电力电子技术实验指导书

安徽省精品课程电力电子技术实验指导书编著：许月霞张毅秦剑审核：张兴黄海宏杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院电气自动化专业实验中心2011年11月1前言《电力电子技术》课程已成为电气工程及其自动化、自动化专业的必修基础课程。大众化教育在不断深入，电力电子技术在迅速发展和广泛应用。这种形势下，如何培养学生的动手能力、掌握实验方法和自己解决问题的能力，以适应社会发展对人才的要求，是电力电子教育工作者所面临的新问题，传统的面对面，甚至手把手的实验教学方法已显得力不从心。为此编写了这本《电力电子技术实验指导书》。本书主要配合黄俊主编的第四版《电力电子技术》课程，但为了让学生更好地了解基本概念，加入了一定量的黄俊主编的《半导体变流技术》中的由分离原件组成的触发电路和较多的晶闸管整流电路。内容主要包括单结晶体管、正弦波同步移相、锯齿波同步移相触发电路、简单的集成触发电路TCA785实验；KC05触发电路和KC04、KC41、KC42等集成电路组成的触发电路分别在单相调压和整流中进行的实验；单相、三相半波及桥式整流和逆变实验；单相、三相交流调压实验；GTO、GTR、MOSFET、IGBT功率器件的特性测试和驱动保护实验；六种典型的直流斩波电路；全桥DC/DC变换；半桥型开关稳压电源；单端电流反馈他激式隔离开关电源；PS-ZVS-PWM软开关技术；单相正弦波脉宽调制SPWM逆变电路实验。书中所列的实验内容和顺序，均通过实验室老师和任课教师带学生共同实验体会后，根据学生实验时易发生的问题，教学先后，实验所用时数、所用挂件数等因素前后顺序综合安排的。考虑到学生不愿看长篇大论的实验方法叙述，从书中的实验内容到实验方法和步骤采用了大量的图片说明的形式，使实验者见图一目了然，可以极大地减轻指导老师的工作量，使学生在实验接线时，不犯或少范错误，适合开放式实验。学生在完成书中的实验后，基本上能构具备以下能力:掌握电力电子变流装置主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法；掌握系统参数的测量和整定方法；熟悉并掌握基本的实验设备、测试仪器的性能及使用方法；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、实验现象。最终，学生能够较熟练地掌握“电力电子技术”中最常用的基本电路、基本器件的原理，应用方法。较好地培养学生自己设计、实验、解决问题的能力。本书有许月霞、张毅共同编著。许月霞负责主编和统编，张毅做了部分文字和图片处理工作，实验有许月霞、张毅、方海泉、杜少武、张兴共同验正。在编写过程中，杜少武、张兴、方海泉老师给予了大量的帮助和指导，在此表示感谢。本书是以浙江天煌DJDK-1《电力电子技术及电机控制装置》为前题编写的，使用浙江天煌实验设备的其它兄弟院校均可使用，同时书中的预习内容、原理、思考题、也能对其它院校的师生有所帮助。因作者水平有限，时间仓促，书中错误在所难免，请广大师生及读者批评指正。编者2目录第一部分电力电子实验的准备一、电力电子实验的基本要求和注意事项3二、万用表及示波器简介和使用方法4－8第二部分实验内容实验一四种常用晶闸管触发电路的研究与实验9-20实验二单相半波可控整流电路实验21-27实验三单相桥式全控整流及有源逆变实验28-31实验四三相半波可控整流电路实验32-41实验五三相半波有源逆变电路实验42-45实验六三相桥式全控整流及有源逆变电路实验46-53实验七直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）54-61实验八常用电力电子器件的特性和驱动实验62-71实验九单相正弦波脉宽调制SPWM逆变电路实验72-77实验十全桥DC/DC变换电路实验78-81实验十一半桥型开关稳压电源的性能研究82-87第三部分附录附录电源控制屏常见故障的诊断883第一部分电力电子实验的准备一、电力电子实验的基本要求和注意事项1、电力电子实验的基本要求a)实验前的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，甚至有可能损坏实验装置。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；明确实验过程中应注意的问题。(3)写出预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、预估实验数据等。b)实验的实施在完成理论预习、实验预习等环节后，就可进入实验阶段。实验时要做到以下：(1)实验开始前，学生的预习报告应给任课教师作检查，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。(2)认真听取实验教师对实验装置的介绍，熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。(3)实验分组。按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，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)按图接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路。(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，不得用两根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。(6)实验时，按指导书所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试记录点的分布应均匀；改接线路时，必须断开主电源方可进行。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。C）实验总结实验完后，必须对实验进行总结，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。