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物理系电力电子技术实验讲解

电力电子技术实验讲义

内蒙古大学物理科学学院应用物理专业

目录

实验一 安全规程及实验规程 2

实验二 单结晶体管触发电路实验 7

实验三 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 9

实验四 直流斩波电路的性能研究（六种典型线路） 12

实验一 安全规程及实验规程
一、实验目的：
1、 掌握安全规程及实验规程、安全用电知识、操作规范，以确保实验过程中的人身安全。
2、 熟悉实验设备的主电路。
二、实验所需挂件及附件：
序号
型号
备注
1
DJK01 电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块
三、实验内容：
1、 安全规程及实验规程的教育。
2、 主电路图各组成部分的观察及连接。
四、预习要求：
阅读电力电子技术教材中有关安全操作的内容。
五、思考题：
该实验的操作要求及以前的弱电实验有什么不同？
六、实验报告：
1、 画出实验主电路图。
2、 写出实验安全操作规程。

附录：
一、实验安全规程
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及设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：
1、在实验过程中，绝对不允许双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体当作负载使用。
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电源后方可进行。
3、为了提高试验过程中的效率，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告警，应仔细检查线路以及电位器的调节位置，确定无误后，方可重新进行实验。
5、在实验过程中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成试验，以免损坏仪表、电源或负载。
6、电源控制屏以及各挂件所使用的保险丝规格和型号是经我们反复试验选定的，不得私自改变其型号和规格，否则可能会引起不可预料的后果。
7、在加电流、转速闭环前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈。
8、除作阶跃启动试验外，系统启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，才允许合闸启动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。
9、在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。
二、DJK01电源控制屏
电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源。同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用。在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，有源挂件的电源从这些插座提供。在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。
1、三相电网电压指示
三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。
2、定时器兼报警记录仪
平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警、切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。（具体操作方法详见DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置使用说明书）
3、控制部分
它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有输出。
4、三相主电路输出
三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。在A、B、C三相处装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路输出电压信号。
5、励磁电源
在按下启动按钮后将励磁电源开关拨向“开”，则励磁电源输出为220V的直流电压，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A熔丝做短路保护。励磁电源仅为直流电机提供励磁电流，由于励磁电源的容量有限，一般不要作为大电流的直流电源使用。
6、面板仪表
面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为可逆调速系统提供电压及电流指示。面板上部设置有500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，精度为0.5级，供交流调速系统实验时使用。
7、电源控制屏启动程序及操作说明
1）、接通控制屏的三相四线电源。
2）、电源控制屏启动时，先将总电源钥匙开关置于“开”的位置。此时，电源左右两侧电源插座有电（220V），凹槽内的挂件电源插座有电;此时“停止”按钮指示灯（红色）亮，“启动”按钮指示灯(绿色)灭，计时兼报警纪录仪开始计时并显示时间。通过左上角的波段开关和电压表来观察三相输入电源是否正常，为防止电源开关频繁动作对电压表的冲击，平时请将波段开关置于空档。
3）、按动“启动”按钮，红灯灭，绿灯亮；此时三相隔离变压器输出电压，选择“直流调速”时为220V；选择“交流调速”时为250V；直流励磁电源电压为220V。在实验过程中严禁将主电路输出端及电流互感器输出短路，以免发生意外。
4）、实验完毕，应先关闭所有挂件的电压电源开关或切断励磁电源，然后按动“停止”按钮开关、切断主电路电源，最后将钥匙开关置于“关”的位置，切断总电源。
三、实验规程
l．实验课前要认真预习，做好必要的准备工作，如做好预习报告，阅读注意事项，未预习者不得参加实验，实验课不得无故迟到。
2．实验时，实验者应认真仔细，注重培养独立分析问题和解决问题的能力，要有协作精神，同组合作者要团结互助、共同探讨、互相学习。
3．接完线路，应先自行检查，再请教师复查后才能接通电源，进行实验。改接线路时，必须先切断电源。
4．实验完毕，所记录数据经教师审阅签字后，方可拆线，实验报告无教师签字无效。
5．未经许可，不得乱用及本次实验无关的设备器材，不得将实验室物品携出室外。
6．要爱护仪器设备，凡损坏仪器设备者，应填写损坏单。对于不听从教师指导和违反操作规程而损坏仪器设备者，除写出书面检讨外，还应进行赔偿。
7．维护实验室内的整洁及肃静，严禁随地吐痰，大声喧哗。实验完毕后，断掉电源，将用过的导线，仪器设备整理好放归原位，并做好值日工作。
四、安全用电知识
1．不得带电接线或拆、改线路，安装、更换保险丝。
2．合闸及拉闸操作要果断可靠，操作者不应面对刀闸，以防电弧喷出烧伤。
3．线路接好通电时，必须通知本组同学，同组者要相互密切配合，以防发生意外。
4．仪表设备应放置合理，避免导线跨越电源刀闸、仪表、旋转或运动的机械部分。各种设备要可靠放置，防止跌落摔坏设备。
5．实验中，如发现有超量程、过热、异味、异声、冒烟、火花等，应立即切断电源再处理故障。
6．实验时，要精神集中，严肃认真。
7．不得穿湿衣湿鞋或湿手赤足做实验，以防引起触电事故。
8．使用仪器设备时，必须先阅读有关附录内容的说明，了解设备的规格，使用方法等。严格按额定值使用，调节电源或电路参数时，应密切监视电表指针，以免损坏设备。
9．实验室总电源由指导教师操作，无指导教师在场，学生不得自行通电实验。
10．自觉维护人身及实验设备安全。

