电力电子技术实验大纲

电气信息学院专业中心实验室

2012版
我们需要什么样的专业课实验报告书？

当进入大三以后，会面对很多专业课程的实验项目，如何让这些实验的报告体现出它应该有的“专业”性？

撇开具体的实验内容不谈，实验报告应该具有以下共同的特质：

1．   报告具有尽可能丰富的实验信息。

例如实验的工作条件描述、实验团队的分工构成描述、实验预期结果的描述等等，这些都在为成就一个专业工程师做着有益的铺垫。

2．   实验数据的处理手段应体现专业性。

面对大量的数据计算和分析，必须充分利用信息化手段，请即刻摒弃手绘坐标纸之类的落后方法处理数据，不要让报告失去应有的客观性和专业性。

3．   实验结果不能如同陈列的僵尸躺在报告上，应该赋予它鲜活的血肉和生命力。

l  测试结果（数据或波形图等）应附有明确的测试条件说明，应有足够的量纲标识；

l  实验结果与理论预期的比对是必要的，误差分析应该是实实在在的，不要务虚；

l  实验结果说明了什么？请拿出你的看法，如同一场电影看罢，总会有所评价一样，提炼和升华是学习的终极；

l  对现有实验方案的优劣应有所思考，可以试试提出优化方案或展望；

l  数据结果可以不准确，方案可以不完美，但发自内心原生态的思考是绝对不可或缺的和最最重要的，它是一份报告的价值所在，也为老师所乐见。

4．   一次实验是有限的，但对它的思考应该是无限的。

报告在具备基本要素的前提下，不要太拘泥于固定的模板格式，不要太局限于实验本身的范畴，如果报告上出现了由此而衍生的许许多多，例如扩展仿真实验、扩展的方案讨论、扩展的的器件或设备描述、扩展的应用案例、扩展的…，对于教授者和学业者，就是莫大的幸事。如果你是这样做的，就不用去重复做许多的实验，举一反三即可。

5．   请强化报告的可读性，表现出你的热忱和投入。

写作考虑到读者的体验度了吗？要尽可能的提升条理性和可视性，不要提交一份只有自己才能读懂的报告，当你调用所有的资源和手段投入到这份报告之中时，或许能从中读出你的热情和心血，我就该向你致敬了。

一句话概之，实验报告不仅仅是记录，更应该有思考和扩展……

实验一、单相半控桥整流电路实验

一、     主要内容

1.         实现控制触发脉冲与晶闸管同步；

2.         观测单相半控桥在纯阻性负载时的移相控制特点，测量最大移相范围及输入-输出特性；

3.         观测单相半控桥在阻-感性负载时的输出状态，制造失控现象并讨论解决方案。

二、     方法和要领

1.        实现同步：

u  从三相交流电源进端取线电压Uuw（约230v）到降压变压器（MCL-35）,输出单相电压（约124v）作为整流输入电压u₂；

u  在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管，与整流二极管阵列（共6只）中的两只二极管组成共阴极方式的半控整流桥，保证控制同步，并外接纯阻性负载。

思考：接通电源和控制信号后，如何判断移相控制是否同步？

2.        半控桥纯阻性负载实验：

u  最大移相范围测试：调整控制量uct，测量并记录Ud、a的有效边界值，用数码相机记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形（注意：负载电阻不宜过小，确保当输出电压较大时， Id 不超过0.6A）；

思考：如何利用示波器测定移相控制角的大小？

u  输入-输出特性测试：在最大移相范围内，调节不同的控制量uct，测量控制角 a、输入交流电压u₂、控制信号uct和整流输出Ud的大小，要求不低于8组数据。

3.        半控桥阻-感性负载（串联L=200mH）实验：

u  断开总电源，将负载电感串入负载回路；

u  观测并记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形，观察其特点（Id 不超过0.6A）；

u  固定控制角α在较大值（90^o左右），调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A三种情况测量。注意 Id ≤0.6A），记录电流id波形，观察负载阻抗角的变化对电流id波形的影响趋势；