如实验结果与理论有较大出入时，需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。2、电力电子实验室注意事项电力电子实验室，是强弱电结合的实验室。为完成电力电子技术实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行，要严格遵守如下安全操作规程：（1）在实验过程时，绝对不允许做双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载4使用。（2）任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。（3）为了提高实验过程中的效率，完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他人引起注意后方可接通电源。（4）如果在实验过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。（5）在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。（6）系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。二、万用表及示波器简介和使用方法1、万用表简述1）万用表分模拟和数字两种模拟和数字万用表的工作原理请参考有关的仪器仪表方面的书籍。2）万用表可以用来准确地测量电路中直流电压、电流、电阻的值；对纯交流信号，当频率不是很高时，也可较准确的测量；也可检查二极管、三极管、可控硅、场效应管的好坏；有些还可对电容、电感晶体管的放大倍数进行测量。有的数字表对频率、温度、占空比、电平、增益测试，还有纪录保持功能。3）模拟表由于指针的摆度灵活，可以较容易的判断电路中的变化情况。仍然受许多电子工作者的欢迎。4）数字表由有相应速度快，读数直观且视差小；随集成度的提高，功能越来越强，体积越来越小，价格越来越便宜，携带方便等优点，越来越受专业人士喜爱。2、万用表使用注意事项1）对于模拟表必须进行表头较正。模拟万用表的表笔开路时，表的指针应在“0”的位值，如果不在“0”位，可用螺丝刀微调面板上的调零螺丝，使指针处于“0”位。即称为测量前的零位调整。2）模拟表的零欧调整。测量电阻时，应先将两只表笔相互短路，这时表针应指向“0”欧，如不在“0”欧处，可微调电位器，使指针指零，这时测得的电阻值才是准确的。3）万用表有两只表笔，测量时一般红色的插到表的“＋”端，黑色的插到表的“－”或“COM”端。测量电压、电流时，表笔的另两端，分别插电路的高电位和低电位。但必须注意：模拟表的表面的“＋”端，实际为表内部电池的“－”；模拟表的表面的“－”端，实际为表内部电池的“＋”。数字表则相反，即表的表面的“＋”端，实际为表内部电池的“＋”；表的表面的“－”端，实际为表内部电池的“－”。所以，在测量二极管、三极管、场效应管、光电管、电解电容等用到电阻内部电池的地方，一定要注意这点。4）在测量前，先估计一下测量范围，选好挡位。一般先把仪表放在较大的挡位，根据测量情况再调整到合适的挡位。以免过大的电压、电流把仪表烧坏，同时用过大的量程，测量小的数值，误差也大。5）测量电路中的电压时，万用表并在被测电路中；测量电路中的电流时，万用表串在被5图1测电路中。同时应考虑电压、电流表的内阻对测量电路的影响。6）检测电路中的电阻、二极管、三极管等器件的好坏时，一定使它们的一端与其它电路断开。7）万用表不用使，要及时关掉电源或把选挡开关打在电压挡，以减少电池的损耗。8）万用表只能对纯交流信号进行较准确的测量，但当交流信号频率较高时，误差很大。所以，在使用时，先查看说明书，了解交流信号的频率测量范围。当测量信号不是正弦波或有失真、直流分量时，误差也会很大。测量脉冲、锯齿波、数字信号时，一般用示波器。3、示波器简述1）示波器功能万用表只能对直流信号和低频的纯交流信号进行较准确的测量。而对大多数的交流信号及数字信号，只能用示波器检测。由于示波器能把检测到的电子电路中各种信号波形在示波管上显示出来，使人们在维修设备和电路调试中，准确判断电路是否正常。更能帮助学生了解每一部电路的原理和现象。图片如下①。2）示波器波形形成原理示波器主要部件示波管，其内部有两个垂直偏转板和两个水平偏转板，管壁涂有萤光粉，灯丝和阴极等。加热后的阴极发出电子，通过加速射向示波管的内壁萤光粉，使其发光。垂直偏转板是使电子运行的轨迹与检测信号相同，水平偏转系统起扫描作用，为的是通过控制产生一个与检测信号频率和相位成倍数关系的波形，在两者共同作用下，示波管上形成一个与检测信号相同的稳定的稳定。详细原理，可参考有关示波器的原理书。3）示波器的同步A)示波器波形稳定的条件：f1＝n×f2(f1输入信号频率,f2扫描信号频率)，这种测量信号与示波器的频率保持整数倍的关系称为同步。在测量时可以通过调整扫描时间使波形达到稳定。B）示波器同步：示波器同步方式有内同步、强制同步、外同步。内同步是指扫描频率由内部产生；强制同步指扫描信号取自测量信号经处理后加到锯齿波振荡电路的控制端，使锯齿波与被测信号频率保持整数倍的关系，实现同步；外同步，指同步信号有外输入信号产生。6扫描方式一般在自动外触发信号选测扫描灵敏度切换开关触发源选择，与通道相同。做整流和逆变时选电源。测量信号选择开关图2测量通道显示方式垂直灵敏度切换开关作校正示波器和探头用测量信号在上升或下降沿时触发扫描测量信号在变化到某一电平时触发扫描C）同步示波器的同步：在示波器电路中，设计了专门的同步电路。同步方式有三种：a）外扫描信号直接送在水平扫描放大器；b）扫描信号取自测量信号的一部分，处理后送水平扫描放大器；c）水平扫描信号与外触发信号同步。4)示波器面板部分旋钮及按键的标识和作用示波屏由8×10的方格组成，一般垂直方向设为电压值，水平方向设为时间值（周期），一个格称为1个DIV。示波器的键或旋钮部分有标识，国产YB4302B双踪示波器的标识和作用如下图②。4、示波器的使用方法和注意事项1）一般在测量信号前，先调整水平和垂直旋钮，使信号在中间；触发信号置于内步触发；同步信号置于自动；调整辉度与聚焦旋钮，使图像清晰。2）示波器的探头有两挡，1×1、10×1挡，10×1挡为将