实验二 单结晶体管触发电路实验
一、实验目的
(1)熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。
(2)掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
DJK01 电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
DJK03 晶闸管触发电路
该挂件包含“单结晶体管触发电路”等模块。
3
双踪示波器
自备
三、实验线路及原理
单结晶体管触发电路的工作原理已作过介绍。

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。
五、预习要求
阅读电力电子技术教材中有关单结晶体管的内容，弄清单结晶体管触发电路的工作原理。
六、思考题
(1)单结晶体管触发电路的振荡频率及电路中C1的数值有什么关系?
(2)单结晶体管触发电路的移相范围能否达到180°?
七、实验方法
(1)单结晶体管触发电路的观测
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（不能打到“交流调速”侧工作，因为DJK03的正常工作电源电压为220V±10%，而“交流调速”侧输出的线电压为240V。如果输入电压超出其标准工作范围，挂件的使用寿命将减少，甚至会导致挂件的损坏。在“DZSZ-1型电机及自动控制实验装置”上使用时，通过操作控制屏左侧的自藕调压器，将输出的线电压调到220V左右，然后才能将电源接入挂件），用两根导线将200V交流电压接到DJK03的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路，经半波整流后“1”点的波形，经稳压管削波得到“2”点的波形，调节移相电位器RP1，观察“4”点锯齿波的周期变化及“5”点的触发脉冲波形；最后观测输出的“G、K”触发电压波形，其能否在30°～170°范围内移相?
(2)单结晶体管触发电路各点波形的记录
当α＝30o、60o、90o、120o时，将单结晶体管触发电路的各观测点波形描绘下来，并及图1-9的各波形进行比较。
八、实验报告
画出α=60°时，单结晶体管触发电路各点输出的波形及其幅值。
九、注意事项
双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都及示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

实验三 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
1
DJK01 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。
2
DJK06 给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”。
3
DJK07 新器件特性实验

4
万用表
自备
三、 实验线路及原理
实验线路如图：

图3-24 新器件特性实验原理图
将电力电子器件和负载电阻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信号，使器件触发导通。图中的电阻R用DJK06 上的灯泡负载，直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，电力电子器件在DJK07挂箱上，直流电源从电源控制屏的励磁电源取得。
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3-24接线，将晶闸管（SCR）接入电路，在实验开始时，将给定电位器沿逆时针旋到底，关闭励磁电压。按下“启动”按钮，打开DJK06的开关，然后打开励磁开关，缓慢调节给定输出，同时监视电压表、电流表的读数，使之指示接近零（表示管子完全导通），记录给定电压Ug、回路电流Id以及器件的管压降Uv。

Ug

Id

Uv

(2)将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数据。
Ug

Id

Uv

(3)换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。
Ug

Id

Uv

(4)换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。
Ug

Id

Uv

(5)换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。
Ug

Id

Uv

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）在实验中，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，避免误触发。
(2)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。
④由于晶闸管具有一定的维持电流，故要使晶闸管可靠工作，其通过的电流不能太小，否则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。
(3)在实验中要注意同步电压及触发相位的关系，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。
(4) 使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。

实验四 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控制及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
1
DJK01 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。
2
DJK09 单相调压及可调负载

3
DJK20 直流斩波电路

4
D42　三相可调电阻

5
慢扫描示波器
自备
6
万用表
自备
三、实验线路及原理
1、主电路
①、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4-14所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图4-14b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4-14 降压斩波电路的原理图及波形
②、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4-15所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-15b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积蓄的能量及释放的能量相等，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。

(a) 电路图

(b)波形图
图4-15 升压斩波电路的原理图及波形
③、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4-16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，及电源电压极性相反。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。

(a) 电路图

(b) 波形图
图4-16 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4-17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，输出电压的极性及电源电压极性相反。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4-17Cuk斩波电路原理图
⑤、Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图4-18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4-18 Sepic斩波电路原理图
⑥、Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的原理图如图4-19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及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4-19 Zeta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、控制及驱动电路
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4-20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。详细的工作原理及性能指标可参阅相关的资料。

图4-20 SG3525芯片的内部结构及所需的外部组件
四、实验内容
（1）控制及驱动电路的测试
（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、控制及驱动电路的测试
(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脚及第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，并填入下表。

Ur(V)
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
11(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由三相调压器输出的单相交流电经DJK20挂箱上的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50V，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DJK20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。将控制及驱动电路的输出“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)
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.5
占空比α(%)

Ui(V)

Uo(V)

七、实验报告
(1)分析图4-20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，并作比较及分析。
(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。

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