实验一  控制电路及交流调压实验

一、实验目的和要求

         本实验是利用单结晶体管来构成的最简单的控制电路。但具有触发电路的四要素，这种电路的中小功率电路中仍广泛使用。

1. 每一个人都必须学会制作单结晶体管控制电路，以实现对小功率电力电子电路的控制，通过实验学习触发电路的设计及测量方法。

2. 了解脉冲变压器在可控硅触发电路中的应用，学习脉冲变压器的制作及同名端的测试方法。

3. 学习双向晶闸管在调压电路中的应用，在制作简单的控制电路的基础上，完成用双向晶闸管实现交流调压，用来控制灯光的亮度。

二、实验内容            

    1．单结晶体管BT33构成的控制电路调试，记录各级波形，形成控制脉冲。

    2．单相交流调压电路调试，实现灯光亮度调节。

三、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明）

1．单相或三相电源变压器一台。

2．模拟或数字示波器一台。

3．单结晶体管、可控硅及实验板一套。

四、实验原理

1．把交流电整流成脉动直流电，再经过二极管限幅，形成同步梯形波，再把此电压加给电容器，使其充电，当其电压到达单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导通，电容器放电。我们正是利用单结晶体管BT33的负阻区形成触发脉冲，如图1所示。

2．双向晶闸管具有双向调节电压的的作用，图2的上半部分给出了双向晶闸管调压电路，所采用的双向晶闸管是BT136塑封管，其管脚图如图2的右下角BT136管脚的正视图，有字一面正对自己，最左边的为第一脚是门极，最右边的一脚是T1极，中间的是T2极。

3．利用单结晶体管BT33在负阻区形成触发脉冲作为控制信号，加在门极和T1极上去控制双向晶闸管工作，使其在交流电的正半周和负半周各有一段时间不导通，控制不导通的时间长短就达到了调压调光目的。

4． 利用示波器找出脉冲变压器的同名端，目的是把正极性的控制信号加到可控硅的门极上，图中有黑点的端为同名端。

五、实验方法与步骤

1．图1的电路给出了控制电路的几种形式，包括了了脉冲形成电路、同步电路、移相电路、输出电路等。同学们可参照图1的电路在面包板上插接电路：

1）先用整流桥搭接整流电路，把交流电整流成脉动直流电，通电后观察并在座标纸上记录A点显示的波形；

2）断电后串电阻接上稳压二极管，经过二极管限幅，形成同步梯形波；再加电测量并记录B点显示的同步梯形波波形；

3）断电后插上R2、R3、W1、C1、BT33和R4，再加电后用示波器测量C点、D点波形，看C点是否是锯齿波，D点有无脉冲输出。

4）若有波形，看脉冲多少，应控制脉冲在5~20个之间，并调节W1，看锯齿波的个数有无增加或减少，有变化为正常。正常后调节到脉冲较少时记录波形，注意用双踪示波器对应测量C点和D点波形，观察D点的脉冲是在锯齿波的上升边还是在锯齿波的下降沿。

5）去掉电阻R4，换上脉冲变压器B，

（1）测量变压器输出头的同名端，方法是用示波器探头的接地端接一个输出头，用示波器探头接另一个输出头，若输出脉冲为正极性则示波器探头所接的输出头为同名端，如图2中脉冲变压器B中分别带点的输出头。

（2）测量输出脉冲的波形，这时脉冲的波形有正有负，这是由于脉冲变压器的电感引起的。并上反向二极管，可去掉负半边。

2．图2给出了单结晶体管控制电路组成的调光电路。这里包括了调光主回路用的双向晶闸管BT136和发光元件普通的220V/40W灯泡。从图上显而易见脉冲变压器同名端是接到了BT136的门极上（这就是同名端的用处）。

