电力电子关键技术试验参考指导书级.doc

电力电子技术实验指引书

第一章 概 述
一、电力电子技术实验内容与基本实验办法
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展一门新技术，广泛应用于工业领域、交通运送、电力系统、通讯系统、计算机系统、能源系统及家电、科研领域。
电力电子技术课程既是一门技术基本课程，也是一门实用性很强应用型课程，因而实验在教学中占有十分重要位置。
电力电子技术实验课重要内容为：电力电子器件特性研究，重点是开关特性研究；电力电子变换电路研究，涉及：三相桥式全控整流电路（AC/DC变换）、SPWM逆变电路（DC/AC变换）、直流斩波电路（DC/DC变换）、单相交流调压电路（AC/AC变换）四大类基本变流电路。
电力电子技术实验借助于当代化测试仪器与仪表，使学生在实验同步熟悉各种仪器使用，以进一步提高实验技能。
波形测试办法是电力电子技术实验中基本、惯用实验办法，电力电子器件开关特性根据波形测试而拟定器件工作状态及相应参数；电力电子变换电路根据波形测试来分析电路中各种物理量关系，拟定电路工作状态，判断各个器件正常与否。因而，掌握不同器件、不同电路波形测试办法，可以使学生进一步掌握电力电子电路工作原理以及工程实践办法。
本讲义参照理论课内容顺序编排而成，按照学生掌握知识规律循序渐进，旨在加强学生实验基本技能训练、实现办法掌握；培养和提高学生工程设计与应用能力。
由于编者水平有限，难免有疏漏之处，恳请各位读者提出批评与改进意见。
二、实验挂箱简介与用法
（一）MCL—07挂箱 电力电子器件特性及驱动电路
MCL—07挂箱由GTR驱动电路、MOSFET驱动电路、IGBT驱动电路、PWM发生器、主电路等某些构成。
1、GTR驱动电路：内含光电耦合器、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。可对光耦特性（延迟时间、上升时间、下降时间），贝克电路对GTR导通关断特性影响，不同串、并联电路对GTR开关特性影响以及保护电路工作原理进行分析和研究。
2、MOSFET驱动电路：内含高速光耦、比较器、推挽电路、MOSFET功率器件等。可以对高速光耦、推挽驱动电路、MOSFET启动电压、导通电阻RON、跨导gm、反相输出特性、转移特性、开关特性进行研究。
3、IGBT电路驱动：采用富士IGBT专用驱动芯片EXB841，线路典型，外扩保护电路。可对EXB841驱动电路各点波形以及IGBT开关特性进行研究。
本挂箱特点：
（1）线路典型，有助于对基本概念理解，力求通过实验，使学生对自关断器件特性有比较深刻理解。
（2）由于接线比较多，设计时充分考虑实验时也许产生误操作，保护功能完善，可靠性高。
使用注意事项：
（1）面板上有比较多钮子开关控制电源，实验时注意开关通断。
（2）GTR采用较低频率PWM波形驱动，MOSFET、IGBT采用较高频率PWM波形驱动。
（二）MCL—08挂箱 直流斩波及开关电源
MCL—08挂箱由直流变换电路(Buck-Boot电路)和电流控制型脉宽调制开关稳压电源构成。
1、 直流斩波电路：控制电路采用555波形发生器，由光耦进行隔离通过推挽电路驱动GTR。555产生波形占空比可由电位器进行调节，频率为8KHZ左右。斩波电路主回路功率器件采用GTR（10A 、800V），输入电压为15V，输出电压为(7.5—30V)之间内可调。
按流过电感L电流在周期开始时与否从0开始，可分为持续或不持续工作状态两种模式。可分别观测两种模式下，电感电流iL、二极管电流iVD、GTR电流iVT等波形。
2、 开关稳压电源：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稳压电源工作原理以及UC3842应用有一定理解。
（三）MCL—11挂箱 单相正弦波逆变电源及单相交流调压电路
MCL—11挂箱提成两某些：正弦波逆变电源和单相交流调压。
1、 正弦波逆变电源
正弦波逆变电源功能是把直流电逆变成交流电。
由波形发生器产生一50HZ、幅度可变正弦波，送入SG3525中第“9”脚和第“5”脚信号（锯齿波）比较后，输出经调制（调制频率为10KHZ）SPWM波形，通过倒相器反相后，得到两路互为反相PWM驱动信号，分别驱动功率场效应管VT1、VT2使VT1、VT2交替导通，从而在高频变压器副边得到一50HZ正弦波，幅度可通过电位器RP进行变化。
2、 单相交流调压电路
采用自关断器件单相交流调压电路和采用老式可控硅构成调压电路相比，具备功率因数高、电网污染小、波形畸变小等长处。
输入交流电压为220V，经同步变压器T后，分别形成两路互为倒相方波，宽度为1800，分别相应正弦波正半周和负半周，由SG3525进行调制（调制频率为2.5KHZ）后，通过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。
工作过程为：
当输入交流电处在正半周时，经调制方波信号施加于VT2栅极和源极，VT1控制电压为0V，交流电通过L、R、VT2、VD1构成回路；
当输入交流电处在负半周时，方波信号施加于VT1、VT2控制电压为0V，交流电通过L、R、VT1、VD2构成回路，从而在R上得到一完整通过调制单相正弦交流电，有效值通过调节脉冲占空比进行变化。
（四）MCL—18挂箱 控制和检测单元及过流过压保护
MCL—18由给定（G），零速封锁（DZS），速度变换器（FBS），转速调节器（ASR），电流调节器（ACR），过流过压保护等某些构成。（这里只对给定和过流过压保护某些进行简介）
1、 给定（G）：
它作用是得到如下几种阶跃给定信号:
（1）0V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、RP2两个多圈电位器调节大小（调节范畴为0~±13V）。数值由面板上板表显示。
只要依此扳动S1、S2开关不同位置即能达到上述规定。
a）S1放在“正给定”位置，扳动S2由“零”位到“给定”位既能获得0V突跳到正电压信号，再由“给定”位置扳到“零”位能获得正电压到0V突跳；
b）S1放在“负给定”位置，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V突跳；
c）S2放在“给定”位置，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压突跳；
使用注意事项：给定输出有电压时，不能短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。
2、电流变送器与过流过压保护（FBC+FA+FT）
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。
(1)电流变送器
电流变送器合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直流电压信号，零电流信号和过流逻辑信号等。
(2)过流保护（FA）
当主电路电流超过某一数值后（2A左右），继电器断开主电路，并使发光二极管亮，作为过流信号，告诉操作者已通过流跳闸。
SA作为解除记忆恢复按钮，当过流动作后，如过流故障已经解除，则需按下解除记忆，恢复正常工作。
（五）MCL—36 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，脉冲放大等环节构成。其原理图如图 所示。
由VD1、VD2、C1、R1等元件构成同步检测环节，其作用是运用同步电压来控制锯齿波产生时刻和宽度。由VST1、V1、R3等元件构成恒流源电路及V2、V3、C2等构成锯齿波形成环节。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，同步变压器幅边已在内部接好。

