电力电子技术实验报告(单相半控桥式)

四川大学电力电子实验报告1实验基本内容实验项目名称：单相半控桥整流电路实验实验目标：1.实现控制触发脉冲与晶闸管同步；2.观测单相半控桥在纯阻性负载时du，vtu波形，测量最大移相范围及输入-输出特性；3.单相半控桥在阻-感性负载时，测量最大移相范围，观察失控现象并讨论解决方案。实验条件一、实验仪器：MCL-Ⅲ型电力电子及电气传动教学试验台厂商：浙江大学求是公司性能指标：整机容量：≤1.5kVA；工作电源：~3N/380V/50HZ/3A本次试验用到：MCL-32电源控制器、MCL-35三相变压器、直流电压表、直流电流表、三相可调电阻器、电容器、触发电路及晶闸管主回路（包括触发脉冲回路，两组晶闸管及一组二极管）TektronixTDS1012示波器带宽：100MHZ最高采样频率：1GS/s记录长度：2.5K四川大学电力电子实验报告2GDM-8145数字万用表测量交流电压（AC或AC+DC真有效值）电压档位：200mV,2V,20V,200V,1000V共5档输入阻抗10MΩ二、人员分工项目成员试验阶段实验操作辅助操作仪表读数数据记录波形记录报告阶段数据处理电路仿真条件描述过程描述思考题讨论发散综合评估讨论过程总揽全局四川大学电力电子实验报告3实验电路Multisim仿真利用Multisim仿真软件实验的电路进行仿真有助于实验前发现规律。事先得到理论上的实验数据和实验波形。这对做实验的效率和准确性都有一定的指导作用。一、Multisim搭建仿真电路1.搭建的仿真电路图如下图所示。2.各元件的参数设定和选择：J2，J3的设置是方便断掉触发信号，制造失控。电源：采用有效值为120V的交流电压源。触发脉冲电压源CHUFA1的设置如图所示：电压脉冲的基值为0V电压的幅值为5V脉冲的宽度为1ms周期同电源周期为20ms延迟时间确定了晶闸管的触发时间触发角：360延迟时间脉冲周期CHUFA2.的触发时间（delaytime）比CHUFA1滞后10ms四川大学电力电子实验报告4二、半控桥纯电阻负载的仿真1.闭合开关J1，闭合J2，J3。同时设置VT1触发时间为0ms，VT2为10ms。得到整流输出波形。时的阻性负载电压波形2.闭合开关J1，闭合J2，J3。同时设置VT1触发时间为5ms，VT2为15ms。得到整流输出波形。时的阻性负载电压波形3.闭合开关J1，闭合J2，J3。同时设置VT1触发时间为10ms，VT2为20ms。得到整流输出波形。如下图所示。=0=0=90=90=180四川大学电力电子实验报告5时的阻性负载电压波形三、半控桥阻-感性负载的仿真此时，断开开关J1，即把电感L=200mH接入电路。1.此时闭合开关J2，J3。同时设置VT1触发时间为0ms，VT3触发时间为10ms得到整流输出波形。时的阻感负载电压波形2.此时闭合开关J2，J3。同时设置VT1触发时间为5ms，VT3触发时间为15ms得到整流输出波形。=0=90=0=180四川大学电力电子实验报告6放大阻感负载在90度时的波形可见，在晶闸管关断过后，输出的电压出现了幅度逐渐变小的振荡。（如下图示）3.此时闭合开关J2，J3。同时设置VT1触发时间为10ms，VT3触发时间为20ms得到整流输出波形。时的整流输出电压波形四、失控波形仿真保持触发控制角小于90度，适当的调节电阻，使整流输出的电流较大。当电路正常整流时，闭合开关J2，J3。打开开关J1。得到失控前输出波形。出现幅度渐小的振荡=180嘿嘿=180四川大学电力电子实验报告7若此时突然断开开关J3。（即VT3失去触发信号）得到失控的波形如下图所示。由失控后的波形可见：当J3断开时，VT1原来的导通角变为180度。即为半波输出。五、观察阻抗角的变化对电流的滤波效果接入阻感性负载，断开J1，闭合J2，J3。固定晶闸管的控制角在较大的一个值。缓慢的调节电位器的阻值。得到电流变化的波形，如下图。