电力电子实验指导(201503)
电力电子实验要求（实验室：机电楼101）
1、共16组，每2人一组。由于实验内容略多，有可能会有下课延迟的情况，请同学们必须准时到达实验教室，以免影响后面的课程。
2、预习报告要求在实验报告纸上完成，实验现场每位同学需要准备空白实验报告纸来记录现场测量数据和实验波形。
3、每次实验结束后，将实验预习报告中的数据表格填写完整，按照要求用坐标纸绘图，并将现场数据附在实验预习报告后，于下次上实验课时上交。实验报告必须按班级学号排好，小号在上，大号在下。
4、实验连接用线：金属端裸露的粗线为控制电路连接线，
金属端裸露的细线为波形观察用线，
没有金属端裸露的粗线为主电路连接线。
5、实验台整理要求：
实验一 单结晶体管触发电路和单相半波整流电路实验
1.实验目的 （1）熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及电路中各元件的作用，掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法。 （2）掌握单相半波可控整流电路在电阻负载时的工作。
2.实验线路及实验原理 （1）单结晶体管触发电路
单结晶体管触发电路的工作原理为：利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC 的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图1所示。图中VT3为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻和C 组成RC 充电回路，由C -VT 3-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP 即可改变C 充电回路中的等效电阻。
U V
图 1 单结晶体管触发电路原理图
（2）单相半波可控整流电路
图2所示为单相半波可控整流电路接线图。图2中的负载R 用挂件NMEL-03/4的可调电阻，电阻值为450Ω。直流电压表及直流电流表从挂件NMEL-06/1上得到。图2中的晶闸管VT1选用NMCL-050上的VT2。单结晶体管触发电路的输出端“G ”和“K ”接到晶闸管的门极和阴极（此部分线缆为挂件内部已连接好的，不用自行接线）。
图 2 单相半波可控整流电路原理图
3.实验设备
实验台主控制屏、NMCL31A 低压控制电路及仪表、NMCL-050晶闸管触发电路、MEL-03/4三相可调电阻、NMEL06/1直流电压/电流表、双踪示波器、万用表。 4.实验内容
(1)控制电路调试：单结晶体管触发电路的调试和波形观测点的波形记录 设备给电：
① 将实验台左侧面上的三相调压器向内调到底，此时实验台三相电压输出为0。同时将NMCL31A 中，低压电源的拨码开关拨到ON 位置。
② 将电源控制屏的主电源开关闭合，即按下主控制屏绿色开关按钮，此时主控制屏U 、V 、W 端有电压输出，大小通过三相调压器调节。本实验中，调节U uv =200V 。
③ 按下主控制屏红色开关按钮，主控制屏U 、V 、W 端没有电压输出。此时用两根导线将200V 交流电压接到NMCL-050的同步电源U 、V 端。再次按下绿色开关按钮即可进行控制电路波形观测。
观察并记录波形：用双踪示波器同时观察单结晶体管触发电路中1点整流后正半波电压、3点和4点削顶之后的梯形电压、5点锯齿波电压和6点输出脉冲等波形。调节移相可调电位器RP ，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30°～170°范围内移动?
