电力电子技术实验指导书

电力电子技术

实验指导书

    

电力电子技术课组编

        大连民族学院机电信息工程学院

                 2015年3月

      


                

目  录

实验概述. 1

实验一  锯齿波同步移相触发电路实验（验证性）. 4

实验二  三相半波可控整流电路的研究(综合性) 6

实验三  三相桥式全控整流电路实验（综合性）. 8

实验四  三相交流调压电路实验(验证性) 10

实验五  直流斩波电路的性能研究(设计性) 11

附录1：MCL系列电机电力电子及电气传动教学实验台介绍. 13

附录2：组件配置. 14

实验概述

《电力电子技术》是自动化专业的三大电子技术基础课程之一，《课程涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等，而实验环节是这些课程的重要组成部分。通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高实际动手能力、分析和解决问题的独立工作能力。

1. 实验的特点和要求

电力电子技术实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。电力电子技术实验是上述理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实际相结合，使认识不断提高、深化。具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力：

(1)掌握电力电子变流装置的主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路；

(2)熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能和使用方法；

(3)能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题；

(4)能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。

本教材介绍了电力电子技术方面的实验包括必做实验和选做实验，选做实验为三相半控整流电路和三相全控整流电路。由于学时所限，学生根据自己的实际情况按照教师的要求选做其中实验。

2.  实验准备

实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤。每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完不成实验要求，甚至损坏实验装置。因此，实验前应做到：

(1) 复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识；

(2) 阅读本教材中的实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法。

(3) 写出预习报告，其中应包括实验题目、实验仪器、实验原理、实验步骤、数据记录表格等；

(4) 熟悉实验所用的实验装置、测试仪器等；

(5) 进行实验分组，一般情况下，实验分组为每组2～3人。

3.  实验实施

在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。实验时要做到以下几点：

(1) 实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验开始。

(2) 指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能、使用方法。

(3) 按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。

(4) 按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。在进行调速系统实验时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。

(5) 完成实验系统接线后，必须进行自查。串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确；并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。自查完成后，须经指导教师复查后方可合闸通电，开始实验。

(6) 实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。除作阶跃启动试验外，系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试点的分布应均匀；改接线路时，必须拉闸，断开电源。实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。

 (7) 完成本次实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。

4.  实验总结

实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。每个实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是应用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。

实验报告包括以下内容：

(1) 实验装置编号；

(2) 实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式；

(3) 画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形；

(4) 用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论；

(5) 对实验中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。


实验一  锯齿波同步移相触发电路实验（验证性）

一．实验目的

1．加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。

2．掌握锯齿波同步触发电路的调试方法。

二．实验内容

1．锯齿波同步触发电路的调试。

2．锯齿波同步触发电路各点波形观察，分析。

三．实验原理

锯齿波同步移相触发电路主要由脉冲形成和放大，锯齿波形成，同步移相等环节组成，其工作原理可参见“电力电子技术”有关教材。

图1-1  同步信号为锯齿波的触发电路原理图

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

3．MCL—05组件

4．双踪示波器

5．万用表

五．实验方法

1．按图1-2接线，将MCL-05面板上左上角的同步电压输入接MCL—18的U、V端， “触发电路选择”拨向“锯齿波”。

2．三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，示波器的地线接于“7”端。

同时观察“1”、“3”孔的波形，了解锯齿波宽度和“1”点波形的关系。

观察“3”~“5”孔波形及输出电压UG1K1的波形，调整电位器RP1，使“3”的锯齿波刚出现平顶，记下各波形的幅值与宽度，比较“3”孔电压U3与U5的对应关系。

3．调节脉冲移相范围

将MCL—18的“G”输出电压调至0V，即将控制电压Uc调至零，用示波器观察U2电压（即“2”孔）及U5的波形，调节偏移电压Ub（即调RP），使a=180O，其波形如图1-3所示。

调节MCL—18的给定电位器RP1，增加Uc，观察脉冲的移动情况，要求Uc=0时，a=180O，Uc=Umax时，a=30O，以满足移相范围a=30O~180O的要求。

文本框: 图1-3 脉冲移相范围4．调节Uc，使a=60O，观察并记录U1~U5及输出脉冲电压UG1K1，UG2K2的波形，并标出其幅值与宽度。

用导线连接“K1”和“K3”端，用双踪示波器观察UG1K1和UG3K3的波形，调节电位器RP3，使UG1K1和UG3K3间隔1800。

六．实验报告要求

1．整理，描绘实验中记录的各点波形，并标出幅值与宽度。

2．总结锯齿波同步触发电路移相范围的调试方法，移相范围的大小与哪些参数有关？

3．如果要求Uc=0时，a=90O，应如何调整？

4．讨论分析其它实验现象。

七．注意事项

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。


实验二  三相半波可控整流电路的研究(综合性)