1）控制电路调整好后，接上双向晶闸管BT136，连上40W灯泡；

2）查看无误后再把BT136的T2端接到变压器的110伏输出的一个端子上，40W灯泡的另一端接到变压器的110伏输出的另一个端子上。

3）最后接上控制脉冲信号，脉冲变压器的同名端接BT136的G极，另一端接BT136的T1端。

4）通电，灯泡应该亮，若不亮，用示波器查看控制脉冲有无、BT136好坏、电源接通与否；

5）正常后，调节W1，灯泡的亮度应随着调节而变化；

6）测量并记录可控硅两端的波形和负载灯泡两端的波形（分别标明BT136导通段和截止段）。

六、实验报告要求

1．列出实验所用设备和仪表；

2．画出测量各点的波形（时间上要对应）；

3．回答思考题；

4．列出实验中遇到的问题，说明产生的原因，是如何解决问题的；

5．实验报告要附上原始记录。

七、实验注意事项

1．安全用电，注意个人和他人安全；

2．不要带电移动测量线，以免形成短路。

八、参考资料

1．如图3所示的电路，右边给出了单结晶体管形成的振荡电路波形。Uz为梯形波，Uc为电容器两端的波形，当电容器充电到转折电压Up时，单结晶体管导通进入负阻区，电容器上电压下降，当其降到谷点电压Uv时，单结晶体管截止。在单结晶体管导通期间在脉冲变压器初级上形成一个窄脉冲，就是所谓的控制脉冲。

2．当Re较小时，电容器上电压上升到Up的时间短，振荡频率高，在半周期内产生的脉冲多，这样第一个脉冲相对于交流电过零点往后推迟的时间就短，相对应的电角度就小。当Re较大时，电容器上电压上升到Vp的时间长，振荡频率低，半周期内产生的脉冲少。这样第一个脉冲相对于交流电过零点往后推迟的时间就长，相对应的电角度就大。

3．从图中可以看出，当Re较小时，产生的脉冲相对于交流电过零点延长的时间短，当Re较大时，产生的脉冲相对于交流电过零点延长的时间长。

九、讨论与思考 

1．晶闸管的控制电路由哪几部分组成？

2．Re变得太大或太小时都可以使单结晶体管停振，为什么？

3．要使振荡频率升高，Re是变大还是变小？

实验二  单相半桥可控整流电路实验

一、实验目的和要求

   从简单的单相半桥可控整流电路开始，

1．通过单相半桥可控整流电路实验，使同学们了解普通晶闸管的工作情况和和运行机理，为后面深入学习了三相整流和逆变打下良好基础。

2．通过制作单相半桥可控整流电路的主回路和控制回路，使同学们在强电电路制作上更上一层楼，同时可测量电路的负载特性，电路对不同的负载呈现出不同的输出表明了电力电子电路的复杂性。

二、实验内容            

1．测量电阻负载下不同α角整流输出电压波形和晶闸管两端电压波形；

2．测量电阻、小电感负载下不同α角整流输出电压波形和晶闸管两端电压波形；

3．测量电机负载下不同α角整流输出电压波形和晶闸管两端电压波形；

4．测量电机、大电感负载下不同α角整流输出电压波形和晶闸管两端电压波形；

    5．测量纯电感负载下不同α角整流输出电压波形和晶闸管两端电压波形。

三、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

1．单相或三相电源变压器一台；

2．模拟或数字示波器一台；

3．普通晶闸管、功率二极管、直流电机及实验板一套。

四、实验原理

1．把交流电通过单相半桥可控整流成脉动直流电，然后直接供给各种形式的负载。台图4电路，DT1和DT3是普通晶闸管BT151，我们只要控制DT1和DT3导通，就可以实现控制输出电压的目的。电路中DT1和DT3控制导通，D2和D4过零导通。

2．实验中用到的普通晶闸管BT151的管脚如图4中右下角所示。正视（有字一面正对自己），最左边的为第一脚是门极，最右边的为第三脚是阴极K，中间的是阳极A。

五、实验方法与步骤

1．图4的电路给出了主回路的几种负载形式，纯电阻负载（灯泡）、电感负载、电阻加电感负载、直流电机负载、直流电机加大电感负载。同学们可参照图1的电路在面包板上插接控制电路，然后搭接主回路：