思考：如何在负载回路获取负载电流的波形？

u  保持控制角α<90^o，调整负载电阻使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角α快速推到180^o），制造失控，记录失控前后的u_d波形，并提出测试方法判断哪一只晶闸管失控。

三、     实验报告要求

1．    实验基本内容（实验项目名称、已知条件及实验完成目标）

2．    实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

3．    实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

4．    实验数据处理（含原始数据记录单、计算结果及工程特性曲线）；

5．    实验综合评估（比较实验与理论数据差异性，分析实验方案、结果的可信度，提出可能的优化改进方案等）；

6．    实验之后进行如下讨论：

u  阐述选择实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据。

u  测绘电阻负载时u_d = f (α)和u_d = f (uct)的实验特性曲线（注：由数据处理软件自动生成），其中将实验u_d = f (α)与理论推算u_d = f (α)特性曲线比较（在同一坐标系内），若存在误差，分析成因。

u  分析阻-感性负载时，为什么电流波形与教材上的有差异？电路能否接纯感性负载（如果具有较大的感抗值）工作，为什么？

u  分析同样的阻—感负载时，本电路与单相全控桥电路的输出电压u_d特征差异，说明原因。

u  若以u_d = f (uct)的实验特性曲线作为该直流受控电源的静态数学模型建模依据——直流电压放大器，试提出建模算法，并核定该模型的近似放大系数Ks≈？

实验二、三相全桥整流及有源逆变实验

一、     主要内容

1.         观测分析整流状态下（阻性负载、阻-感性负载）ud，u_VT波形；

2.         观测分析逆变状态下（阻-感性-反电动势负载）ud，u_VT波形及逆变功率测量；

二、     方法和要领

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≈0^O，60^O，90^O时ud、u_VT波形（注意限制Id≤0.8A）；

2)        α≈0^O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≈0^O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=30^O，90^O时ud、u_VT波形（注意限制Id≤0.8A）；α= 0^O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=60^O，90^O时ud，u_VT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？

三、     实验报告要求：

1.         实验项目名称

2.         实验基本内容（已知条件及实验要求）

3.         实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

4.         实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

5.         实验数据处理（含原始数据清单、计算结果、特性曲线等）；

6.         误差分析（对实验方案、结果进行可信度分析，提出可能的优化改进方案）；

7.         实验之后进行如下讨论：

u  分析比较整流工作时，阻性负载和阻感负载再缺相(丢失一路触发信号)故障下，Ud瞬时波形的差异性？

u  整流状态下阻-感负载时，α=90^O时ud的瞬时波形一定有正负半波对称吗，为什么？

u  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Ud越高，负载电流Id越小？

u  做出Pk = f (Ud)特性曲线，并对其变化趋势作定性分析。

 

实验三  半桥型开关稳压电源的性能研究

一、            主要内容

1．    熟悉PWM专用芯片SG3525的基本功能和应用特色，测试其典型功能端波形；

2．    测试和分析半桥型开关电源在开环和闭环两种模式下的输出性能

二、     主要实验内容和技术要领

i.            PWM控制芯片SG3525的测试

1)      连接：将开关S₁打向“半桥电源”，屏蔽误差调节器反馈输入端。

2)      测试：用示波器分别观察锯齿波振荡器和A（或B）路PWM信号的波形，并记录波形的频率和幅值，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其占空比可调范围(最大、最小占空比)。

3)      连接：断开主电路和控制电路的电源，将光电藕输出信号端与半桥电路中的Power-MOSFET管正确相连。

4)      测试：接通控制电路电源开关“S₂”，观察Power-MOSFET管VT₁的栅极G和源极S间的电压波形，记录波形周期宽度T、幅值U_GS及上升t_r、下降时间t_f。

ii.            构成开环电压系统向负载供电

1)      连接：断开主电路和控制电路的电源，将“主电源1”将直流电压输出至半桥电路的输入端，连接半桥输出负载R1+R2（负载电阻为33Ω）。

2)      测试：调节“脉冲宽度调节”电位器，记录不同占空比（不低于8组数据）时输出电源电压u_o大小；

iii.            构成闭环电源系统，测试稳压性能

1)        连接：开放误差调节器反馈输入端，从“半桥型开关稳压电源”输出端“13”取电压反馈信号连至SG3525的反馈输入“2”端，并将“半桥型稳压电源”的“9”端和“PWM波形发生”的地端相连（共地）：

