四川大学三相全桥整流及有源逆变实验报告.docx

四川大学电气信息学院

实 验 报 告 书

课程名称： 电力电子技术
实验项目： 三相全桥整流及有源逆变实验
专业班组： 电气工程及其自动化105班
实验时间： 2013年12月16日
成绩评定：
评阅教师：

报告撰写： 学号：
同组人员： 学号：
同组人员： 学号：
同组人员： 学号：

电气信息学院专业中心实验室

目 录
一． 实验内容
1.1 实验项目名称············································ 3
1.2 实验完成目标············································ 3
1.3 实验内容及已知条件······································ 3
二． 实验环境
2.1 主要设备仪器············································ 4
2.2 小组人员分工············································ 5
三． 电路分析与仿真
3.1 基本电路················································ 5
3.2 电路仿真················································ 6

四． 实验过程
4.1连接三相整流桥及逆变回路································ 11
4.2 整流工作··············································· 11
4.3 逆变工作··············································· 14
五． 实验数据处理与分析
5.1 实验数据与处理·········································· 15
5.2 误差分析················································ 16
六． 思考讨论与感悟
6.1 实验思考题·············································· 16
6.2 实验讨论题·············································· 17
6.3 实验方案、结果可信度分析································ 19
6.4 实验感悟················································ 19
附件

一． 实验内容
1.1 实验名称
三相全桥整流及有源逆变实验

1.2 实验完成目标
① 观测分析整流状态下（阻性负载、阻-感性负载）ud，uVT波形；
② 观测分析逆变状态下（阻-感性-反电动势负载）ud，uVT波形及逆变功率测量；

1.3 实验内容及已知条件
① 连接三相整流桥及逆变回路
u 由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35）,输出三相电源（线电压约110~130v）作为三相变流桥的交流输入；
u 由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作为逆变时负载回路的电动势源（大小恒定的电压源）；
u 由双刀双置开关构成整流和逆变选择回路（严禁主回路带电时切换此开关）；
u 约定整流、逆变临界控制点为Uct = 0，当Uct﹥0时，处于整流移相控制；Uct﹤0时处于逆变移相控制：
② 整流工作
u 阻性负载测试：双置开关选择整流回路，负载电阻设定为最大（约450W），加正给定电压。
1) 观测并记录整流状态下α≈0O，60O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；
2) α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；
3) α≈0O时封锁任2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；（一次：共阴极组2只；一次：阴极阳极组各1只）
u 阻-感（ 300W + 700mH )负载测试：双置开关选择整流回路，观测并记录α=30O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；α= 0O时任意封锁1只和2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值。
③ 逆变工作
断掉主回路电源，将负载回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。
u 选负给定信号，保持负载为（450Ω+700mH），再合上电源，观测逆变状态下β=60O，90O时ud，uVT波形；
u 在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH，直流反电动势E基本恒定），在最大逆变移相范围内，测定电网实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线（不低于8组数据点）。已知，三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26W。
思考：如何近似估算电网吸收的电功率？
二．实验环境
2.1 主要设备仪器
实验台：华纬MCL-Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台（浙江大学求是公司）

图2-1 实验台
示波器：Tektronix TDS1012示波器（带宽：100MHZ 最高采样频率：1GS/s）

图2-2 示波器
数字万用表：

图2-3 数字万用表
2.2 小组人员分工
1.实验阶段
线路连接及检查：
移相可调电位器及电阻的调节：
数字万用表的操作及测量：
示波器操作的及测量：
数据记录及计算：

2.报告撰写
报告主体撰写：
实验仿真：
数据处理分析：
特性曲线与拟合：
思考题的整理：
讨论内容整理：
图片整理与使用：
讨论与拓展思考：

三．实验仿真
3.1 基本电路

图3-1 三相全桥整流及有源逆变实验
3.2 电路仿真
如果按照所做电力电子实验的实际电路图进行仿真，则需要考虑电路中隔离变压器和三相降压变压器的作用，以及保证实验安全的吸收功率电阻的作用。所绘出的电路图进行仿真时总会出现各种仿真错误或者出现波形不一致。故我们组从原理上给予Multisim的电路图，以及我们查阅资料获得的相关Matlab仿真的实验图。

图3-2 仿真电路整流工作连接图

图3-3 仿真电路逆变工作连接图
我们先对阻性负载测试进行仿真，参照图3-2仿真连接图。
记录整流状态下α≈0°，60°，90°时Ud，Uvt波形（注意限制Id≤0.8A）；

图3-4 α≈0°时Id，Ud，Uvt波形

图3-5 α≈60°时Id，Ud，Uvt波形

图3-6 α≈90°时Id，Ud，Uvt波形
模拟α≈0°时封锁任1只晶闸管的脉冲信号，记录Id，Ud，Uvt波形，如图3-7所示； 模拟α≈0°时封锁任2只晶闸管的脉冲信号，记录Ud的波形（一次：共阴极组2只，如图3-8所示；一次：阴极阳极组各1只，如图3-9所示）。

