电力电子技术实验指导书

目录

第一章 MCL—III型电力电子及电气传动教学实验台介绍 (1)

1.1概述 (1)

1.2MCL—III型挂箱介绍和使用说明 (1)

第二章电力电子技术实验 (7)

2.1三相桥式全控整流电路的研究 (7)

2.2直流斩波电路的性能研究 (10)

2.3单相交流调压电路的研究 (13)

2.4单相交直交电压型逆变电路的工作原理 (16)

2.5三相半波可控整流电路的研究 (20)

2.6三相交流调压电路的研究 (22)

参考文献 (24)

第一章 MCL—III型电力电子及电气传动教学实验台介绍1.1 概述

1.1.1 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“电力电子技术”、“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，还设置有实验专用台，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. 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。

1.1.2 技术参数

1. 输入电源：~380V 10% 50H Z±1H Z

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

1.2 MCL—III型挂箱介绍和使用说明

1.2.1 MCL—31挂箱（低压控制电路及仪表）

MCL—31挂箱由G（给定）、零速封锁器（DZS）、速度变换器（FBS）、转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、过流过压保护等部份组成。

G（给定）：原理图如图1.1。

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它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号：

1. 0V突跳到正电压，正电压突跳到0V；

2. 0V突跳到负电压，负电压突跳到0V；

3. 正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。

正、负电压可分别由RP1、RP2两个多圈电位器调节大小（调节范围为0 13左右）。数值由面板右边的数显窗读出。

只要依次扳动S1、S2的在不同位置即能达到上述要求：

1. 若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到

2. 若S1

3. S2

使用注意事项：给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。

1.2.2 MCL—32挂箱（电源控制屏）

面板下部的L1、L2、L3三个接线拄表示三相电源的输入，U、V、W表示电源输出端。在进行实验时，U、V、W接到可控硅或电机在L1、U、L2、V、L3、W间接有电流互感器，L1、L2间接有电压互感器，当电流过大或电压过高时，过流保护和过压保护动作。使用注意事项：接到可控硅的电压必须从U、V、W引出，否则过流保护和过压保护不起作用。

FBC+FA+FT（电流变送器与过流保护）：电路图如图1.2。

此单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。

1．电流变送器

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电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。

电流互感器的输出接至输入TA1，TA2，TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中：1）9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。

2）将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。

3）将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。

2.过流保护

当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。

S A为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。

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1.2.3 MCL-33挂箱（触发电路及晶闸管主电路）

MCL—33挂箱由脉冲控制及移相，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。

本实验台提供的是相位差为600，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U blr和U blf进行控制。当U blf 接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。当U blr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600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。

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触发脉冲，当直键开关按下的时候，脉冲断开，弹出时脉冲接通。

2. 一桥可控硅由六只5A800V可控硅组成。

3. 二桥可控硅由六只5A800V可控硅构成，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。

1.2.4 MCL—37挂箱（斩波器）

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1. 斩波器主电路

图1.3所示的是一脉宽可调的逆阻型斩波器，晶闸管VT1为主晶闸管，VT2做为辅助晶闸管，用来控制输出电压的脉宽，C和L1组成换流振荡环节。

2. UPW（脉宽调制器）

脉宽调制器UPW的第一级为由幅值比较电路和积分电路组成的一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。电位器RP2用来调节锯齿波的幅值，电位器RP1用来调节锯齿波的频率。

由第二比较器产生的方波接至电路的输入端，则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图1.4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。将此两脉冲通过功放级送至面板上的主晶闸管和辅助晶闸管，其中前沿脉冲送主晶闸管VT1，后沿脉冲送辅助晶闸管VT2。

1.2.5 MCL—36挂箱（锯齿波同步移相触发电路）

锯齿波触发电路原理图如图1.5所示。

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、脉冲形成和脉冲放

大等环节组成。

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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U b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。

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第二章 电力电子技术实验

2.1 三相桥式全控整流电路的研究

一．实验目的

1．熟悉MCL-31、MCL-32、MCL-33、MCL-35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的测试。