2)        测试：半桥输出回路“9”，“11”端连通（负载电阻为3Ω），调节PWM占空比使电源输出端电压u₀为5V；然后断开“9”，“11”端连线，连接“9”，“12”端（负载电阻改变至33Ω），测量输出电压u₀的值，计算负载强度变化十倍时的电压调整率（抗负载变化的电压稳定能力）：

断开输出端“13”电压反馈信号，重新屏蔽误差调节器反馈输入端，回复到开环状态，重复上述3Ω和33Ω不同负载时“5V”输出电压的电压调整率。与闭环系统的结果进行比较。

三、     实验报告要求

1．    实验项目名称

2．    实验基本内容（已知条件及实验要求）

3．    实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

4．    实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

5．    实验数据处理（含原始数据清单、计算结果及工程特性曲线，注：利用数据处理软件自动生成）；

6．    误差分析（分析方案、方法、仪器、操作等可能带入的必然、偶然误差因素）；

7．    实验之后：

l  根据实验数据，生成开环时Uo=f (σ%)的函数曲线（负载为R₁+R₂，不少于8组数据点）

l 

为什么在2、3步要分别将“PWM波形发生”的“3”，“4”两点短接或断开？分析闭环后的稳压控制是如何实现的。

l  在系统开环工作状态下，当PWM占空比σ% < 25%时，记录变压器原边电压波形和VT₁的驱动信号波形，判断它们是否同步，并分析原因。（选作）

 

 

第二篇：电力电子技术实验大纲(20xx-10-12)

实验一、单相半控桥整流电路实验

一、     主要内容

1.         实现控制触发脉冲与晶闸管同步；

2.         观测单相半控桥在纯阻性负载时ud，u_VT波形，测量最大移相范围及输入-输出特性；

3.         单相半控桥在阻-感性负载时，测量最大移相范围，观察失控现象并讨论解决方案；

二、     方法和要领

1.        实现同步：

u  从三相交流电源进端取线电压Uuw（约230v）到降压变压器（MCL-35）,输出单相电压（约124v）作为整流输入电压u₂；

u  在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管，与整流二极管阵列（共6只）中的两只二极管组成共阴极方式的半控整流桥，保证控制同步，并外接纯阻性负载。

思考：接通电源和控制信号后，如何判断移相控制是否同步？

2.        半控桥纯阻性负载实验：

u  连续改变控制角a，测量并记录电路实际的最大移相范围，用数码相机记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形（注意：负载电阻不宜过小，确保当输出电压较大时， Id 不超过0.6A）；

思考：如何利用示波器测定移相控制角的大小？

u  在最大移相范围内，调节不同的控制量，测量控制角 a、输入交流电压u₂、控制信号uct和整流输出Ud的大小，要求不低于8组数据。

3.        半控桥阻-感性负载（串联L=200mH）实验：

u  断开总电源，将负载电感串入负载回路；

u  连续改变控制角α，记录α最小、最大和90^o时的输出电压u_d波形，观察其特点（Id 不超过0.6A）；

u  固定控制角α在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A值下测量。注意 Id ≤0.6A），并记录电流Id波形，观察负载阻抗角的变化对电流Id的滤波效果；

思考：如何在负载回路获取负载电流的波形？

u  调整控制角α或负载电阻，使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角α快速推到180^o），制造失控现象，记录失控前后的u_d波形，并思考如何判断哪一只晶闸管失控；