记录α=60°时的1点、3点、4点和5点电压波形。
(2)主电路的连接与测量：单相半波可控整流电路接电阻性负载 ① 触发电路调试正常后，按下主控制屏红色开关按钮，断开电源。
② 按图2电路图接线。将可调电阻器调在电阻为450Ω的位置上。连接完的电路图如图3所示。
R
图 3 实验连接线路图
③ 按下主控制屏绿色开关按钮，调节控制电路中的电位器RP ，用示波器观察并记录α =30°、60°、90°、120°、150°时负载电压U d 和晶闸管VT2的阳极与阴极电压波形U Vt 的波形，并测量直流输出电压U d 和电源电压U 2。
表1
表1中，U d （计算值）的获得采用公式： 2
cos 145.02
α
+=U U d 5.实验总结要求 用坐标纸绘图：画出α=60°时单结晶体管触发电路1点、3点、4点和5点的电压波形；画出α=30°、60°、90°、120°、150°时电阻性负载的U d 、U VT 波形；画出电阻性负载时U d 记录值/U 2=f (α)的实验曲线和U d 计算值/U 2=f ’(α)的对应曲线。
6.注意事项
(1) 双踪示波器的两个探头的地线不能同时接在某一电路的不同两点上，否则将发生电气短路。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) 为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意：在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。
(3) 在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验就无法顺利完成。
实验二 三相桥式全控整流与有源逆变电路
1.实验目的
（1）熟悉三相桥式全控整流及有源逆变电路的接线及工作原理。
（2）了解集成触发器的调整方法及各点波形。 2.实验线路及实验原理
（1）三相桥式全控整流电路
实验线路如图3所示。主电路由三相全控整流电路组成，如图3（a ）所示。其中R 的电阻值为450欧姆（由挂件NMEL-03/4中的电阻串并联得到）、电源线电压为200V 。图3（b ）中的给定电路（位于挂件NMCL-31A ）的U g 作为控制信号与触发电路（位于挂件NMCL-33F 中）的“脉冲控制信号”U ct 相连接，并将与主电路所用晶闸管组对应的“脉冲信号放大”电路U blf 端进行接地处理，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。图3（c ）所示为移相电压的给定输入信号电路图。三相桥式整流电路的工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。
（a ） （b ）
U g
（c ）
图 3 三相桥式全控整流电路实验原理图
（a ）三相桥式全控整流主电路 （b ）触发电路（控制电路） （c ）移相电压的给定输入信号电路
（2）三相桥式有源逆变电路
在三相桥式有源逆变电路中，负载电阻为450欧姆（由挂件NMEL-03/4中的电阻串并联得到），电抗器的电感值取700mH （位于NMCL-331），芯式变压器接成Y/Y 接法。
（a ）
U g
（b）（c）
图 4 三相桥式有源逆变电路实验原理图
（a）三相桥式有源逆变主电路（b）触发电路（控制电路）（c）移相电压的给定输入信号电路
3.实验设备
电力电子实验台、晶闸管主电路挂件NMCL-33F（此挂件内含有三相桥式全控整流电路的触发电路）、芯式变压器挂件NMEL-24B、给定及实验器件NMCL-31A、三相可调电阻挂件NMEL-03/4、双踪示波器、万用表、平波电抗器NMCL-331。
4.实验内容
1）控制电路（触发电路）调试
按图3（b）、（c）接线，将NMCL-33F挂件上的U blf接地，即将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”。在连接主电路之前，检查晶闸管的触发脉冲是否正常。
（1）设备供电：打开总电源开关，按下绿色“启动”按钮，调节调压开关，使U uv=200V。观察输入的三相
电网电压是否平衡。将NMCL-31A低压电源开关拨到ON。
（2）相序检查：用示波器观察NMCL-33F的双脉冲观察孔“1”~“6”点，应有间隔均匀，相互间隔60o的
幅度相同的双脉冲。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。
（4）将NMCL-31A上的给定输出U g接至NMCL-33F上的U ct端，连接接地端，观察同步电压信号U与1
点波形。
将NMCL-31A上的给定输出电路中的S1拨到“正给定”，S2拨到“0V”，使U ct=0。调节NMCL-33F上的偏
移电压U b，使α=150°。
注：此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，前面实验中的单相晶闸
管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°。
（5）将NMCL-31A上的S2拨到“给定”，调节挂件上的RP1，使α=30°、60°、90°、120°、150°，记
录移相电压U g的电压值，并填表1。
2）三相桥式全控整流电路
（1）按下实验台红色“停止”按钮后，按图3（a）连接主电路。查线后，按下绿色“启动”按钮，接通电源。
（2）调节给定电位器RP1，增加移相电压U g，使α角在30°～90°范围内调节。
（3）记录α=30°、60°及90°时的整流电压U d的电压值和交流输入相电压U2的电压有效值，并填表2。用示波器观察并记录α=30°、60°及90°时的整流电压U d的波形。