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2.1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。三相桥式整流电路的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。

四．实验设备及仪器

1．MCL—32（电源控制屏）

2．MCL—31组件（低压控制电源及仪表）

3．MCL—33组件（触发电路及晶闸管主电路）

4．MEL—03（三相可调电阻器）

5．MCL—35（三相变压器）

6．示波器

7．万用表

五．实验方法

1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

1）打开MCL—31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600的幅度相同的双脉冲。

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。

注意：当三相桥式全控整流电路使用I组桥晶闸管VT1~VT6时，将面板上的U blf 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Ug接至MCL-33面板的Uct端，调节偏移电压U b，在Uct=0时，使α=1500。

2．三相桥式全控整流电路的研究

按图2.1接线，将R d调至最大(450Ω)。

合上主电源。

在电阻负载或阻感负载两种情况下，分别调节Uct，使α在300~900范围内变化，用示波器分别观察并记录α=300、600、900时，整流电压u d= f（t）和晶闸管两端电压u VT = f（t）的波形，并记录相应的U d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u d波形。

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说明：如果采用的组件为MCL—33，则触发电路是KJ004集成电路，具体应用可参考相关教材。

六、实验报告

1．画出电路的移相特性U d=f(α)曲线。

2．作出整流电路的输入—输出特性U d/U2=f（α）。

3．画出三相桥式全控整流电路时，α角为300、600、900时的u d、u VT波形。

4．简单分析模拟故障现象。

七、思考题

1.试设计一个单相桥式全控整流电路,并画出原理图,在实验台上测试。

2.在三相桥式全控整流电路中,如果a相的触发脉冲消失,试绘出在电阻负载和阻感负载下整流电压U d的波形。

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2.2 直流斩波电路的性能研究

一、实验目的

1．加深理解斩波器电路的工作原理。

2. 掌握斩波器的主电路，触发电路的调试步骤和方法。

3．熟悉斩波器各点的波形。

二、实验内容

1．触发电路调试。

2．斩波器接电阻性负载和电阻电感性负载的研究。

三、实验线路与原理

斩波器主电路如图2.2所示。

本实验采用脉宽可调逆阻型斩波器。其中VT1为主晶闸管，当它导通后，电源电压就加在负载上。VT2为辅助晶闸管，由它控制输出电压的脉宽。C和L1为振荡电路，它们与VT2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。

接通电源时，C经VD1、负载充电至+U do，VT1导通，电源加到负载上，过一段时间后VT2导通，C和L1产生振荡，C上电压由+V do变为-V do，C经VD1和VT1反向放电，使VT1、VT2关断。

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，从而达到调压的目的，VT1、VT2的脉冲间隔由触发电路决定。

四、实验设备及仪器

1.MCL—32（电源控制屏）

2.MCL—31（低压控制电源及仪表）

3.MCL—33 (触发电路及晶闸管主电路)

4.MCL—37 (斩波器)

5.MEL—03 (三相可调电阻器)

6.示波器

7.万用表

五、注意事项

1.斩波电路的直流电源由三相不控整流桥提供，整流桥极性为下正上负，接至斩波电路时，极性不可接错。

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2.实验时，每次合上主电源前，须把给定电压退至零位，再缓慢提高电压。

3.实验时，若负载电流过大，容易造成斩波失败，所以调节电阻电感负载时,需注意电流不可超过0.5A。

4.若斩波失败，需关断主电源，把给定电压调至零位，再合上主电源。

六、实验方法

1．触发电路调试

打开MCL—37低压电源。

调节电位器RP，观察“2”端的锯齿波波形，锯齿波频率为100Hz左右。

调节“3”端比较电压，观察“4”端方波能否由0.1T连续调至0.9T（T为斩波器触发电路的周期）。

用示波器观察“5”、“6”端脉冲波形，是否符合相位关系。

用示波器观察输出脉冲波形，测量触发电路输出脉冲的幅度和宽度。

2．斩波器带电阻性负载

按图2.2实验线路连好斩波器主电路，接上电阻负载（可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大，并将触发电路的输出G1、K1、G2、K2分别接至VT1、VT2的门极和阴极。合上主电源。