三、     实验报告要求

1．    实验基本内容（实验项目名称、已知条件及实验完成目标）

2．    实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

3．    实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

4．    实验数据处理（含原始数据记录单、计算结果及工程特性曲线，）；

5．    实验综合评估（对实验方案、结果进行可信度分析，提出可能的优化改进方案）；

6．    思考：

u  阐述选择实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据。

u  测绘电阻负载时u_d = f (α)和u_d = f (uct)的实验特性曲线（注：由数据处理软件自动生成），其中将实验u_d = f (α)与理论推算u_d = f (α)特性曲线比较（在同一坐标系内），若存在误差，分析成因。

u  分析阻-感性负载时，为什么减小负载电阻输出电流的波形越趋平稳？基于有较大的感抗值，电路能否接纯感性负载工作，为什么？

u  分析同样的阻感负载时，本电路与单相全控桥电路的输出电压u_d特征差异，说明原因。

u  若以u_d = f (uct)的实验特性曲线作为控制电源的静态模型建模依据，该电源的近似放大系数Ks≈？

我们需要什么样的专业课实验报告书？

当进入大三以后，会面对很多专业课程的实验项目，如何让这些实验的报告体现出它应该有的“专业”性？

撇开具体的实验内容不谈，实验报告应该具有以下共同的特质：

1．   报告具有尽可能丰富的实验信息。

例如实验的工作条件描述、实验团队的分工构成描述、实验预期结果的描述等等，这些都在为成就一个专业工程师做着有益的铺垫。

2．   实验数据的处理手段应体现专业性。

面对大量的数据计算和分析，必须充分利用信息化手段，请即刻摒弃手绘坐标纸之类的落后方法处理数据，不要让报告失去应有的客观性和专业性。

3．   实验结果不能如同陈列的僵尸躺在报告上，应该赋予它鲜活的血肉和生命力。

l  测试结果（数据或波形图等）应附有明确的测试条件说明，应有足够的量纲标识；

l  实验结果与理论预期的比对是必要的，误差分析应该是实实在在的，不要务虚；

l  实验结果说明了什么？请拿出你的看法，如同一场电影看罢，总会有所评价一样，提炼和升华是学习的终极；

l  对现有实验方案的优劣应有所思考，可以试试提出优化方案或展望；

l  数据结果可以不准确，方案可以不完美，但发自内心原生态的思考是绝对不可或缺的和最最重要的，它是一份报告的价值所在，也为老师所乐见。

4．   一次实验是有限的，但对它的思考应该是无限的。

报告在具备基本要素的前提下，不要太拘泥于固定的模板格式，不要太局限于实验本身的范畴，如果报告上出现了由此而衍生的许许多多，例如扩展仿真实验、扩展的方案讨论、扩展的的器件或设备描述、扩展的应用案例、扩展的…，对于教授者和学业者，就是莫大的幸事。如果你是这样做的，就不用去重复做许多的实验，举一反三即可。

5．   请强化报告的可读性，表现出你的热忱和投入。

写作考虑到读者的体验度了吗？要尽可能的提升条理性和可视性，不要提交一份只有自己才能读懂的报告，当你调用所有的资源和手段投入到这份报告之中时，或许能从中读出你的热情和心血，我们就该向你致敬了。

一句话概之，实验报告不仅仅是记录，更应该有思考和扩展……

实验二、三相全桥整流及有源逆变实验

四、     主要内容

1.         观测整流状态下阻性负载、阻-感性负载时ud，u_VT波形；

2.         观测逆变状态下（阻-感性-反电动势负载）ud，u_VT波形及逆变功率测量；

五、     方法和要领

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(450W)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≈0^O，60^O，90^O时ud、u_VT波形（注意限制Id≤0.6A）；

2)        α≈0^O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≈0^O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=30^O，90^O时ud、u_VT波形（注意限制Id≤0.6A）；α=60^O封锁分别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=60^O，90^O时ud，u_VT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，三相全控桥输出等效电阻Rn=12 W。