用示波器观测电阻上的电压的波形，得到电流dI的波形。1.电流dI断续：断开J3VT3没有导通VT1连续导通，出现半波输出嘿嘿四川大学电力电子实验报告82.电流dI临界连续：此时的触发角为90度，电位器的接入电阻约为50。得到如上图示的电流dI临界连续波形。3.电流dI连续：六、判断出失控调管晶闸管的方法提出与仿真1.分析：在单相半控桥整流电路中，当某晶闸管出现失控时。另一只晶闸管始终处于导通状态，输出整流波形为半波波形。2.判断方法：始终导通的晶闸管两端电压应为晶闸管的导通压降。而失控的晶闸管两端电压应为电源的电压，即正弦波。电路接通时刻，电流上升四川大学电力电子实验报告93.Multisim电路仿真：用示波器测量两只晶闸管的两端电压的波形。仿真中所遇到的问题和感悟：1.晶闸管和二极管的选取，显得十分重要。只有一定特性范围内的晶闸管和二极管。才能仿真出理论上的波形。2.仿真中有时会遇到“timesteptoosmall”报错。此时，只要加大仿真中的周期。比如，适当提高信号源的上升时间和下降时间。也可考虑加入一个周期较大的信号源，该信号源不接入主电路。即可解决该问题。3.在仿真电流连续过河断续的时候。在电路的时间常数大的情况下才容易实现。此时电位器电阻约为50。失控的晶闸管，两端电压为管压降（5V/Div）正常工作晶闸管，端电压为正弦波（100V/Div）四川大学电力电子实验报告10实验过程描述1VT3VT2VD4VDTVARabL触发电路1触发电路11G2G1K2K线电压图中晶闸管VT1和电力二极管VD4构成一个桥臂，VT3和VD2构成一个桥臂，每个桥臂中有一个晶闸管和二极管，其中晶闸管共阴极，二极管共阳极，VT1和VT3在一个周期中交错导通，触发脉冲相差180度。在输入电压正半周，VT1加触发延迟角为ɑ的触发脉冲，输入电压经过VT1和VD4向负载供电，此时输出的电压波形与输入的电压波形相同，即Ud=U2;当输入电压过零时，VD2与VT1续流，在下一个VT3的触发脉冲之前输出的电压为0，此时VT3承受正向电压，VT3触发脉冲一到来便导通，导通后VT1承受反向电压截止，电源经VT3与VD2向负载供电，输出电压波形与输入电压波形相反，即Ud=U2。在输入电压相同的情况下，调节晶闸管的触发角ɑ便可以控制输出电压大小。四川大学电力电子实验报告111）单相半控桥纯阻性负载实验实验原理图如下所示1VT3VT2VD4VD2i2uTVAudRdiab当0t（，）时，VD2和VT3承受反向压降处于截止状态。虽然VT1和VD4承受正向阳极电压，但是由于VT1门极未加触发信号，处于正向阻断状态，所以此阶段晶闸管和二极管全部都未导通，负载电压。当180t（，）时，晶闸管VT1和二极管VD4导通，电流经过VT1，R,VD4形成回路，此时负载电压为2/dUUR。当180180+t（，）时，晶闸管VT1和二极管VD4承受反相电压，处于截止状态，晶闸管VT3和二极管VD2虽然承受正向电压，但是由于未加触发信号，处于正向阻断状态，所以此阶段所有晶闸管和二极管均未导通，负载电压。当180+360t（，）时，晶闸管VT3和二极管VD2导通，电流经过VT3、R、VD2形成回路，此时负载电压为2/dUUR。此后均重复上述过程0dU0dU四川大学电力电子实验报告12由上述分析可以退出纯电阻负载下Ud和U2的关系式2211cos2sin0.92dUUtdtU负载输出电流的平均值为21cos0.92ddUUIRR移相范围及波形观察（ɑ最小时，ɑ=90°，ɑ最大时）将数字示波器的一个通道接至电阻两端，连续改变触发角α的大小，输出电压ud的波形也随之变化，测量并记录电路实际最大移相范围，用相机分别记录α为最小、90°和最大时的输出电压ud的波形。（负载不宜过小，因为当电流过大时，会烧坏实验用的电流表。为确保当输出电压较大时，Id＜0.6A，为确保安全，我们专门安排同学监控电流表。）