用示波器观察并记录触发电路“1”、“2”、“4”、“5”、“6”端及U G1K1、U G2K2的波形，同时观察并记录输出电压u d=f（t），输出电流波形i d=f（t），电容电压u c=f（t）及晶闸管两端电压u VT1=f（t）的波形，并注意各波形间的相位关系。

调节“3”端电压，观察在不同τ（即U G1K1和U G2K2脉冲的间隔时间）时u d的波形，并记录U d和τ数值，从而画出U d=f(τ/T)的关系曲线。其中τ/T为占空比。

注意：负载电阻不可以太小，否则电流太大容易造成斩波失败。

3．斩波器带电阻电感性负载

断开电源，将负载改接成电阻、电感负载。然后重复电阻性负载时同样的实验步骤。

七、实验报告

1．整理记录下的各波形，画出各种负载下U d=f(τ/T)的关系曲线。

2．讨论分析实验中再现的各种现象。

八、思考题

试分析降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理、输入输出关系以及工作特点。

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2.3 单相交流调压电路的研究

一、实验目的

1．加深理解单相交流调压电路的工作原理。

2．加深理解交流调压感性负载时对移相范围要求。

二、实验内容

1．单相交流调压器带电阻性负载。

2．单相交流调压器带电阻电感性负载。

三、实验线路及原理

本实验采用了锯齿波移相触发器。该触发器适用于双向晶闸管或两只反并联晶闸管电路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。

晶闸管交流调压器的主电路由两只反向晶闸管组成，如图2.3所示。

四、实验设备及仪器

1.MCL—32（电源控制屏）

2.MCL—31（低压控制电路及仪表）

3.MCL—33（触发电路及晶闸管主电路）

4.MCL—35（三相变压器）

5.MEL—03（三相可调电阻）

6.示波器

7.万用表

五、注意事项

在电阻电感负载时，当 时，若脉冲宽度不够会使负载电流出圈套的直流分量，损坏元件。为此主电路可通过变压器降压供电，这样既可看到电流波形不对称现象，又不会损坏设备。

六、实验方法

1.单相交流调压器带电阻性负载

将MCL-33上的两只晶闸管VT1，VT4反并联而成交流电调压器，将触发器输出脉冲端G1、K1，G3、K3分别接至主电路相应VT1和VT4的门极和阴极。

把开关S打向左边，接上电阻性负载（可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大。

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MCL-31的给定电位器RP 1逆时针调到底，使Uct=0。调节锯齿波同步移相触发电路偏移电压电位器RP 2，使α=150°。

合上主电源。

用示波器观察负载电压u =f （t ），晶闸管两端电压u VT = f （t ）的波形，调节Uct ，观察不同α角时各波形的变化，并记录α=60?、90?、120?时的波形。

2.单相交流调压器接电阻—电感性负载

1）在做电阻、电感实验时需调节负载阻抗角的大小，因此须知道电抗器的内阻和电感量。可采用直流伏安法来测量内阻，电抗器的内阻R L =U L /I ，电抗器的电感量可用交流伏安法测量，由于电流大时对电抗器的电感量影响较大，采用自耦调压器调压多测几次取其平均值，从而可得交流阻抗。

Z L =U L /I

电抗器的电感量为

)2/(22f R Z L L L L π-=

这样即可求得负载阻抗角

L d R R L tg +=-1

1ω?

