2013电力电子实验

实验一单相交流调压电路实验一、实验目的熟悉用双向可控硅组成的交流调压电路的结构与工作原理。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01电源控制屏2DJK22单相交流调压/调功电路3慢扫描双踪示波器自备4万用表自备三、实验线路及原理将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电，可以通过改变电压、电流、频率和相位等参数。只改变相位而不改变交流电频率的控制,在交流电力控制中称为交流调压。单相交流调压的典型电路如图3-18所示。图3-18单相交流调压电路本实验采用双向可控硅BCR（Z0409MF）取代由两个单向可控硅SCR反并联的结构形式，并利用RC充放电电路和双向触发二极管DB3的特点，在每半个周波内，通过对双向可控硅的通断进行移相触发控制，可以方便地调节输出电压的有效值。由图3-19可见，正负半周控制角α的起始时刻均为电源电压的过零时刻,且正负半周的控制角相等,可见负载两端的电压波形只是电源电压波形的一部分。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同，α角的移相范围为0≤α≤π,α=0时,相当于可控硅一直导通,输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着α的增大，U0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗,直至α=π时，U0=0,灯熄灭。此外α=0时，功率因数cosφ=1，随着α的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cosφ也逐渐降低,且对电网电压电流造成谐波污染。交流调压电路已广泛用于调光控制，异步电动机的软起动和调速控制。和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载的性质有很大的关系,在阻感负载时，若负载上电压电流的相位差为φ,则移相范围为φ≤α≤π，详细分析从略。四、实验内容交流调压电路的测试。五、思考题双向晶闸管与两个单向晶闸管反并联的不同点？控制方式有什么不同？六、实验方法将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧,使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK22的“Ui”电源输入端，按下“启动”按钮。接入220V，25W的灯泡负载，打开交流调压电路的电源开关。调节面板上的“移相触发控制”电位器RW，观察白炽灯亮暗的变化。调节“移相触发控制”电位器，用双踪示波器同时观察电容器两端及BCR触发极信号波形的变化规律，并记录。取不同的α值，用示波器分别观测BCR触发信号及白炽灯两端的波形，并记录。七、实验报告按实验方法的要求，分别画出各电路的测试波形，并分析。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同，α角的移相范围为0≤α≤π,α=0时,相当于可控硅一直导通,输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着α的增大，U0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗,直至α=π时，U0=0,灯熄灭。此外α=0时，功率因数cosφ=1，随着α的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cosφ也逐渐降低,且对电网电压电流造成谐波污染。交流调压电路已广泛用于调光控制，异步电动机的软起动和调速控制。和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载的性质有很大的关系,在阻感负载时，若负载上电压电流的相位差为φ,则移相范围为φ≤α≤π。(t)ui0uoug00(t)(t)(t)io0实验二单相交流调功电路实验一、实验目的熟悉调功电路的基本工作原理与特点。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01电源控制屏2DJK22单相交流调压/调功电路3双踪示波器自备4万用表自备三、实验线路及原理单相交流调功电路方框图如图3-20所示。图3-20单相交流调功电路方框图交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通断控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内作移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,即负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。如图3-21所示，这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的各个周期进行频繁的控制。只要大致以周波数为单位控制负载所消耗的平均功率，故称之为交流调功电路。图3-22是一个应用的实验线路，选用灯泡作为实验负载，从灯泡亮、暗时段的变化，可了解交流调功电路的原理与特征。实验线路中双向晶闸管的触发信号由555组成振荡器，产生一个占空比可调的触发脉冲，并通过模拟门形成可靠的触发信号，其频率要低于市电的频率，并可在一定的范围内调节。详细的电路原理及电路参数见图3-22。四、实验内容交流调功电路的测试。五、思考题(1)交流调压与交流调功电路的电路结构是否相同，控制方式有什么不同？LOADBCRTLC336A1A2gu脉宽可调矩形波信号发生器图3-22单相交流调功电路原理图六、实验方法将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧,使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK22的“Ui”电源输入端，按下“启动”按钮。打开交流调功电路的电源开关，用万用表测量555的电源电压，是否接近10V。用示波器观测555输出端“3”的波形及4066输出(即BCR触发信号)波形是否正常。当触发电路波形正常后关闭电源，接入负载（220V、15W灯泡）。开启交流调功电路的电源开关，调节“周波控制”电位器，观察灯泡亮暗或闪烁的变化规律。调节“周波控制”电位器，用示波器分别观测BCR的触发信号、BCR两端以及灯泡两端的波形，并记录。七、实验报告按实验方法的要求，分别画出各电路的测试波形，并分析。总结交流调功电路控制方式的特点及其应用。采用周波控制方式，使得负载电压电流的波形都是正弦波，不会对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。此外由于在BCR导通期间，负载上的电压保持为电源电压，因此若将此控制方式用于手电钻在低速下对玻璃或塑性材料进行钻孔，将非常有利。实验三直流斩波电路的性能研究一、实验目的(1)熟悉直流斩波电路的工作原理。(2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK09单相调压与可调负载3DJK20直流斩波电路4D42三相可调电阻5慢扫描示波器自备6万用表自备三、实验线路及原理1、主电路①、降压斩波电路(BuckChopper)降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如图4-12所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO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。(a)电路图(b)波形图（输出结论参考）图4-12降压斩波电路的原理图及波形②、升压斩波电路(BoostChopper)升压斩波电路(BoostChopper)的原理图及工作波形如图4-13所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-13b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。iionioffononoaUUTtUtttUUGEUDtttUOtontoffTUiVDLCUo-+-+UEGCRi11UD+-当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui)I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：UiI1ton=(UO-Ui)I1toff上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。(a)电路图(b)波形图（输出结论参考）图4-13升压斩波电路的原理图及波形五、思考题(1)直流斩波电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？六、实验结果及结论1、实验波形（1）BUCK电路实验波形a、占空比α＝20%时b、占空比α＝40%时（2）BOOST电路实验波形a、占空比α＝20%时b、占空比α＝40%时2、结论（1）BUCK电路实验结论（2）BOOST电路实验结论三相桥式全控整流电路实验一、实验目的(1)加深理解三相桥式全控整流电路的工作原理。(2)了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形。二、实验所需挂件及附件(略)ioffioffoffonoUtTUtttUVDLCUo-+-+EGCUi11RI1+-UDUGEUDtttUO三、实验线路及原理三相桥式整流工作原理可参见图1图1三相桥式全控整流电路实验原理图四、实验内容(1)三相桥式全控整流电路。(2)在整流状态下，当触发电路出现故障(人为模拟)时观测主电路的各电压波形。用示波器观察并记录α=30°、60°时的整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录相应的Ud数值于下表中。α30˚60˚Ud(记录值)计算公式:Ud=2.34U2cosα(0～60O)五、思考题如何解决主电路和触发电路的同步问题?在本实验中主电路三相电源的相序可任意设定吗?六、实验波形和结论用示波器观察并记录α=30°、60°输出电压的波形，并得出结论。