三、安全操作常识
由于电力电子技术实验重要是面向大功率电路，如果操作不当，很容易导致人身触电伤亡事故。这就规定实验者树立牢固安全意识，在实验过程中严格按照实验环节和办法进行。
1、 三相主电源为380V电网电压，操作时要注意安全。
2、 主电路接线、改线时，必须先按下主控制屏总电源开关“断开”红色按钮，同步“给定”回零。主电路工作时禁止带电操作。
3、 主电路接线完毕后，需检查无误后方可接通电源。
4、 双踪示波器两个探头地线通过示波器外壳短接，在使用时，必要使两个探头地线同电位，以免导致短路事故。
5、 主电路工作时禁止随意关断脉冲输出开关。
四、实验前准备
1、实验前认真阅读实验指引书关于内容，明的确验目和任务，理解详细实验项目、实验设备、被测电力电子器件特性、被测电路工作原理及需要测量参数和波形。
2、依照实验指引书上规定写出预习报告。
3、实验课上认真听取指引教师对实验解说，明的确验规定、安全注意事项及操作办法。

第二章 电力电子技术实验

实验一 三相桥式全控整流电路实验

一、实验目
1、掌握三相桥式全控整流电路工作原理及接线。
2、熟悉MCL-II型电机控制教学实验台主控制屏构造及调试办法。
3、熟悉MCL-18，MCL-33，组件构造及调试办法
4、分析和掌握三相桥式全控整流电路在不同负载下工作状况和波形。
二、实验内容
1、锯齿波触发器研究
（1）触发器同步电压定相；
（2）触发器波形测试及移相特性Uct=f(α) 测试；
2、电阻负载及电阻、电感负载整流电路波形测试。
三、实验线路及工作原理
实验线路见图2
触发电路以锯齿波作为同步信号,经移相控制、脉冲形成环节产生双窄脉冲，作为晶闸管门极触发信号。
整流电路由六只晶闸管构成三相桥式全控型电路。触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后双脉冲。
四、实验设备及仪器
1、MCL¾II型电机控制教学实验台主控制屏
2、MCL-18挂箱
3、MCL-33挂箱
4、二踪示波器
5、MEL—06直流电压、电流表
6、MEL—03三相可调电阻器（或自配滑线变阻器）
五、实验办法
整流电路波形测试
1、未上主电源之前，检查晶闸管脉冲与否正常。
MCL-18S1开关置“正给定”，S2开关置“给定”RP1、RP2逆时针旋转究竟，MCL—18与MCL—33低压电源±15V相应连接。MCL—18Ug接MCL—33Uct，MCL—33Ub1f接地。
合总电源开关（主电路断）用示波器观测MCL—33触发脉冲观测孔应为双脉冲且“1”号 脉冲超前“2”号 脉冲。将控制I 组桥触发脉冲通断六个直键开关弹出，用示波器观测每只晶闸管控制极和阴极，应有幅度为1V至2V脉冲。
2、整流电路调试
主电路接线：
（1）将电源板上U、V、W分别接MCL—18L1、L2、L3；U、V、W接MCL—33I组U、V、W。晶闸管TV1、TV3、TV5阴极连在一起，TV2、TV4、TV6阳极连在一起。整流电路输出接电阻负载MEL—03。负载两端接入电压表MEL—06（选300V挡）。电流表（选2A档）
（2）三相调压器逆时针调究竟，合主电路电源，缓慢调节调压器主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从0V调至200V。
（3）Uct从0缓慢增长，观测电压表和电流表Ud不要超过220V，Id不要超过0.7A。
3、整流电路研究
（1）整流输出接电阻负载，用示波器观测记录α=30°、60°、90°、整流输出电压波形。
（2）整流输出接电阻、电感负载观测记录α=30°、60°、90°整流输出电压与电流波形和TV1上波形。
六、实验报告
1、画出电路移相特性Ud=f (α)曲线.
2、α角为30°、60°、90°时Ud、Id、VT1波形。