1）先用整流桥、稳压二极管、R2、R3、W1、C1、BT33、脉冲变压器等在面包板上搭接脉冲电路形成可调节移相角的控制脉冲。（原电路好就省略这一步）

2）用BT151两只和两只二极管在面包板上搭接整流电路的主回路。接上电阻负载，本实验中用25W灯泡。

3）加30V电压，测量好输出脉冲变压器的同名端，保证相对于BT151的阴极来说，门极加的是正信号。

4）再加110V电压给主回路，调节W1若有波形，灯泡应亮且亮度可以调节。

（1）观察测量并记录负载上的电压波形；

（2）观察测量并记录晶闸管上的电压波形。

（注：记录波形要用座标纸，负载上的电压波形与晶闸管上的电压波形在时间上要对应）

5）断开灯泡一端，串上小电感：

（1）观察测量并记录负载上的电压波形；

（2）观察测量并记录晶闸管上的电压波形。

6）在灯泡一端串上大电感后

（1）观察测量并记录负载上的电压波形，分析波形不连续的原因；

（2）观察测量并记录晶闸管上的电压波形。

7）去掉所有负载，串大电感接上直流电机

（1）观察测量并记录电机上的电压波形；

（2）观察测量并记录晶闸管上的电压波形。

六、实验报告要求

1．列出实验所用设备和仪表；

2．画出测量各点的波形（时间上要对应）；

3．回答思考题；

4．列出实验中遇到的问题，说明产生的原因，如何解决问题的；

5．实验报告要附上原始记录。

七、实验注意事项

1．电路装好后两人互相检查，无误后才能加主回路的110V电压；

2．用双踪探头测量时要注意示波器的地线只能接一个地。

八、参考资料

图5中经出了单相桥式可控整流电路的输出电压波形。

1．当控制角α=α1时，输出电压波形如图正半周的第一个180度中的深角部分；

2．当控制角α=α2时，输出电压波形如图正半周的第二个180度中的深角部分，显见α增大，输出电压的面积减少；

3．当控制角α=α3时，输出电压波形如图交流电的第三个180度中的深角部分，显见α再增大，输出电压的面积变得很难小。

九、讨论与思考         

1．若把图4 中的D2和D4也换成晶闸管，则控制电路应如保证在交流电的正半周和负半周同时控制两个晶闸管导通？

2．电路的特性有无变化？

实验三  三相桥式整流电路实验（选）

一、实验目的和要求

   从简单的三相不可控整流电路开始，

1．用示波器观察三相整流的输出电压波形，在普通二极管下三相整流电路的输出直流电压是6个波头的波形，观察各个二极管工作情况，掌握示波器两探头工作的正确测量方法；

2．研究三相整流电路缺相工作情况；

3．观察三相全桥整流电路工作的自然换相问题，明白自然换相角的起点。为学习三相可控整流打下基础。

二、实验内容            

1．测量电阻负载下的输出波形。

2．测量电阻负载下三相整流电路缺相情况下的输出波形。

3．测量电阻负载下晶闸管两端电压波形。

三、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

1．三相电源变压器一台；

2．模拟或数字示波器一台；

3．功率二极管及实验板一套。

四、实验原理

如图6 所示的三相整流电路，把交流电通过6个二极管构成的三相桥式整流电路，其二极管接照D1D2、D2D3、D3D4、D4D5、D5D6、D6D1的顺序导通。共阴极的二极管每个管子导通120度，共阳极的管子也各导通120度。任何时候共阴极有一个管子导通，且共阳极也有一个管子导通，每隔60度有一个管子换相，共导通120度。