1)通过调节移相可调电位器RP调节触发角α，观察当晶闸管触发脉冲的触发角α最小时输出电压Ud波形，并拍摄此时数字示波器显示波形如下图：四川大学电力电子实验报告13此时由于电压灵敏度比较小，所以调节电压灵敏度，可以得到更清晰的图像2）调节移相可调电位器RP，使触发角ɑ=90°，可以得到输出电压Ud的波形四川大学电力电子实验报告143）当波形不稳定时，此时触发延迟角ɑ为最大值，用数字示波器记录如下所示由上述步骤，可以得到触发延迟角ɑ的移相范围，如下表所示触发角延迟角测得的延迟时间t/ms换算过后的角度最小时00=90时590最大时8.1144纯阻性负载时测量与相关电压调节移相可调电位器RP，在最大移相范围之内，测量几组在不同触发角α之下，整流输出电压U2、控制信号Uct整流输出Ud的数值，共测量11组数据，整理如下：四川大学电力电子实验报告152)半控桥阻-感性负载（串联L=200mH）实验实验原理图如下所示1VT3VT2VD4VD2i2uTVAudRdiabL阻感负载时电路的工作情况：当t时刻，晶闸管VT1和二极管VD4导通，晶闸管VT3序号触发时间t触发角αdU2UctU①00°108125.611.6②2ms36°98126.33.482③2.96ms53.28°88126.92.413④3.6ms64.8°78127.71.841⑤4.24ms76.32°68128.61.444⑥4.8ms86.4°58129.31.13⑦5.4ms97.2°48130.30.858⑧6ms108°38131.00.638⑨6.6ms118.8°281320.435⑩7.3ms131.4°18132.90.255⑪8.1ms144.0°8133.60.073四川大学电力电子实验报告16和二极管VD2承受反相电压截止。负载电压Ud=U2,由于电感的存在使电路中电流不能突变，电感起了平波的作用，id波形为直线。当180t时刻，因电感中产生反电动势将使VT1和VD4仍承受正向压降而继续导通，则Ud波形中出现负值部分，此时晶闸管VT3和二极管VD2也承受正向电压，但由于未加触发脉冲，所以出于正向阻断状态，负载电压Ud=U2。当180+t时刻，给VT3加触发脉冲，VT3和VD2立即导通，从而使VT1和VD4承受反相电压而关断，负载电流从VT1、VD4转到VT3、VD2上，这个过程叫换相。VT3和VD2导通后，负载电压Ud=-U2,负载电流大小不变，波形仍为直线。到下一个周期重复上述过程。利用上述过程，我们可以推出阻感负载下电路的基本数量关系整流输出电压的平均值+2212sin0.9cosdUUtdtU负载电流的平均值20.9cosddUUIRR阻感负载时当ɑ最小时，用数字示波器观察到的图形如下所示四川大学电力电子实验报告17上图中由于图像的电压灵敏度较低，所以调高电压灵敏度后得到下图ɑ最小时Ud的波形调节移相可调电位器RP，使触发角ɑ=90°，用示波器观测波形四川大学电力电子实验报告18调节移相可调电位器RP，使触发角ɑ最大时，用示波器观测波形1)调节触发角α在较大值（便于观察到电流断续），保持α不变，调节负载电阻值由最大逐步减小，同时观察电流表指针，直到输出波形出现明显电流断续时，停止调四川大学电力电子实验报告19节电阻,拍摄输出电压波形图如下图2)2）继续减小负载电阻值，直到观测到输出波形出现临界断续时，停止调节电阻，拍摄输出电压波形图如下图所示3）继续减小负载电阻值（依然保持Id＜0.6A），直到示波器上出现连续电流波形时，停止调节电阻，拍摄输出波形图如下图所示四川大学电力电子实验报告205、“失控”现象波形观察调整控制角α或负载电阻，使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角α快速推到180°），制造失控现象，记录失控前后的Ud波形。1）调整控制角α或负载电阻，使Id≈0.6A，拍摄晶闸管失控前波形如下图所示：2