电力电子技术实验内容

实验一 认知实验

1．实验目的

（1）熟悉并了解MCL-? 电机电力电子及电气传动教学实验台的构成；各功能区及主要挂箱的工作原理

（2）熟悉并掌握实验用测试仪表如：数字万用表，数字记忆示波器的基本使用方法。

 

一．MCL-? 电机电力电子及电气传动教学实验台特点

（1）采用组件式结构，可根据不同内容进行组合，故结构紧凑，能在一套装置上完成《电力电子学》，《电力电子器件》，《开关电源》等课程的主要实验。

（2）实验配合教学内容，满足教学大纲要求。控制电路全部采用模拟和数字集成芯片，可靠性高，维修，检测方便。触发电路采用数字集成电路双窄脉冲。

（3）装置具有较完善的过流、过压、RC吸收、熔断器等保护功能，提高了设备的运行可靠性和抗干扰能力。

（4）面板上有多只发光二极管指示每一个脉冲的有无和熔断器的通断。触发脉冲可外加，也可采用内部的脉冲触发可控硅，并可模拟整流缺相和逆变颠覆等故障现象。

二．实验挂箱

（1）MCL-01  触发电路，电流互感器，电压互感器,过流保护，给定，电流反馈

（2）MCL-02  Ⅰ组晶闸管，Ⅱ组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸收,二极管三相整流桥，晶闸管状态指示

（3）MCL-03  速度变换器，转速调节器，电流调节器

（4）MCL-04  反号器，转矩极性鉴别器，零电流检测器,逻辑控制器.

（5）MCL-05  单结晶体管，正弦波，锯齿波触发电路

（6）MCL-06  单相并联逆变器，斩波器

（7）MCL-07  IGBT、VDMOS、GTR电力电子器件实验箱

（8）MCL-08  直流斩波电路（Buck-Boost）和电流控制型脉宽调制开关稳压电源实验箱

（9）MCL-09  微机控制的SPWM变频调速及空间矢量控制变频调速实验箱

（10）MCL-10  全桥DC/DC变换、直流脉宽调速系统实验箱

（11）MCL-11  单相交流调压实验、单相正弦波（SPWM）逆变电路实验   

（12）MCL-12  电子模拟系统

（13）MCL-13  采用DSP控制的变频调速实验箱

（14）MCL-14  采用DSP控制的直流方波无刷电机调速实验箱

（15）MCL-15  整流电路的有源功率因数校正实验箱

（16）MCL-16  直流斩波电路（升压斩波、降压斩波）、单相交直交变频电路的性能研     究、半桥型开关稳压电源的性能研究

（17）MCL-18  速度变换器，转速调节器，电流调节器，电流互感器，电压互感器,过流保护，给定，电流反馈

（18）MCL-20  给定，触发电路，Ⅰ组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸收,二极管三相整流桥

（19）MCL-33  触发电路，Ⅰ组晶闸管，Ⅱ组晶闸管，平波电抗器，RC阻容吸收,二极管三相整流桥

（20）MEL-11  电容箱

（21）MEL-02  三相芯式变压器

（22）MCL-34挂箱：反号器(AR)，转矩极性鉴别器(DPT)，零电流检测器(DPZ)，逻辑控制器(DLC)

三．触发电路实验挂箱  MCL05

MCL-05挂箱为触发电路专用挂箱，其中有单结晶体管，正弦波，锯齿波同步移相触发电路。

面板左上方装有同步变压器原边组的接线柱，下有“触发选择开关”，可根据需要选择“单结管”，“锯齿波”等触发电路。

当外加同步电压220V为时，通过触发电路选择直键开关可选择输出至单结管触发电路,锯齿波触发电路的同步电压分别为60V、7V

1．单结晶体管触发电路

由单结晶体管V3，整流稳压环节，及由V1,V2等组成的等效可变电阻等组成，其原理图如图1－1所示。

由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经全波整流，再由稳压管VST1,VST2进行削波，而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R7,V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V3导通，从而通过脉冲变压器输出脉冲。同时C2经V3放电，由于时间常数很小，Uc2很快下降至单结晶体管的谷点电压,V3重新关断，C2再次充电。每个梯形波周期，V3可能导通，关断多次，但只有第一个输出脉冲起作用。电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1的滑动触点可改变V1的基极电压，使V1,V2都工作在放大区，即等效电阻可由RP1来调节，也就是说一个梯形波周期内的第一个脉冲出现时候（控制角）可由RP1来调节。

元件RP1装在面板上，同步信号已在内部接好。

2．集成电路触发电路

   