五、实验方法与步骤

1．图6的电路给出了三相桥式整流电路的主回路。同学们可参照图6的电路在面包板上搭接主回路：

1）先用6个二极管1N4004（或1N4007）在面包板上搭接三相桥式整流电路

2） u _a接到D1和D4的中点上； u _b接到D3和D6的中点上； u _c接到D5和D2的中点上

3）接上电阻负载（25W灯泡）

4）加电用示波器测量并记录：

（1）负载两端压降和波形

（2）二极管D1两端电压

5）人为去掉一相电压，用示波器测量并记录负载两端压降和波形

六、实验报告要求

1．列出实验所用设备和仪表

2．画出输出测量的波形和二极管上电压波形（时间上要对应）

3．回答思考题

4．列出实验中遇到的问题，说明产生的原因，如何解决问题的。

5．实验报告要附上原始记录

七、实验注意事项

1．双探头工作时

2．电路是在面包板上连接的，通过的功率不能大。

八、讨论与思考         

1．人为去掉一相电压，示波器上电压波形和单相整流有什么区别？

2．各相上二极管是什么时间开始导通的（以共阴极三个二极管为例）？
     实验四  三相桥式可控整流电路实验

一、实验目的和要求

 通过三相全桥可控整流实验掌握三相电路中电流的流向及负载特性，进一步理解晶闸管的驱动电路在桥式电路中的的作用特点。

1．学会用示波器观察三相桥式电路中田闸管的工作波形来了解晶闸管的工作状况

2．根据实验，研究电路在不同负载下的特性

3．验证晶闸管导通角与负载的关系及三相桥式整流电路中平均电压的计算公式

二、实验内容

    1．调试三相可控整流电路

2．调试和测量三相可控整流电路的控制回路实验板

3．测量三相桥式整流电路电阻负载下不同α角的输出电压的波形和有效值

4．测量三相桥式整流电路电阻负载下不同α角的晶闸管两端电压波形

5．测量三相桥式整流电路电机负载下不同α角的输出电压波形和有效值

6．测量三相桥式整流电路电机负载下不同α角的晶闸管两端电压波形

三、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

1．三相变压器一台、三相同步变压器一台、可控硅实验盒一台，三相电实验台

2．模拟或数字示波器一台

3．350W直流电机一台（包括220V激磁电源一台）

4．数字或模拟三用表一只

四、实验原理 （黑体小四号）

1．三相可控整流电路是由共阴极的三相半桥和共阳极的三相半桥组成的。实验电路分为主回路和控制回路，主回路由6个晶闸管组成，控制回路由TA787A集成电路芯片为主的控制电路板来完成的。

2．三相电源和三相同步信号是经过CZ1插座引入到可控硅实验盒中，三相电源再经交流接触器J1引入到主回路上，三相同步电源是经CZ1直接引入，另外CZ1还引入了双15V的交流电源，用以在控制板上形成正负15V直流电源供给集成电路工作。

3．控制电路板是把三相30V的同步信号形成三相同步锯齿波，通过TA787A集成电路芯片产生六路双脉冲控制信号，经过放大，再经脉冲变压器隔离驱动六个晶闸管工作。

4．控制板是插入在CZ2的插座上。其产生的6路双脉冲信号，经过放大通过CZ2直接加到6 个脉冲变压器上，经隔离后加到六个晶闸管的门极上。6路脉冲信号是按照DT1-DT2、DT2-DT3、DT3-DT4、DT4-DT5、DT5-DT6、DT6-DT1、DT1-DT2的顺序循环供给6个晶闸管，6个晶闸管则按照这个顺序循环工作，每60度有一个晶闸管换相，每个晶闸管各导通120度，完成三相整流工作。调节α角就调节了延迟时间，也就调节了输出电压的值。

5．整流输出的直流电源也是经CZ1插座输出的，如图8所示。

五、实验方法与步骤

1．如图7线路和图8实物图，插上CZ1插头和J2插头。

1）合上电源开关，三相变压器工作，控制板上已有三路30V的同步电压，

2）按下K0自锁开关，K0上指示灯亮，接触器吸合，再按一下K开关，接触器断开，即断开给晶闸管的供电电源。

2．测量控制板

1）测量三路控制脉冲波形：

（1）用示波器双路探头测量控制板上的三路锯齿波，记录比较三路锯齿波的相位，

（2）打开禁止钮子开关，用示波器双路探头测量实验盒上的六个测试点，测量脉冲变压器输入端的脉冲电压波形，比较其相位关系（测量时按照管子1-2-3-4-5-6-1的顺序比较测量，看是否在驱动DT1的时候也给DT6的门极加上驱动信号，驱动DT2的时候也给DT1的门极加上驱动信号------）每隔60度应有两个对应的晶闸管工作。