六、     实验报告要求：

1.         实验项目名称

2.         实验基本内容（已知条件及实验要求）

3.         实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

4.         实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

5.         实验数据处理（含原始数据清单、计算结果、特性曲线等）；

6.         误差分析（分析方案、方法、仪器、操作等带入的必然、偶然误差因素）；

7.         特别要求：

u  分析比较整流工作时，阻性负载和阻感负载再缺相(丢失一路触发信号)故障下，Ud瞬时波形的差异性？

u  整流状态下阻-感负载时，α=90^O时ud的瞬时波形就一定有正负半波对称吗，为什么？

u  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Ud越高，负载电流Id越小？

u  对Pk = f (Ud)曲线结果作趋势分析。

 

实验三  半桥型开关稳压电源的性能研究

一、            主要内容

1．    熟悉PWM专用芯片SG3525的基本功能和应用特色，测试其典型功能端波形；

2．    测试和分析半桥型开关电源在开环和闭环两种模式下的输出性能

二、     主要实验内容和技术要领

i.            PWM控制芯片SG3525的测试

1)      连接：将开关S₁打向“半桥电源”，屏蔽误差调节器反馈输入端。

2)      测试：用示波器分别观察锯齿波振荡器和A（或B）路PWM信号的波形，并记录波形的频率和幅值，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其占空比可调范围(最大、最小占空比)。

3)      连接：断开主电路和控制电路的电源，将光电藕输出信号端与半桥电路中的Power-MOSFET管正确相连。

4)      测试：接通控制电路电源开关“S₂”，观察Power-MOSFET管VT₁的栅极G和源极S间的电压波形，记录波形周期宽度T、幅值U_GS及上升t_r、下降时间t_f。

ii.            构成开环电压系统向负载供电

1)      连接：断开主电路和控制电路的电源，将“主电源1”将直流电压输出至半桥电路的输入端，连接半桥输出负载R1+R2（负载电阻为33Ω）。

2)      测试：调节“脉冲宽度调节”电位器，记录不同占空比（不低于8组数据）时输出电源电压u_o大小；

iii.            构成闭环电源系统，测试稳压性能

1)        连接：开放误差调节器反馈输入端，从“半桥型开关稳压电源”输出端“13”取电压反馈信号连至SG3525的反馈输入“2”端，并将“半桥型稳压电源”的“9”端和“PWM波形发生”的地端相连（共地）：

2)        测试：半桥输出回路“9”，“11”端连通（负载电阻为3Ω），调节PWM占空比使电源输出端电压u₀为5V；然后断开“9”，“11”端连线，连接“9”，“12”端（负载电阻改变至33Ω），测量输出电压u₀的值，计算负载强度变化十倍时的电压调整率（抗负载变化的电压稳定能力）：

断开输出端“13”电压反馈信号，重新屏蔽误差调节器反馈输入端，回复到开环状态，重复上述3Ω和33Ω不同负载时“5V”输出电压的电压调整率。与闭环系统的结果进行比较。

三、     实验报告要求

1．    实验项目名称

2．    实验基本内容（已知条件及实验要求）

3．    实验条件描述（主要设备仪器的名称、型号、规格等；小组人员分工：主要操作人、辅助操作人、数据记录人和报告完成人）

4．    实验过程描述（含每个步骤的实验方法、电路原理图、使用仪器名称型号、使用量程等）；

5．    实验数据处理（含原始数据清单、计算结果及工程特性曲线，注：利用数据处理软件自动生成）；

6．    误差分析（分析方案、方法、仪器、操作等可能带入的必然、偶然误差因素）；

7．    特别要求：

l  根据实验数据，生成开环时Uo=f (σ%)的函数曲线（负载为R₁+R₂，不少于8组数据点）

l 

为什么在2、3步要分别将“PWM波形发生”的“3”，“4”两点短接或断开？分析闭环后的稳压控制是如何实现的。

l  在系统开环工作状态下，当PWM占空比σ% < 25%时，记录变压器原边电压波形和VT₁的驱动信号波形，判断它们是否同步，并分析原因。（选作）