KJ004可控硅移相电路

KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。

一、电路工作原理：
电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。

二、封装形式
电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外形尺寸》SJll00—76

三、典型接线图及各点波形
同步串联电阻R4的选择按右式计算：R4=同步电压/2～3×103（Ω）
各点波形式如右图所示
　　

四、电参数：
1．电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5％(±10％时功能正常)。
2．KJ004 电源电流：正电流≤15mA,负电流≤10mA。
3．同步电压：任意值。
4．同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)
5．移相范围≥1700(同步电压30V,同步输入电阻15kΩ)
6．锯齿波幅度：≥10V(幅度以锯齿波平顶为准)。
7．输出脉冲：
(1)宽度：400μS—2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。
(2)幅度：≥13V。
(3)最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。
(4)输出管反压：BVCEO≥18V(测试条件Ie≤100μA)。
8．正负半周脉冲相位不均衡≤±30。
9．使用环境温度为四级：C：0—70℃ R：-55—85℃ E：-40—85℃ M：-55—125℃

3．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，脉冲放大等环节组成，其原理图如图1－3所示。

由VD1,VD2,C1,R1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。由VST1,V1,R3等元件组成的恒流源电路及V2,V3,C2等组成锯齿波形成环节。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 ，同步变压器副边已在内部接好。

四．桥式主电路挂箱  MCL-33

MCL—33由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管，RC吸收回路，平波电抗器L组成。

本实验台提供相位差为60O，经过调制的“双窄”脉冲（调制频率大约为3~10KHz），触发脉冲分别由两路功放进行放大，分别由Ublr和Ublf进行控制。当Ublf接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。当Ublr接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。脉冲移相由Uct端的输入电压进行控制，当Uct端输入正信号时，脉冲前移，Uct端输入负信号时，脉冲后移，移相范围为100 ～ 1600。偏移电压调节电位器RP调节脉冲的初始相位，不同的实验初始相位要求不一样。

双脉冲观察孔输出相位差为60o的双脉冲，同步电压观察孔，输出相电压为30V左右的同步电压，用双踪示波器分别观察同步电压和双脉冲，可比较双脉冲的相位。

使用注意事项：单双脉冲及同步电压观察孔在面板上俱为小孔，仅能接示波器，不能输入任何信号。

1. 脉冲控制。

面板上部的六档直键开关控制接到可控硅的脉冲，1、2、3、4、5、6分别控制可控硅VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时脉冲接通。

              2. 一桥可控硅由六只5A800V组成。

3. 二桥可控硅由六只5A800V构成，另有六只5A800V二极管。

4. RC吸收回路可消除整流引起的振荡。当做调速实验时需接在整流桥输出端。平波电抗器可作为电感性负载电感使用，电感分别为50mH、100mH、200mH、700mH, 在1A范围内基本保持线性。

使用注意事项：外加触发脉冲时，必须切断内部触发脉冲。

实验二 集成电路同步移相触发电路实验

一．实验目的

1．熟悉集成电路同步触发电路的工作原理及各元件的作用。

2．掌握集成电路同步触发电路的调试步骤和方法。

二．实验内容

1．集成电路同步触发电路的调试。

2．集成电路同步触发电路各点波形的观察。

三．实验线路及原理

电路分脉冲形成，同步移相，脉冲放大等环节，具体工作原理可参见“电力电子技术”有关教材。

   

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏

2． MCL—18组件

3． MCL—05A组件

4． MEL—03组件

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．将MCL—05A面板上左上角的同步电压输入端接MCL—18的U、V端，将“触发电路选择”拨至“集成电路”位置。

2．分别将MCL—05A挂箱上模拟集成触发电路单元的Uct端、接地端与MCL—18挂箱上的给定单元中的Ug端、接地端相连。

3．三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v，并打开MCL—05面板右下角的电源开关。用示波器观察各观察孔的电压波形，测量触发电路输出脉冲的幅度和宽度，示波器的地线接于“10”端。

4．确定脉冲的初始相位。当Uct=0时，调节Ub（调RP）要求α接近于180°。

5．保持Ub不变，调节MCL-31A的给定电位器RP1，逐渐增大Uct，用示波器观察U1及输出脉冲UGK的波形，注意Uct增加时脉冲的移动情况，并估计移相范围。

6．调节Uct使α=90O、60°、30°，观察并记录面板上观察孔“5”-“7”及输出脉冲电压波形。

六．实验报告

1．画出α=90O、60°、30°时，观察孔“5”-“7”及输出脉冲电压波形。

2．指出Uct增加时，α应如何变化？移相范围大约等于多少度？指出同步电压的那一段为脉冲移相范围。

七．注意事项

。1．双踪示波器有两个探头，可以同时测量两个信号，但这两个探头的地线都与示波器的外壳相连接，所以两个探头的地线不能同时接在某一电路的不同两点上，否则将使这两点通过示波器发生电气短路。为此，在实验中可将其中一根探头的地线取下或外包以绝缘，只使用其中一根地线。当需要同时观察两个信号时，必须在电路上找到这两个被测信号的公共点，将探头的地线接上，两个探头各接至信号处，即能在示波器上同时观察到两个信号，而不致发生意外。