（3）用一路探头测量各个门极的驱动信号（注意要断开另一个探头的地线！！）

2）测量相移角α

双踪示波器一个探头接A相锯齿波，另一个探头接A相的双脉冲信号，调节α角调节旋钮，查看双脉冲相对于180度的锯齿波移相了多少即测量了相移角α。

3．测量电路电阻负载下的输出特性

1）接灯负载，用示波器观看并记录电阻负载两端的输出电压波形

2）固定灯负载的大小，测量不同α下输入电压和输出电压的有效值记录于下表：

3）根据测量值作U_d=f (α)关系曲线。

4）用示波器观看并记录电阻负载下晶闸管两端的电压波形

4．测量直流电机负载下的输出特性

1） 把输出直流电压通过电流表接直流电动机，用示波器观看电机负载下的输出波形，调节α角观察并记录输出波形

2）固定电机负载的大小，测量不同α角下输入电压和输出电压的有效值并记录于下表：

3）根据测量值作U_d=f (α)关系曲线。

4）用示波器观看、记录电机负载下晶闸管两端的电压波形并与灯负载的波形比较。

5．测量直流电机+大电感负载下的输出特性

1） 把输出直流电压通过电流表接直流电动机，用示波器观看电机负载下的输出波形，调节α角观察并记录输出波形

2）固定电机负载的大小，测量不同α角下输入电压和输出电压的有效值并记录于下表：

3）根据测量值作U_d=f (α)关系曲线。

4）用示波器观看、记录电机负载下晶闸管两端的电压波形并与灯负载的波形比较。

六、实验报告要求

1．列出实验所用设备和仪表

2．画出几种负载下测量的波形（时间上要对应）

3．回答思考题，作U_d=f (α)关系曲线。

4．列出实验中遇到的问题，说明产生的原因，如何解决问题的。

5．实验报告要附上原始记录

七、实验注意事项

1．控制脉冲相序不对时不要接通主回路

2．随时观察各晶闸管的运行状态，发现晶闸管过热时及时关上主回路电源

3．给直流电机加电前要先给电机加上激磁电源，以防电机“飞车”造成事故。

八、参考资料

1．图9给出了双脉冲波形形成电路TA787A的电路框图。TC787A是集成度更大的集成触发电路。其内部的功能相当于三个KJ004、一个KJ042和一个KJ041组成的全部功能。

主要适用于三相全控、三相半控、三相过零等移相触发电路，以构成多种调压、调速和变流设备。具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。

（1）电路组成：TC787A的内部组成部分见图9，由同步过零和极性检测电路、锯齿波形成电路、锯齿波比较电路、抗干扰锁定电路、脉冲形成电路和脉冲分配电路等组成。

（2）电路原理：三相同步电压经过T型网络分别进入各自的过零检测及极性检测电路，判别出零点和极性后，在14、15、16脚上接的积分电容器上积分形成锯齿波，电路采用集中式恒流源供电，相对误差极小，锯齿波有良好的线性。产生的锯齿波以不平顶且幅度大为宜。（幅度小时可减小电容量，产生平顶要增大电容量）。

锯齿波在比较电路中与移相电压比较取得交点。移相电压在外电路形成，通过4脚加入到比较器上。

抗干扰电路具有锁定功能，使在交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不能影响输出脉冲的的相位。

（3）图10给出了TC787A集成电路的各管脚对应的输入同步电压波形、同步锯齿波波形及三相的相位关系、以及在两种工作方式下的输出脉冲电压波形及输出脉冲的相位关系。图中分为三个部分，封锁状态下，无封锁时的三相半桥应用的单脉冲和无封锁时的三相全桥应用的双脉冲工作状态。

九、讨论与思考          学生从一个实验可以做的引申、扩展。

1．三相桥式可控整流输出六个波头，要想输出12个波头的直流电，应该怎样实现（要做哪些工作）？

2．三相桥式可控整流电路在一相控制脉冲未能加上时，电路还能不能正常工作，输出电压将是怎样？

3．若一只晶闸管不能导通，可能是哪儿出问题了？

实验五   无源逆变（变频调速）实验

一、实验目的和要求

        本实验是利用台湾公司生产的P189变频器来完成的，目的是使学生通过实验，明白变频器用途、使用方法、基本结构和实际电路形式，加深对无源逆变电路原理的理解。要求同学们