计算公式： U d =2.34U 2cos α (α =0°～60°)， U d =2.34U 2[1+cos (α +
3
π
)] (α =60°～ 120°) 3）三相桥式有源逆变电路
（1）按下实验台红色“停止”按钮后，按图4（a ）连接主电路。查线后，按下绿色“启动”按钮，接通电源。 （2）调节给定电位器RP 1，增加移相电压U g ，使α角在90°～150°范围内调节。
（3）记录α =90°、120°及150°时的整流电压U d 的电压值和交流输入相电压U 2的电压有效值，并填表3。用示波器观察并记录α =90°、120°及150°时的整流电压U d 的波形。
注意：进行有源逆变实验时，α 的角度必须在90°以上。
计算公式：U d =2.34U 2cos α (α=90°~150°) 5．实验报告 用坐标纸绘图：
（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 /U 2=f （α）；
（3）画出三相桥式全控整流电路时，α角为30°、60°、90°时的U d 波形；
（4）画出三相桥式有源逆变电路时，α角为150°、120°、90°时的U d 波形。 6．注意事项：
（1）双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
（2）在本实验中，主电路的触发脉冲信号由挂件NMCL-33F 内部电路直接送入晶闸管的门极和阴极，不需要进行线路连接。
实验三 直流斩波电路的性能研究
1．实验目的
（1）熟悉直流斩波电路中的降压斩波电路（Buck Chopper ）和升压斩波电路(Boost Chopper)的工作原理。 （2）掌握这两种基本斩波电路的工作状态和波形情况。
（3）了解PWM 控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。 2.预习要点
1）控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用PWM 控制集成电路，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
0.01m F PWM 脉宽
图1 控制及驱动电路图
调节PWM 脉宽调节电位计，在VT-G 和接地两端之间可输出一个占空比D 可调的矩形波（即PWM 信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。
2）直流斩波器电路原理（使用一个探头观测波形） （1）降压斩波电路（Buck Chopper ） 降压斩波电路的原理图如图2所示。
+U i -L 1
+U o -
图 2 降压斩波电路的原理图
负载电压的平均值为：
i i on i off on on o DU U T
t
U t t t U ==+=
上式中，t on 为V 处于通态的时间，t off 为V 处于断态的时间，T 为开关周期，D 为导通占空比，简称占空比或
导通比（D=t on /T ）。由此可知，输出到负载的电压平均值U O 最大为U i ，若减小占空比D ，则U O 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
（2）升压斩波电路（Boost Chopper ）
升压斩波电路的原理图及工作波形如图3所示。
+U i -+U o -
图 3 升压斩波电路的原理图
输出电压为：
i off
i off off on o U t T
U t t t U =+=
上式中的T /t off ≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
3．实验设备
电力电子实验台、直流斩波电路挂件（NMCL-22）、双踪示波器、万用表。 4．实验步骤
设备给电：闭合实验台空气开关即可，将NMCL-31A 中的直流电压源打开，不用按下绿色开关按钮。 1）控制与驱动电路的测试
此部分电路为NMCL-22挂件DC chopper 方框内的PWM 波形发生器，其PWM 信号输出端在1孔和接地端。 （1）用示波器观测输出PWM 信号，记录PWM 信号波形的频率和幅值。 （2）调节“占空比调节”旋钮，记录其最大占空比D max 和最小占空比D min 。
D max = D min =
2）直流斩波电路测试
按下列实验步骤依次对两种典型的直流斩波电路进行测试。 （1）利用挂件NMCL-22上的直流电源“+”、“-”和其他元器件，分别按照图2和图3连接好相应的直流斩波实验线路，并接上挂件NMCL-22上的电阻负载。将挂件NMCL-22上的控制与驱动电路控制输出“VT-G ”和接地端分别接至晶闸管VT 的门极和阴极。
（2）检查接线正确，接通主电路和控制电路的电源。
（3）用示波器观测并记录D=0.5时U GE 、U CE 、U VD 及U o 波形的幅值和相位，注意各波形间的相位关系。 （4）调节PWM 脉宽调节电位器，观测在不同占空比D 时，记录U i 、U o 和D 的数值于表1和表2中，从而画出U o = f （D ）和U i =f （D ）的关系曲线。
表1 U i 、U O 和D 记录表（降压斩波电路）
表2 i O
5．实验报告要求：
（1）整理实验数据，用坐标纸绘制降压斩波电路和升压斩波电路的关系曲线U o /U i =f （D ）。 （2）分析直流斩波电路中各元件的作用。
6．注意事项：
（1）用示波器观测高压时应衰减10倍；在做主电路U VD 波形观测时，最好使用一个探头，以免发生电源短路。 （2）控制与驱动电路的PWM 信号输出的接地端不能与主电路电源的负极相连接。