2．为保护整流元件不受损坏，需注意实验步骤：

（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。

（2）在控制电压Uct=0时，接通主电路电源，然后逐渐加大Uct，使整流电路投入工作。

（3）正确选择负载电阻或电感，须注意防止过流。在不能确定的情况下，尽可能选择较大的电阻或电感，然后根据电流值来调整。

实验三 单相桥式半控整流电路实验

一．实验目的

1．研究单相桥式半控整流电路在电阻负载，电阻—电感性负载及反电势负载时的工作。

2．熟悉MCL—05组件锯齿波触发电路的工作。

3．进一步掌握双踪示波器在电力电子线路实验中的使用特点与方法。

二．实验线路及原理

见图2－6。

三．实验内容

1．单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载。

2．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（带续流二极管）。

3．单相桥式半控整流电路供电给反电势负载（带续流二极管）。

4．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（断开续流二极管）。

四．实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）

4．MCL—05组件或MCL—05A组件

5．MEL—03三相可调电阻器或自配滑线变阻器。

6．二踪示波器

7．万用电表

五．注意事项

1．实验前必须先了解晶闸管的电流额定值（本装置为5A），并根据额定值与整流电路形式计算出负载电阻的最小允许值。

2．为保护整流元件不受损坏，晶闸管整流电路的正确操作步骤

（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。

（2）在控制电压Uct=0时，接通主电源。然后逐渐增大Uct，使整流电路投入工作。

（3）断开整流电路时，应先把Uct降到零，使整流电路无输出，然后切断总电源。

3．注意示波器的使用。

4．MCL—33（或MCL—53组件）的内部脉冲需断开。

5．接反电势负载时，需要注意直流电动机必须先加励磁

六．实验方法

1．将MCL—05（或MCL—05A，以下均同）面板左上角的同步电压输入接MCL—18的U、V输出端（如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，则同步电压输入直接与主控制屏的U、V输出端相连）， “触发电路选择”拨向“集成电路”。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v，并打开MCL—05面板右下角的电源开关。观察MCL—05集成电路触发电路中各点波形是否正确，确定其输出脉冲可调的移相范围。并调节偏移电阻RP2，使Uct=0时，α=150  

注意观察波形时，须断开MEL-02和MCL-33（或MCL—53组件）的连接线。

2．单相桥式晶闸管半控整流电路供电给电阻性负载：

连接MEL-02和MCL-33（或MCL—53组件）。

（a）把开关S2合向左侧连上负载电阻Rd（可选择900Ω电阻并联，最大电流为0.8A），并调节电阻负载至最大。

MCL-18（或MCL—Ⅲ型主控制屏，以下均同）的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源，调节主控制屏输出Uuv=220V。

调节MCL-18的给定电位器RP1，使α=90°，测取此时整流电路的输出电压Ud=f（t），输出电流id=f（t）以及晶闸管端电压UVT=f（t）波形，并测定交流输入电压U2、整流输出电压Ud，验证

。

若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中RP1，RP3电位器。

（b）采用类似方法，分别测取α=60°，α=30°时的Ud、id、Uvt波形。

3．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载

（a）把开关S1合向左侧接上续流二极管，把开关S2合向右侧接上平波电抗器，短接直流电动机电枢绕组A1A2。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出使Uuv=220V。

（b）调节Uct，使α=90°，测取输出电压Ud=f（t），电感上的电流iL=f（t），整流电路输出电流id=f（t）以及续流二极管电流iVD=f（t）波形，并分析三者的关系。调节电阻Rd，观察id波形如何变化，注意防止过流。

（c）调节Uct，使α分别等于60°、90°时，测取Ud，iL，id，iVD波形。

（d）断开续流二极管，观察Ud=f（t），id=f（t）。

突然切断触发电路，观察失控现象并记录Ud波形。若不发生失控现象，可调节电阻Rd。

4．单相桥式半控整流电路接反电势负载

(1).断开主电路，改接直流电动机作为反电势负载（断开直流电动机电枢绕组A1A2的短接线。）

短接平波电抗器，短接负载电阻Rd。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。，合上主电源，调节主控制屏输出使Uuv=220V。