1．掌握三相无源逆变电路的工作原理及调速特性

2．学会用示波器观察SPWM波形，了解GTR和IGBT的工作状况

3．理解电动机的小电压工作特性和变频器对其性能的改变

二、实验内容           

    1．当负载不变时，测量交流电机输入电源的频率与转速的关系，作频率、转速曲线。

2．观察输入电机电源（变频器输出电源）的三相波形之间的相位关系、电压幅度与频率的关系

3．间接观察SPWM的波形

三、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

1．变频器P189      一台

2．交直流电机组     一套

3．测量转接板       一块

4．模拟或数字示波器 一台

5．数字转速表       一只

四、实验原理

1．实验原理图见图11，变频器输入三相交流电，经二极管不可控整流成一直流电，经电容器滤波，形成电压型逆变器。变频器内的计算机产生SPWM信号，按照三相交流电的规律供给六个GTR或IGBT工作，在U、V、W处输出变频电源供给三相异步电动机。

2．调节频率调节电位器，可调节输出电源的频率

3．转接测量板是专门用来测量变频器输出电压的。电路用了9只电阻构成分压电路，接成Y型接法连接到变频器的输出U、V、W相上。用4 个滤波电容器滤去输出电压的高频分量。平时O1、O2、O3三点并不连接在一起，对电源无影响，当需要测量时，把 O1、O2、O3三点连接起来成为中点。

4．测量时，用示波器探头地线接 O1、O2、O3三点连接起来的中点，探头接A点测量电压是W相的电压的分压，经电容器C1滤波，可以看到是正弦波。

用双踪示波器一探头接A点，另一探头接B点，同学们可以比较输出电压的相位关系。

用双踪示波器一探头接A点，另一探头接C点，同学们可以看到A点输出电压为正弦波，但C点输出电压是一组高低座落有置的脉冲电压。但有些地方亮度高，有些地方亮度低，这就是所谓的SPWM波形（只不过本来SPWM波是在GTR的基极上，我们是通过GTR的输出来间接测量的）。

5．在接线柱A和D之间接有0.1Ω电阻可作为测量该相电流用，电路正常工作时可用短路线将电阻短接，其它两相也一样。

五、实验方法与步骤

1．电路连接：

1）按图11的示意，输入三相电源接到三相电实验台上的A、B、C三相电源上

2）U、V、W接到测量转接板的a、b、c 三个接通线柱上

3）三相异步电动机接到d、 e 、f 三个接线柱上

4）启动电机：图12给出了P189面板示意图。电路连接好，检查无误后，把如图12上的开关搬到工作位置，合上三相电闸刀后，面板上有指示。但电机并不转动，这是因为图12面板上的工作开关并没有在工作位置上。使工作开关在工作位置上，转动速度调节旋钮，频率指示当前的工作频率，电机转动。

2．电压频率测量

用示波器探头地线接 O1、O2、O3三点连接起来的中点，探头接A点测量电压是W相的电压的分压，经电容器C1滤波，可以看到是正弦波。

另用双踪示波器一探头接A点，另一探头接B点，同学们可以比较两相互间输出电压的相位关系，并记录电压波形和幅值

用双踪示波器一探头接A点，另一探头接C点，同学们可以看到C相的波形杂乱，无法看清。试与PWM开关信号进行比较。

3．速度测量

   速度测量用数字转速表来进行。手拿数字转速表，按下左边的按钮，使数字转速表发出的光对准电机轴上的反光贴，在数字转速表上读出稳定的转速。

1）接电机负载，用数字转速表记录电机负载的转速

3）根据测量值作n=f (f)关系曲线。

六、实验报告要求

1．列出实验所用设备和仪表

2．画出测量的电压波形（时间上要对应）

3．回答思考题，作n=f (f)关系曲线。

4．列出实验中遇到的问题，说明产生的原因，如何解决问题的。

5．实验报告要附上原始记录

七、实验注意事项

1．测量中不要在转接板上出现短路（这里是高电压）。

2．随时观察变频器的运行状态，发现有问题时先关上主回路电源，防止烧毁变频器。

3．测量转速时不要把数字转速表碰到电机轴上的连接器（发光头离电机轴上的连接器约10厘米）。

八、参考资料

（略）

九、讨论与思考         

1．三相逆变器的输出电压是否是三相正弦交流电？用测量的结果回答。

2．若想使输出电压的频率大于50HZ，设想要改变电路中的什么参数？