新版电力电子技术实验指导书

电力电子技术实验指导手册-1-前言电力电子技术实验的基本要求《半导体变流技术》、《电力电子技术》是电气工程及其自动化、自动化等专业的三大电子技术基础课程之一，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等多个方面，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，培养和提高学生独立动手能力和分析问题、解决问题的能力。一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。电力电子技术与电机控制实验是上述课程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，促使理论和实践相结合，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、测试仪器的性能及使用方法。(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。二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：电力电子技术实验指导手册-2-（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、数据记录表格等。三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。(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与使用方法。(3)按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，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。电力电子技术实验指导手册-3-(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。四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。每位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。实验报告的一般格式如下:(1)实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。(2)实验目的、实验线路、实验内容。(3)实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。(4)实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。(5)画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。(6)用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。(7)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。(8)实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。(9)每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。电力电子技术实验指导手册-4-实验一三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序号型号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放”等几个模块。4DJK06给定及实验器件DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“二极管”以及“开关”等几个模块。5D42三相可调电阻6双踪示波器7万用表三、实验线路及原理实验线路如图1-1所示。主电路由三相全控整流电路组成，触发电路为DJKO2-1中的集成触发电路，由KCO4、KC4l、KC42等集成芯片组成，可输出经高频调制后的双窄脉冲电力电子技术实验指导手册-5-链。集成触发电路的原理和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。图中的R利用D42三相可调电阻器，将两个900Ω电阻并联；电感Ld在DJK02面板上，选用700mH，直流电压、电流表由DJK02获得。图1-1三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)流或有源逆变状态下，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。五、预习要求(1)阅读电力电子技术教材中有关三相桥式全控整流电路的有关内容。(2)学习有关集成触发电路的内容，掌握触发电路的工作原理。电力电子技术实验指导手册-6-六、思考题(1)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?(2)在本实验的整流时，对α角有什么要求？为什么?七、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。⑤将DJK06上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使α=150°。⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。⑦将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。电力电子技术实验指导手册-7-(2)三相桥式全控整流电路按图1-1接线，将DJK06上的“给定”输出调到零(逆时针旋到底)，使电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，调节给定电位器，增加移相电压，使α角在30°～150°范围内调节，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得负载电流Id保持在0.6A左右(注意Id不得超过0.65A)。用示波器观察并记录α=30°、60°、90°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˚90˚U2Ud(记录值)Ud/U2Ud(计算值)计算公式:Ud=2.34U2cosα(0～60O)Ud=2.34U2[1+cos(a+3)](60o～120o)(3)故障现象的模拟当β=60°时，将触发脉冲钮子开关拨向“断开”位置，模拟晶闸管失去触发脉冲时的故障，观察并记录这时的Ud、UVT波形的变化情况。八、实验报告(1)画出电路的移相特性Ud=f(α)。(2)画出触发电路的传输特性α=f(Uct)。电力电子技术实验指导手册-8-(3)画出α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形。(4)简单分析模拟的故障现象。九、注意事项(1)在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。(2)为了防止过流，启动时将负载电阻R调至最大阻值位置。电力电子技术实验指导手册-9-实验二直流斩波电路实验一、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。(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。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”，“励磁电源”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示波器6万用表三、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2-1所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图2-1(b)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。负载电压的电力电子技术实验指导手册-10-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。VDLCUo-+-+UEGCRi11UD+-(a)电路图(b)波形图图2-1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2-2所示。电路也使用一个全控型器件V。由图2-2(b)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iionioffononoaUUTtUtttUUGEUDtttUOtontoffTUi电力电子技术实验指导手册-11-为UiI1ton。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。VDLCUo-+-+EGCUi11RI1+-UD(a)电路图UGEUDtttUO(b)波形图图2-2升压斩波电路的原理图及波形③、升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)的原理图及