调节Uct ，用示波器观察并记录不同a角时输出电压Ud、电流id及电动机电枢两端电压uM的波形，记录相应的U2和Ud的波形。（可测取α=60°，90°两点）。

(2).断开平波电抗器的短接线，接上平波电抗器（L=700mH），重复以上实验并加以记录。

七．实验报告

1．绘出单相桥式半控整流电路供电给电阻负载，电阻—电感性负载以及反电势负载情况下，当α=90°时的Ud、id、UVT、iVD等波形图并加以分析。

2．作出实验整流电路的输入—输出特性Ud=f（Uct），触发电路特性Uct=f（α）及Ud/U2=f（α）曲线。

    3．分析续流二极管作用及电感量大小对负载电流的影响。

八．思考

1．在可控整流电路中，续流二极管VD起什么作用？在什么情况下需要接入？

2．能否用双踪示波器同时观察触发电路与整流电路的波形？

实验四  直流斩波电路的性能研究

一．实验目的

熟悉降压斩波电路（Buck Chopper）和升压斩波电路(Boost Chopper)的工作原理，掌握这两种基本斩波电路的工作状态及波形情况。

二．实验内容

1．SG3525芯片的调试。

2．降压斩波电路的波形观察及电压测试。

3．升压斩波电路的波形观察及电压测试。

三．实验设备及仪器

1．电力电子教学实验台主控制屏。

2．MCL-16组件。

3．MEL-03电阻箱 (900Ω/0.41A) 或其它可调电阻盘。

4．万用表。

5．双踪示波器

6．2A直流安培表（MCL-Ⅱ2A直流毫安表为数字式仪表，MCL-Ⅲ 2A直流安培表为指针式仪表，其他型号可能为MEL-06）。

四．实验方法

1．SG3525的调试。

原理框图见图3—11。

将扭子开关S1打向“直流斩波”侧，S2电源开关打向“ON”，将“3”端和“4”端用导线短接，用示波器观察“1”端输出电压波形应为锯齿波，并记录其波形的频率和幅值。

扭子开关S2扳向“OFF”，用导线分别连接“5”、“6”、“9”，用示波器观察“5”端波形，并记录其波形、频率、幅度，调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其最大占空比和最小占空比。

Dmax=                       Dmin=

2．实验接线图见图3—12。

（1）切断MCL-16主电源，分别将“主电源2”的“1”端和“直流斩波电路”的“1”端相连，“主电源2”的“2”端和“直流斩波电路”的“2”端相连，将“PWM波形发生”的“7”、“8”端分别和直流斩波电路VT1的G1S1 端相连，“直流斩波电路”的“4”、“5”端串联MEL-03电阻箱 (将两组900Ω/0.41A的电阻并联起来，顺时针旋转调至阻值最大约450Ω)，和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

（2）检查接线正确后，接通控制电路和主电路的电源(注意：先接通控制电路电源后接通主电路电源 )，改变脉冲占空比，每改变一次，分别观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。

（3）改变负载R的值（注意：负载电流不能超过1A），重复上述内容2。

（4）切断主电路电源，断开“主电路2”和“降压斩波电路”的连接，断开“PWM波形发生”与VT1的连接，分别将“直流斩波电路”的“6”和“主电路2”的“1”相连，“直流斩波电路”的“7”和“主电路2”的“2”端相连，将VT2的G2S2分别接至“PWM波形发生”的“7”和“8”端，直流斩波电路的“10”、“11” 端，分别串联MEL-03电阻箱（两组分别并联，然后串联在一起顺时针旋转调至阻值最大约900Ω）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。改变脉冲占空比D，每改变一次，分别：观察PWM信号的波形，MOSFET的栅源电压波形，输出电压、u0波形，输出电流i0的波形，记录PWM信号占空比D，ui、u0的平均值Ui和U0。

（5）改变负载R的值（注意：负载电流不能超过1A），重复上述内容4。

（6）实验完成后，断开主电路电源，拆除所有导线。

五．注意事项

（1）“主电路电源2”的实验输出电压为15V，输出电流为1A，当改变负载电路时，注意R值不可过小，否则电流太大，有可能烧毁电源内部的熔断丝。

（2）实验过程当中先加控制信号，后加“主电路电源2”。

（3）做升压实验时，注意“PWM波形发生器”的“S1”一定要打在“直流斩波”，如果打在“半桥电源”极易烧毁“主电路电源2” 内部的熔断丝。

六．实验报告

1．分析PWM波形发生的原理

2．记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，MOSFET的栅源电压波形，输出电压u0波形，输出电流i0的波形，并绘制降压斩波电路的Ui/Uo-D曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。