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长安大学电力电子实验指导书

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2020年4月19日
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实验一 单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路实验
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。
(3)掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及电阻电感性负载时的工作。
(4)了解续流二极管的作用。
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
DJK02 晶闸管主电路
该挂件包含“晶闸管”，以及“电感”等几个模块。
3
DJK03-1 晶闸管触发电路
该挂件包含“单结晶体管触发电路”模块。
4
DJK06 给定及实验器件
该挂件包含“二极管”以及“开关”等几个模块。
5
D42　三相可调电阻

6
双踪示波器
自备
7
万用表
自备
三、实验线路及原理
利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图1所示。
图1中V6为单结晶体管，其常见的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。

图1 单结晶体管触发电路原理图

图2 单结晶体管触发电路各点的电压波形(α=900)

工作原理简述如下：
由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波经过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容经过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但对晶闸管的触发只有第一个输出脉冲起作用。电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。单结晶体管触发电路的各点波形如图2所示。
电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。
将DJK03-1挂件上的单结晶体管触发电路的输出端“G”和“K”接到DJK02挂件面板上的反桥中的任意一个晶闸管的门极和阴极，并将相应的触发脉冲的钮子开关关闭（防止误触发），图3中的R负载用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式。二极管VD1和开关S1均在DJK06挂件上，电感Ld在DJK02面板上，有100mH、200mH、700mH三档可供选择，本实验中选用700mH。直流电压表及直流电流表从DJK02挂件上得到。
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并记录。
(3)单相半波整流电路带电阻性负载时Ud/U2= f(α)特性的测定。
(4)单相半波整流电路带电阻电感性负载时续流二极管作用的观察。
五、预习要求
(1)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。
(2)复习单相半波可控整流电路的有关内容，掌握单相半波可控整流电路接电阻性负载和电阻电感性负载时的工作波形。
(3)掌握单相半波可控整流电路接不同负载时Ud、Id的计算方法。
六、思考题
(1)单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中电容C1的数值有什么关系?
(2)单相半波可控整流电路接电感性负载时会出现什么现象?如何解决?
七、实验方法
(1)单结晶体管触发电路的调试
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，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压、锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形。调节移相电位器RP1，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30°～170°范围内移动?

图3 单相半波可控整流电路

(2)单相半波可控整流电路接电阻性负载
触发电路调试正常后，按图3电路图接线。将电阻器调在最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形，调节电位器RP1，观察α =30°、60°、90°、120°、150°时Ud、UVT的波形，并测量直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2

Ud（记录值）

Ud/U2

Ud（计算值）

　　　　Ud=0.45U2(1+cosα)/2
(3)单相半波可控整流电路接电阻电感性负载
将负载电阻R改成电阻电感性负载（由电阻器与平波电抗器Ld串联而成）。暂不接续流二极管VD1，在不同阻抗角[阻抗角 φ=tg-1(ωL/R)，保持电感量不变，改变R的电阻值,注意电流不要超过1A]情况下，观察并记录 α =30°、60°、90°、120°时的直流输出电压值Ud及UVT的波形。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2

Ud(记录值）

Ud/U2

Ud（计算值）

接入续流二极管VD1，重复上述实验，观察续流二极管的作用,以及UVD1波形的变化。
α
30°
60°
90°
120°
150°
U2

Ud（记录值）

Ud/U2

Ud（计算值）

计算公式: Ud = 0.45U2(l十cosα)/2
八、实验报告
(1)画出α=90°时，电阻性负载和电阻电感性负载的Ud、UVT波形。
(2)画出电阻性负载时Ud/U2=f(α)的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。
(3)分析实验中出现的现象，写出体会。
九、注意事项
(1) 参照实验一的注意事项。
(2)在本实验中触发电路选用的是单结晶体管触发电路，同样也能够用锯齿波同步移相触发电路来完成实验。
(3)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。
(4)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，才能够接通主电路。
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。
(5) 由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其经过的电流不能太小，否则可能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。
(6)在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，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，因此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。
(7) 使用电抗器时要注意其经过的电流不要超过1A，保证线性。

实验二 单相桥式全控整流及有源逆变电路实验
一、实验目的
(1)加深理解单相桥式全控整流及逆变电路的工作原理。
(2)研究单相桥式变流电路整流的全过程。
(3)研究单相桥式变流电路逆变的全过程，掌握实现有源逆变的条件。
(4)掌握产生逆变颠覆的原因及预防方法。
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”，“励磁电源”等几个模块。
2
DJK02 晶闸管主电路
该挂件包含“晶闸管”以及“电感”等几个模块。
3
DJK03-1 晶闸管触发电路
该挂件包含“锯齿波同步触发电路”模块。
4
DJK10 变压器实验
该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流” 等模块。
5
D42　三相可调电阻