一．实验目的

了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究可控整流电路在电阻负载和直流电动机负载时的工作。

二．实验线路及原理

三相半波可控整流电路用三只晶闸管，与单相电路比较，输出电压脉动小，输出功率大，三相负载平衡。不足之处是晶闸管电流即变压器的二次电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率低。

实验线路见图2-1。工作原理请参考教材。

三．实验内容

1．研究三相半波可控整流电路供电给电阻性负载时的工作。

2．研究三相半波可控整流电路供电给直流电动机负载时的工作。

四．实验设备及仪表

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件。

3．MCL—33组件。

4．MEL—03组件（900Ω，0.41A）及直流电动机。

5．双踪示波器。

6．万用电表。

五．注意事项

1．整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序。

2．整流电路的负载电阻不宜过小，应使Id不超过0.8A，同时负载电阻不宜过大，保证Id超过0.1A，避免晶闸管时断时续。

3．正确使用示波器，避免示波器的两根地线接在非等电位的端点上，造成短路事故。

六．实验方法

1．触发器调试

按图2-1接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）打开MCL—18电源开关，给定电压有电压显示。

（2）用示波器观察MCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲。

（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”单脉冲观察孔，“1” 脉冲超前“2” 脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（4）用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

（5）将给定器输出Uc接至MCL-33面板的Uc端，调节偏移电压Ub，在Uc=0时，使a=90o。注意：考虑自然换向点，实际角度为120 O

2．研究三相半波可控整流电路供电给电阻性负载时的工作

合上主电源，接上电阻性负载，调节主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwv，从0V调至110V：

（a）改变控制电压Uc，观察在不同触发移相角α时，可控整流电路的输出电压Ud=f（t），并记录相应的Ud、Id、Uc值。

（b）记录α=90°时的Ud=f（t）的波形图。

3．研究三相半波可控整流电路供电给电动机负载时的工作

接入电动机及MCL—33的电抗器L=700mH，，可把原负载电阻Rd调小，监视电流，不宜超过0.8A（若超过0.8A，可用导线把负载电阻短路），操作方法同上。

观察不同移相角α时的输出Ud=f（t），并记录相应的Ud、Id值，记录α=90°时的Ud=f（t）波形图。

七．实验报告

绘出本整流电路供电给电阻性负载，直流电动机负载时的Ud= f（t），（在α=90°情况下）波形，并进行分析讨论。

实验三  三相桥式全控整流电路实验（综合性）

一．实验目的

1．熟悉MCL-18, MCL-33组件。

2．熟悉三相桥式全控整流电路的接线及工作原理。

3．了解集成触发器的调整方法及各点波形。

二．实验内容

1．三相桥式全控整流电路

2．观察整流状态下，模拟电路故障现象时的波形。

三．实验线路及原理

实验线路如图3-1所示。主电路由三相全控变流电路组成。触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。三相桥式整流的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。

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。

3．MCL—33组件。

4．MEL-03可调电阻器及直流电动机。

5．MEL-02芯式变压器。

6．二踪示波器。

7．万用表。

五．实验方法

1．触发器调试

按图3-1接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）打开MCL-18电源开关，给定电压有电压显示。

（2）用示波器观察MCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔60o的幅度相同的双脉冲。

（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”单脉冲观察孔，“1” 脉冲超前“2” 脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（4）用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

注：将面板上的Ublf（当三相桥式全控变流电路使用I组桥晶闸管VT1~VT6时）接地，将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”。

（5）将给定器输出Uc接至MCL-33面板的Uc端，调节偏移电压Ub，在Uc=0时，使a=90o。注意：考虑自然换向点，实际角度为120 O

2．三相桥式全控整流电路

    按图接线，将Rd调至最大(450W)。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从0V调至220V。

调节Uc，使a在30o~90o范围内，用示波器观察记录a=30O、60O、90O时，整流电压ud=f（t），晶闸管两端电压uVT=f（t）的波形，并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值。

3.电路模拟故障现象观察

在整流状态时，断开某一晶闸管元件的触发脉冲开关，则该元件无触发脉冲即该支路不能导通，观察并记录此时的ud波形。

六．实验报告

1．作出整流电路的输入—输出特性Ud/U2=f（α）

2．画出三相桥式全控整流电路时，a角为30O、60O、90O时的ud、uVT波形

3.       简单分析模拟故障现象。

实验四  三相交流调压电路实验(验证性)

一．实验目的

1．加深理解三相交流调压电路的工作原理。

2．了解三相交流调压电路的工作情况。

3．了解三相交流调压电路触发电路原理。

二．实验内容

1．MCL-18触发电路的调试。

2．三相交流调压电路带电阻负载。

三．实验线路及原理

本实验的三相交流调压器为三相三线制，由于没有中线，每相电流必须从另一相构成回路。交流调压应采用宽脉冲或双窄脉冲进行触发。这里使用的是双窄脉冲。实验线路如图4-1所示。

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。

3．MCL—33组件

4．MEL-03可调电阻器。

5．二踪示波器

6．万用表

五．实验方法

1．触发器调试

未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

    （1）打开MCL-18电源开关，给定电压有电压显示。

（2）用示波器观察双脉冲观察孔。

（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1” 脉冲超前“2” 脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（4）用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