实验二 直流斩波电路研究

一、实验目
1、 掌握Buck-Boost变换器工作原理、特点与电路构成。
2、 掌握Buck-Boost变换器持续与不持续工作模式工作波形图。
3、 掌握Buck-Boost变换器调试办法。
二、实验内容
1、 测试Buck-Boost变换器各物理量波形。
2、 测试不同电感值时不同占空比α。
3、 测试直流电压增益M=Vo/E与占空比α函数关系。
4、 测试输入、输出滤波环节分别对输入电流iS输出电流 io影响。
三、实验线路
实验线路见图3
四、实验设备和仪器
1、MCL—08直流斩波及开关电源实验挂箱
2、万用表
4、 双踪示波器
五、实验办法
1、 检查PWM信号发生器与驱动电路工作与否正常
连接关于线路，观测信号发生器与驱动电路输出波形与否正常。
2、 电感L=1.6mH，电感电流iL处在持续与不持续临界状态时占空比Dα测试
将“16”与 “18”、“21”与 “4”、“22” 与 “5”、“19” 与“6”、“1” 与“4”、“9”与“12”相连。
合上开关S1、S2、S3与S4，用示波器观测“7”与“13”（即iL）之间波形，然后调节RP1使iL处在持续与不持续临界状态，记录这时占空比α与工作周期T。
3、 L=1.6mH，测出处在持续与不持续临界工作状态时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。
调节RP1使iL处在持续与不持续临界工作状态，用示波器观测GTR基-射极电压Vbe与集-射极电压Vce；二极管阴极与阳极电压VD；电感L3两端电压VL；电感电流iL；三极管集电极电流iC以及二极管电流iD等波形。
4、 L=1.6mH，测出持续工作状态时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。
调节RP1使iL处在持续工作状态，用示波器观测上述波形。
5、 L=1.6mH，测出不持续工作状态时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。
调节RP1使iL处在不持续工作状态，用示波器观测上述波形。
6、 L=1.6mH，iL处在持续与不持续临界工作状态时占空比α。
将开关S2断开，用示波器观测iL波形调节RP1使iL处在持续与不持续临界工作状态，记录这时占空比α与工作周期T。
7、L=3.2mH，测出持续工作状态时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形
调节RP1使iL处在持续工作状态，用示波器观测上述波形。
8、L=3.2mH，测出不持续工作状态时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形。
9、测出M=Vo/E与占空比α函数关系
（1） L=1.6mH，占空比α从最小到最大范畴内，测出5~6个α数据，以及与此相应输出电压U。
表3.1
α

Vo(V)

（2） L=3.2mH，测试办法同上。
表3.2
α

Vo(V)

10、输入滤波器功能测试
有与没有滤波器时，电源电流（即15~14两端）波形测试。
11、输出滤波器功能测试
有与没有滤波器时，输出电流纹波测试。
六、实验报告
1、 分别在L=1.6mH 与3.2mH条件下，列出iL处在持续与不持续临界工作状态时占空比α。并与理论值相比较。
理论上iL持续与不持续临界条件为τLC=（1-α）2/2，式中τLC=L/RT为持续与不持续临界状态时临界时间常数，负载电阻R=300Ω,工作周期T按实测数据。
2、 画出不同L，持续与不持续时Vbe、Vce、VD、iL、iC、iD等波形，并与理论上对的波形相比较。
3、 依照不同L值，按所测α，V。值计算出M值，列出表格，并画出曲线。持续工作状态时直流电压增益表达式为M=α/（1-α），请在同一图上画出该曲线。，并在图上注明持续工作与不持续工作区间。
4、 试对Buck-Boost变换器优缺陷作一评述。
5、 试阐明输入、输出滤波器在该变换中起何作用？
6、 实验收获、体会与改进意见。