不送电。三相有源逆变电路触发脉冲初始工作角在a=150°处（此时Ud为负最大值）。用示波器观察1#脉冲相对于同步电压的角度位置，在Ug=Uct=0时，调节偏移电压Ub，使a=150°。此后Ub保持

28、不变。触发角a读取方法参看实验一的图13。 注：根据 180°，当前180° 150° 30°min。 2电动机空载运行：将发电机M01端子A1、A2上的两根导线先取下，使端子悬空。主电源送电。a. 确认励磁电流大于200mA（两台电机的励磁电流）后，逐渐增大直流调压输出到使发电机M01转速达8001000rpm。b. 用直流电压表测量发电机M01的发电极性，应该如图所示（A1为“”、A2为“”）。若发电极性不符，则电压调小断电后，改变电动机M03的电枢电压极性（A1与A2线对调），重试。c. 测量结束后断电，并将发电机电枢A1A2连入回路，准备有源逆变

29、电路的调试。3. 逆变工作调试：将R置最大，检查确保Ug=0后，主电源送电。用示波器观察ud波形，当前三相桥式可控电路应该工作在有源逆变min 300状态。稍微增大调压器输出，当直流电动机运转起来即减小电阻R1到0，逐渐增大Ug =0，密切监视电流I，同时观察ud的变化，注意控制角最多只能调到minmax900。逆变电路工作在触发角150°90°（ 30°90°）范围内；观察并记录 =30°、60°、90°时u d、uVT3 、uL（电流连续）到图43。提示：有源逆变实现的条件：要有直流电源（此处为电动机），且直流电势E略大

30、于逆变电压Ud。六、注意事项1本实验是研究可控整流电路在整流工作状态与逆变工作状态时的静特性，所给出的实验线路不能直接地从整流状态进入逆变工作状态，必须分别予以实现，而对逆变工作一定要谨慎操作。2为防止逆变颠覆，逆变角必须安置在90°30°范围内。即Ug=0时，=30°，调整Ug时，用直流电压表监视逆变电压，待逆变电压接近零时，必须慢慢操作，防止进入整流状态。3在供电给直流电动机时(整流状态)，必须先向直流电动机提供激磁。4正确使用示波器，禁止示波器的两根线分别接在高、低压电路中，造成意外事故。为使电流连续通常串入大电感L 。为提供符合要求的直流电源，本实验采用在

31、逆变主回路中串入直流发电机。说明：首先，为防止发电机的输出电压E与逆变电压Ud 间不匹配，所以逆变回路中串电阻R1限制过流，只要电流连续，可以不必减小电阻R1。其次，当增大Ug使增大而Ud ，如果发电机转速不变，则E>> Ud，引起逆变电流I，但电动机为串阻运行，特性曲线很软（见图52），负载的增大使电动机n ，因此发电机E，使直流电源E 与逆变电压Ud的电压趋于接近，自动限制了电流的增大。图42 直流电动机M03串阻运行特性43 三相全控桥有源逆变的波形注意：晶闸管自选，在图中必须标出所记录波形的晶闸管代号及所对应的控制角（或）值。思考题1什么叫有源逆变？有源逆变的条件是什么？2本实验中，是如何解决发电机输出电压与逆变电压之间的不匹配问题？3什么样的电路不能实现有源逆变？为什么？4如果电路从逆变直接进入整流，情况会如何？附录一固纬GRS-6032A示波器使用简介一系统控制POWER：电源开关INTEN：亮度TRACEROTATION：光迹偏转FOUCUS：聚焦二VERTICAL（垂直控制）1两个通道CH1、CH2具有类似功能POSITION：垂直方向位置VOLTS/DIV：按下园型旋牛，则在“粗调微调”