2．三相交流调压器带电阻性负载

按图4-1接成调压器主电路，使用I组晶闸管VT1~VT6，其触发脉冲已通过内部连线接好，只要将I组触发脉冲的六个开关拨至“接通”即可，接上三相电阻负载（每相可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大。

三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压，使Uuv=220V。用示波器观察并记录a=30°，90°，120°，150°时的输出电压波形，并记录相应的输出电压有效值U。

六．实验报告

1．整理记录下的波形，作U=f (a)的曲线。

2．讨论分析实验中出现的问题。


实验五  直流斩波电路的性能研究(设计性)

一．实验目的

熟悉六种斩波电路（buck  chopper 、boost chopper 、buck-boost  chopper)的工作原理，掌握各种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 斩波电路的设计

3 斩波电路的波形观察及电压测试

三．实验设备及仪器

1 电力电子教学试验台主控制屏

2 MCL-22组件

3 示波器

4 万用表

四．实验要求

按照面板上各种斩波器的电路图，取用相应的元件，搭成相应的斩波电路即可.

1. SG3525性能测试

2．buck  chopper设计

(1)连接电路。

在面板上buck chopper斩波器。

(2)观察负载电压波形，并记录          

(3)观察负载电流波形，记录负载电阻两端波形

(4)改变负载电阻、电感参数，观察并记录改变电路参数后的负载电压波形与电流波形，并分析电路工作状态。

3．boost chopper设计

实验要求同buck chopper电路。

4．buck-boost chopper设计

实验要求同buck chopper电路。

五、预习要求

结合所学理论内容，参考实验系统挂箱的单元原理图，设计满足实验要求的实验过程。具体应画出详细的实验线路图，写出实验步骤及调试过程。

六、实验报告要求

1．整理实验中记录下的各类波形，并加以说明；

2．分析占空比变化对斩波器输出的影响；

3. 说明不同负载参数对斩波电路的影响；

4．分析实验中出现的问题。


附录1：MCL系列电机电力电子及电气传动教学实验台介绍

1．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，使用方便灵活，并且可随着功能的扩展只需增加组件即可，能在一套装置上完成《电力电子学》，《电力拖动自动控制系统》等课程的主要实验。

（2）装置布局合理，外形美观，面板示意图明确，直观，学生可通过面板的示意查寻故障，分析工作原理。电机采用导轨式安装，更换机组简捷，方便，所采用的电机经过特殊设计，其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组，能给学生正确的感性认识。除实验控制屏外，还设置有实验用台，内可放置机组，实验组件等，并有可活动的抽屉，内可放置导线，工具等，使实验更方便。

（3）实验线路典型，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。

（4）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。

（5）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。

2．技术参数

（1）输入电源：  ~380V  10%  50HZ±1HZ

（2）工作条件：环境温度：-5 ~ 400C

                  相对湿度：〈75%

                  海    拔：〈1000m

（3）装置容量：〈1KVA

（4）电机容量：〈200W

（5）外形尺寸：长1600mm X宽700mm（长1300mm X宽700mm）


附录2：组件配置

1．实验机组：

（1）直流电动机：PN=185W，UN=220V，IN=1.1A，n=1500r/min

（2）绕线式异步电机：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，n=1350r/min

（3）直流复励发电机M01：PN=100W，UN＝200V，IN＝0.5A，n＝1500/min

（4）三相笼型异步电动机M04：PN=100W，UN＝220V，IN＝0.48A，n＝1400/min

（5）直流方波无刷电机M15：PN=40W，UN＝36V，IN＝1.3A，n＝1500/min

2．实验挂箱：

（1）MCL-05  单结晶体管，正弦波，锯齿波触发电路

（2）MCL-06  单相并联逆变器，斩波器

（3）MCL-07  IGBT、VDMOS、GTR电力电子器件实验箱MCL-03  速度变换器，转速调节器，电流调节器

（4）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-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

（6）MCL-10A  全桥DC/DC变换、直流脉宽调速系统实验箱

（7）MCL-11  单相交流调压实验、单相正弦波（SPWM）逆变电路实验

（8）MCL-13A  采用DSP控制的变频调速实验箱

（9）MCL-14A  采用DSP控制的直流方波无刷电机调速实验箱

（10）MCL-15  整流电路的有源功率因数校正实验箱

（11）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   

（12）MCL-17  软开关

（13）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

（14）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

（15）MCL-22 现代电力电子电路和直流脉宽调速系统实验

（16）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

（17）MEL-11  电容箱

（18）MEL-02  三相芯式变压器

（19）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)

3.  选配挂箱：

（1）MEL—03挂箱：可调电阻器

（2）电机导轨及测速发电机

     直流发电机M01：PN=100W，UN=200V

（3）电机导轨及测功机、测速发电机

     MEL—13组件

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