6
双踪示波器
自备
7
万用表
自备
三、实验线路及原理
图3为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用D42三相可调电阻器，将两个900Ω接成并联形式，电抗Ld用DJK02面板上的700mH，直流电压、电流表均在DJK02面板上。触发电路采用DJK03-1组件挂箱上的“锯齿波同步移相触发电路Ⅰ”和“Ⅱ”。
图4为单相桥式有源逆变原理图，三相电源经三相不控整流，得到一个上负下正的直流电源，供逆变桥路使用，逆变桥路逆变出的交流电压经升压变压器返馈回电网。“三相不控整流”是DJK10上的一个模块，其“心式变压器”在此做为升压变压器用，从晶闸管逆变出的电压接“心式变压器”的中压端Am、Bm，返回电网的电压从其高压端A、B输出，为了避免输出的逆变电压过高而损坏心式变压器，故将变压器接成Y/Y接法。图中的电阻R、电抗Ld和触发电路与整流所用相同。
有关实现有源逆变的必要条件等内容可参见电力电子技术教材的有关内容。
四、实验内容
(1)单相桥式全控整流电路带电阻电感负载。
(2)单相桥式有源逆变电路带电阻电感负载。
(3)有源逆变电路逆变颠覆现象的观察。
五、预习要求
(1)阅读电力电子技术教材中有关单相桥式全控整流电路的有关内容。
(2)阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的内容，掌握实现有源逆变的基本条件。
六、思考题
实现有源逆变的条件是什么?在本实验中是如何保证能满足这些条件?
七、实验方法
(1)触发电路的调试
锯齿波同步移相触发电路I、II由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图1所示。

图1锯齿波同步移相触发电路I原理图

由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2经过R4、V3放电。调节电位器RP1能够调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改进脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图2所示。
本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，供单相整流及逆变实验用。
电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。

图2 锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形(α=900)

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，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。
将控制电压Uct调至零(将电位器RP2顺时针旋到底)，观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压Ub(即调RP3电位器)，使α=180°。
将锯齿波触发电路的输出脉冲端分别接至全控桥中相应晶闸管的门极和阴极，注意不要把相序接反了，否则无法进行整流和逆变。将DJKO2上的正桥和反桥触发脉冲开关都打到“断”的位置,并使Ulf和Ulr悬空，确保晶闸管不被误触发。

(2)单相桥式全控整流

图3 单相桥式整流实验原理图

按图3接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持Ub偏移电压不变(即RP3固定)，逐渐增加Uct（调节RP2），在α=0°、30°、60°、90°、120°时，用示波器观察、记录整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录电源电压U2和负载电压Ud的数值于下表中。
α
30°
60°
90°
120°
U2

Ud（记录值）

Ud（计算值）

计算公式:Ud＝O.9U2(1+cosα)/2

(3)单相桥式有源逆变电路实验

图4 单相桥式有源逆变电路实验原理图

按图4接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持Ub偏移电压不变(即RP3固定)，逐渐增加Uct（调节RP2），在β=30°、60°、90°时，观察、记录逆变电流Id和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录负载电压Ud的数值于下表中。
β
30°
60°
90°
U2

Ud（记录值）

Ud（计算值）

(4)逆变颠覆现象的观察
调节Uct,使α=150°，观察Ud波形。突然关断触发脉冲（可将触发信号拆去），用双踪慢扫描示波器观察逆变颠覆现象，记录逆变颠覆时的Ud波形。
八、实验报告
(1)画出α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud和UVT的波形。
(2)画出电路的移相特性Ud=f(α)曲线。
(3)分析逆变颠覆的原因及逆变颠覆后会产生的后果。
九、注意事项
(1) 参照实验四的注意事项
(2)在本实验中，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，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。
(3)为了保证从逆变到整流不发生过流，其回路的电阻R应取比较大的值，但也要考虑到晶闸管的维持电流，保证可靠导通。

实验三 直流斩波电路原理实验
一、实验目的
(1)加深理解斩波器电路的工作原理。
(2)掌握斩波器主电路、触发电路的调试步骤和方法。
(3)熟悉斩波器电路各点的电压波形。
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
DJK05 直流斩波电路
该挂件包含触发电路及主电路两个部分。
3
DJK06 给定及实验器件
该挂件包含“给定”以及“开关” 等模块。
4
D42　三相可调电阻

5
双踪示波器
自备
6
万用表
自备
三、实验线路及原理
本实验采用脉宽可调的晶闸管斩波器，主电路如图1所示。其中VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管, C和L1构成振荡电路,它们与VD2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。当接通电源时，C经L1、VD2、L2及负载充电至+Ud0，此时VT1、VT2均不导通，当主脉冲到来时，VT1导通，电源电压将经过该晶闸管加到负载上。当辅助脉冲到来时，VT2导通，C经过VT2、L1放电，然后反向充电，其电容的极性从+Ud0变为-Ud0，当充电电流下降到零时，VT2自行关断，此时VT1继续导通。VT2关断后，电容C经过VD1及VT1反向放电，流过VT1的电流开始减小，当流过VT1的反向放电电流与负载电流相同的时候，VT1关断；此时，电容C继续经过VD1、L2、VD2放电，然后经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，电源停止输出电流，等待下一个周期的触发脉冲到来。VD3为续流二极管，为反电势负载提供放电回路。