图3-7 α≈0°时封锁任1只晶闸管Id，Ud，Uvt波形

图3-8 α≈0°时封锁任2只阴阳晶闸管Id，Ud，Uvt波形

图3-9 α≈0°时封锁任一阴一阳晶闸管Id，Ud，Uvt波形
接着我们进行阻-感（ 300W + 700mH )负载仿真：记录α=30°，90°时Id，Ud， Uvt波形。

图3-10 α=30°时Id，Ud， Uvt波形

图3-11 α=90°时Id，Ud， Uvt波形
模拟α= 0O时任意封锁1只，和2只共阴极晶闸管以及一阴一阳晶闸管的脉冲信号，记录Ud的波形。

图3-12 α= 0O时任意封锁1只晶闸管Ud波形

图3-13 α= 0O时封锁2只共阴极晶闸管Ud波形

图3-14 α= 0O时封锁一阴一阳晶闸管Ud波形
最后按照图3-3接线逆变工作电路，选负给定信号保持负载为（450Ω+700mH），模拟记录逆变状态下β=60°，90°时Id，Ud，Uvt波形。

图3-15 逆变状态下β=60°时Id，Ud，Uvt波形

图3-16 逆变状态下β=90°时Id，Ud，Uvt波形

四．实验过程
4.1 连接三相整流桥及逆变回路
由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35）,输出三相电源（线电压约110~130v）作为三相变流桥的交流输入；
由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作为逆变时负载回路的电动势源（大小恒定的电压源）；
由双刀双置开关构成整流和逆变选择回路（严禁主回路带电时切换此开关）；
约定整流、逆变临界控制点为Uct = 0，当Uct﹥0时，处于整流移相控制；Uct﹤0时处于逆变移相控制；
本次实验的线路连接在实验前已由指导老师完成，实验电路图如图3-1所示，实验过程中的实际接线图如图2-1所示。

4.2 整流工作
阻性负载测试：双置开关选择整流回路，负载电阻设定为最大（约450W），加正给定电压。
观测并记录整流状态下α≈0O，60O，90O时ud、uVT波形（注意限制Id≤0.8A）；
通过调节移相可调电位器，观察示波器波形，我们用相机分别记录下α≈0°，60°，90°时ud、uVT波形，如下所示：

图4-1 α≈0°时Ud波形 图4-2 α≈60°时Ud 波形
图4-3 α≈90°时Ud波形 图4-4 α≈0°时Uvt 波形

图4-5 α≈60°时Uvt波形 图4-6 α≈90°时Uvt 波形

α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值；如图4-7所示。大小值在波形图上，由示波器直接给出。

α≈0O时封锁任2只晶闸管的脉冲信号，记录ud的波形及大小值（一次：共阴极组2只，如图4-8所示；一次：阴极阳极组各1只，如图4-9所示）。大小值在波形图上，由示波器直接给出。
图4-7α≈0O时封锁任1只晶闸管的脉冲信号

图4-8α≈0O时封锁任2只共阴极晶闸管的脉冲信号 图4-9α≈0O时封锁一阴一阳极晶闸管的脉冲信号

阻-感（ 300W + 700mH )负载测试：双置开关选择整流回路，观测并记录α=30O（如图4-10所示），90O（如图4-11所示），时Ud波形，α=30O（如图4-12所示），90O（如图4-13所示），时Uvt波形（注意限制Id≤0.8A）；

图4-10 整流回路α=30O时Ud波形 图4-11 整流回路α=90O时Ud波形

图4-12 整流回路α=30O时Uvt波形 图4-13 整流回路α=90O时Uvt波形

α= 0O时任意封锁1只（如图4-14所示），和2只（图4-15所示为封锁1，2号晶闸管，晶闸管的脉冲信号，图4-16所示为封锁1，3号晶闸管，晶闸管的脉冲信号）晶闸管的脉冲信号，记录Ud的波形及大小值。大小值在波形图上，由示波器直接给出。

图4-14 任意封锁1只晶闸管的脉冲信号

图4-15封锁1，2号晶闸管的脉冲信号 图4-16封锁1，3号晶闸管的脉冲信号

4.3逆变工作
断掉主回路电源，将负载回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。
u 选负给定信号，保持负载为（450Ω+700mH），再合上电源，观测逆变状态下β=60°，90°时Ud，Uvt波形；用相机记录如下：

图4-17 逆变β=60°时Ud波形 图4-18 逆变β=90°时Ud波形

图4-17 逆变β=60°时Uvt波形 图4-18 逆变β=90°时Uvt波形

在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH，直流反电动势E基本恒定），在最大逆变移相范围内，测定电网实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线（不低于8组数据点）。已知，三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26。在逆变移相范围极限取到Ud分别为-4V和-164V，我们便控制记录分别在Ud=-4V，-27V，-50V，-73V，-96V，-119V，-142V，-164V时I的值，计算出Pk的值，记录如图表4-1所示。测定电网实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线实验后完成，详见第五章。 表4-1 实验数据记录及计算