在实验过程中，欲改变阻抗角，只需改变电阻器的数值即可。

2）断开电源，接入电感（L=700mH ）。

调节Uct ，使α=45?。

合上主电源U U v=220V 。

用示波器同时观察负载电压u 和负载电流i 的波形。

调节电阻R 的数值（由大至小），观察在不同α角时波形的变化情况。

记录α>φ、α=φ、α<φ三种情况下负载两端电压u 和流过负载的电流i 的波形。

也可使阻抗角φ为一定值，调节α观察波形。

注意：调节电阻R 时，需观察负载电流，不可大于0.8A 。

七、实验报告

1.整理实验中记录下的各类波形。

2.分析电阻电感负载时，α角与?角相应关系的变化对调压器工作的影响。

3.分析实验中出现的问题。

注意： G1、K1连接VT1

G3、K3连接VT4

L：平波电抗器，可选700mH

R：负载电阻，可选择MEL-03的900欧瓷盘电阻并联

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2.4 单相交直交电压型逆变电路的工作原理

一、实验目的

熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路

中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

二、实验内容

1.测量SPWM波形产生过程中的各点波形。

2.观察变频电路输出在不同的负载下的波形。

三、实验设备及仪器

1.MCL—32（电源控制屏）

2.MCL—16（单相交直交变频电路）

3.MEL—03（三相可调电阻器）、

4.电感元件（700mH电感)

5.示波器

6.万用表

四、实验原理

单相交直交变频电路的主电路如图2.4所示。

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本实验中主电路中间直流电压u d由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM逆变电路。逆变电路中功率器件采用600V8A的IGBT单管（含反向二极管，型号为ITH08C06），IGBT的驱动电路采用美国国际整流器公司生产的大规模MOSFET和IGBT专用驱动集成电路1R2110。以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM 信号，分别用于控制VT1、VT4和VT2、VT3两对IGBT。ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz。

SPWM波形发生电路如图2.5所示。主电源2如图2.6所示。

五、实验方法

1．SPWM波形的观察

1）观察正弦波发生电路输出的正弦信号Ur波形（“2”端与“地”端），改变正弦波频率调节电位器，测试其频率可调范围。

2）观察三角形载波Uc的波形（“1”端与“地”端），测出其频率，并观察Uc和U2的对应关系。

3）观察经过三角波和正弦波比较后得到的SPWM波形（“3”端与“地”端），并比较“3”端和“4”端的相位关系。

4）观察对VT1、VT2进行控制的SPWM信号（“5”端与“地”端）和对VT3、VT4进行控制的SPWM信号(“6”端与“地”端)，仔细观察“5”端信号和“6”端防号之间的

图2.6 主电源2

2．驱动信号观察

1) 在主电路不接通电源情况下，S3扭子开关打向“OFF”，分别将“SPWM波形发生”的G1、E1、G2、E2、G3、E3、G4和“单相交直交变频电路”的对应端相连经检查接线正确后，S3扭子开关打向“ON”，对比VT1和VT2的驱动信号，VT3和VT4的驱动信号，仔细观察同一相上、下两管驱动信号的波形，幅值以及互锁延迟时间。

2) S3扭子开关打向“OFF”，分别将“主电源2”的输出端“1”和“单相交直交变频电路”的“1”端相连，“主电源2”的输出端“2”和“单相交直交变频电路”的“2”端相连。

3) 将“单相交直交变频电路”的“4”、“5”端分别串联MEL-03电阻箱（将一组900Ω/0.41A并联，然后调至阻值最大约450Ω）和直流安培表（将量程切换到2A挡）。

4) 经检查无误后，S3扭子开关打向“ON”，合上主电源（调节负载电阻阻值使输出负载电压波形达到最佳值，电阻负载阻值在90Ω 360Ω时波形最好）。

5) 当负载为电阻时，观察负载电压的波形，记录其波形、幅值、频率。在正弦波Ur的频率可调范围内，改变Ur的频率多组，记录相应负载电压、波形、幅值和频率。

6)当负载为电阻电感时，观察负载电压和负载电流的波形。

六、注意事项

1.“输出端”不允许开路，同时最大电流不允许超过“1A”。

2.注意电源要使用“主电源2”的“15V”电压，其他同“直流斩波”电路相同。

七、实验报告

1.绘制完整的实验电路原理图。

2.电阻负载时，列出数据和波形，并进行讨论分析。

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