图1 斩波主电路原理图
从以上斩波器工作过程可知，控制VT2脉冲出现的时刻即可调节输出电压的脉宽, 从而可达到调节输出直流电压的目的。VT1、VT2的触发脉冲间隔由触发电路确定。斩波器触发电路如图1-27所示，其原理可参见1-3节内容。
实验接线如图2所示，电阻R用D42三相可调电阻，用其中一个900Ω的电阻；励磁电源和直流电压、电流表均在控制屏上。

图2 直流斩波器实验线路图

四、实验内容
(1)直流斩波器触发电路调试。
(2)直流斩波器接电阻性负载。
(3)直流斩波器接电阻电感性负载（选做）。
五、预习要求
(1)阅读电力电子技术教材中有关斩波器的内容，弄清脉宽可调斩波器的工作原理。
(2)学习本教材1-3节中有关斩波器及其触发电路的内容，掌握斩波器及其触发电路的工作原理及调试方法。
六、思考题
(1)直流斩波器有哪几种调制方式?本实验中的斩波器为何种调制方式?
(2)本实验采用的斩波器主电路中电容C起什么作用?
七、实验方法
(1)斩波器触发电路调试
斩波器触发电路由三部分组成，图4为斩波器触发电路的原理图。
第一部分为由幅值比较电路U1和积分电路U2组成一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。电位器RP1用来调节锯齿波的上下位置，电位器RP2用来调节锯齿波的频率（频率从100到700Hz可调）。由于晶闸管的开关速度及LC振荡频率所限，因此在斩波实验中我们一般选用200Hz这一范围。
第二部分是比较器部分。比较器U3输入的一路是锯齿波信号，另一路是给定的电平信号，输出为前沿固定后沿可调的方波信号。改变输入的电平信号的值，则相应改变了输出方波的占空比。

图3 DJK05面板图

图4 斩波器触发电路原理图
第三部分是比较器产生的方波送到4098双单稳电路U4，单稳电路则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图5所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变，输出的脉冲经三极管放大经过脉冲变压器输出。将上述两脉冲分别送至主晶闸管及辅助晶闸管，其中方波前沿触发脉冲G1、K1接主晶闸管VT1，而后沿触发脉冲G2、K2接辅助晶闸管VT2。

a）单稳电路输入波形 b）主晶闸管触发电路 c）辅助晶闸管触发电路
图5 斩波器触发电路输出主、辅脉冲相位关系
调节DJK05面板上的电位器RP1、RP2，RP1调节锯齿波的上下电平位置，而RP2为调节锯齿波的频率。先调节RP2，将频率调节到200Hz~300Hz之间，然后在保证三角波不失真的情况下，调节RP1为三角波提供一个偏置电压（接近电源电压），使斩波主电路工作的时候有一定的起始直流电压，供晶闸管一定的维持电流，保证系统能可靠工作，将DJK06上的给定接入，观察触发电路的第二点波形，增加给定，使占空比从0.3调到0.9。

(2)斩波器带电阻性负载
①按图2实验线路接线，直流电源由电源控制屏上的励磁电源提供，接斩波主电路（要注意极性），斩波器主电路接电阻负载，将触发电路的输出“G1”、“K1”、“G2”、“K2”分别接至VT1、VT2的门极和阴极。
②用示波器观察并记录触发电路的“G1”、“K1”、“G2”、“K2”、波形，并记录输出电压Ud及晶闸管两端电压UVT1的波形，注意观测各波形间的相对相位关系。
③调节DJK06上的“给定”值，观察在不同τ（即主脉冲和辅助脉冲的间隔时间）时Ud的波形，并记录相应的Ud和τ，从而画出Ud=f(τ/T)的关系曲线，其中τ/T为占空比。
τ

Ud

(3)斩波器带电阻电感性负载（选做）
要完成该实验，需加一电感。关断主电源后，将负载改接成电阻电感性负载，重复上述电阻性负载时的实验步骤。
八、实验报告
(1)整理并画出实验中记录下的各点波形，画出不同负载下Ud=f(τ/T)的关系曲线。
(2)讨论、分析实验中出现的各种现象。
九、注意事项
(1)可参考实验六的注意事项 (1)
(2)触发电路调试好后，才能接主电路实验。
(3)将DJK06上的“给定”与DJK05的公共端相连，以使电路正常工作。
(4)负载电流不要超过0.5A，否则容易造成电路失控。