思考题“如何近似估算电网吸收的电功率？”见第六章。

五．实验数据处理与分析
5.1 实验数据与处理
逆变工作中，在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH，直流反电动势E基本恒定），在最大逆变移相范围内取到Ud分别为-4V和-164V，我们便控制记录分别在Ud=-4V，-27V，-50V，-73V，-96V，-119V，-142V，-164V时I的值，计算出Pk的值，记录如图表4-1所示。
接下来我们根据实验结果之间的关系画出电网实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线，如图5-1所示：

图5-1 电网实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线

5.2 误差分析
1、在实验读数过程中，电压表示数存在波动情况，造成了一定程度上的误差。
2、指针式电流表在精度上不足（流表的量程是2A，每格代表0.1A），也会造成不可避免的读数误差。。
3、带阻感负载时，R=450Ω，L=700mH的参数要求不能达到百分百的满足。
4、实验元件的老化及损耗对实验结果也有影响。
6、受限于实验条件，晶闸管的导通角不能达到准确的要求。

六． 思考与讨论
6.1 实验思考题
1. 如何近似估算电网吸收的电功率？
答：在负载恒定的情况下，我们通过调节来调节逆变角β，然后测量各个逆变角情况下的负载电压 和负载电流 就可以算出吸收功率 。其近似计算公式为：=||－· （其中由于Ud和Id是由电压表和电流表测得的，所以它们有效值。Rn为三相全控桥电源回路输出端等效内阻，约为26Ω）

6.2 实验讨论题
1、分析比较整流工作时，阻性负载和阻感负载在缺相（丢失一路触发信号）故障下，瞬时波形的差异？
答：由于电感有续流的作用，可以改善不连续的波形，使之变成连续的波形。由此可知，当阻性负载和阻感负载在缺相的时候，阻性负载的波形是断续的，且不可以过零点；而阻感负载的波形是连续的，且可以过零点。
2、整流状态下阻感负载时，α=90°时的瞬时波形一定有正负半波对称吗？为什么？
答：不一定。因为理论情况下，我们要求在α=90°的时候所带的电感为无穷大，但是在我们的实际实验中电感并不是无穷大的，所以会出现电感储能不够的情况，就会造成正负半波不对称。在我们实验中，为了尽可能地接近理想情况，在调节电路时，我们要降低电阻，同时接入最大电感，这样的电阻电感组合在理论上更加接近于无穷大电感的效果，但是需要注意的是，在降低电阻时我们需要保证电流在额定范围之内。
3、说明逆变状态下，逆变电源的负载波形是电路上哪两端的波形？为什么逆变输出电压越高，负载电流越小？
答：在逆变的状态下，逆变电源的负载波形是夹在三相全控桥的共阴极与共阳极两端的电压波形，因为=，所以逆变输出电压越大，负载电流越小。
4、做出=f（）特性曲线，并对变化趋势做出定性分析。
答：图形如下：

定性分析：从图像中，我们可以看出以下几点:
1、随着的减小，也逐渐减小，最后曲线过零点。
2、随着的增大，曲线趋于平缓，当增大到一定程度时，基本不变。
3、从拟合出来的公式来看，与成二次关系。
4、在0＜＜25V的时候，和大致成线性关系。

6.3 实验方案、结果可信度分析
从实验原理来看，本实验是要通过试验台连接出三相全桥整流及有源逆变电路，结合万用表和示波器来完成，测定整流工作及逆变工作情况下α=0°，60°，90°或β=60°，90°时Ud，Uvt波形。整流工作及逆变工作情况下任意封锁一只晶闸管，或封锁共阴极或一阴一阳两只晶闸管情况下的Ud波形及大小值。理论上来讲没有任何问题。对于三相全控整流及有源逆变电路，其触发延迟角α理论上是0°～90°，但在实际实验操作中，我们发现能够调节触发延迟角α的真实范围为达不到极限值，我们估计是因为触发信号的问题。但在实验实际的α角范围内我们测得的实际数据与图形较精确，但90°时与理论相差较大。根据记录波形，总体评价我们认为实验具有较高的可信度。

6.6 实验感悟
相比于上次实验，我们小组在实验前做了更加充分的预习准备，对实验原理和实验内容都有了较为透彻的了解，对实验中可能遇到的一些问题也制定了相应的解决方案，小组中同学间的合作也更有默契，所以我们很快地完成了本次实验，这都要归功于我们的肖勇老师，是肖勇老师让我们明白了实验前预习的重要性，我们小组也通过这次实验收到了立竿见影的效果。
关于这次实验报告的书写，我们小组还是遵循肖勇老师的要求，不仅在报告中加入了MATLAB的拟合与仿真，MULTISIM的电路设计与仿真，WORD中的公式书写等，也加入了自己对实验的看法与思考，这些工作的确让我们对课本上的知识有了进一步的掌握。
再次感谢肖勇老师在实验中的指导与独特理念的传授。

附件
实验原始数据单