電力電子實驗指導書-tostudents(1)(1)

1、實驗三 三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗一、實驗目的(1)加深理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理。(2)了解KC系列集成觸發(fā)器的調(diào)整方法和各點的波形。二、實驗所需掛件及附件序號型 號備注1DK01 、DK02電源控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊2DJK02 晶閘管主電路 3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路包含“觸發(fā)電路”,“正反橋功放”等幾個模塊。4DJK06 給定及實驗器件包含“給定”等幾個模塊5DK23、DK24 變壓器實驗包含“逆變變壓器”以及“三相不控整流”6D42三相可調(diào)電阻7雙蹤示波器自備8萬用表自備三、預習要求(1)閱讀電力電子技術教材中有關三相橋式全控整流電路的

2、有關內(nèi)容。(2)閱讀電力電子技術教材中有關有源逆變電路的有關內(nèi)容，掌握實現(xiàn)有源逆變的基本條件。(3)學習本實驗中有關集成觸發(fā)電路的內(nèi)容，掌握該觸發(fā)電路的工作原理。四、實驗線路及原理1主電路1.1 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路實驗線路如圖3-1所示。主電路由三相全控整流電路組成，VT1、VT3、VT5為共陰極組，VT4、VT6、VT2為共陽極組。當DK02“調(diào)速電源選擇開關”置于“直流調(diào)速”側時，三相電源輸出可提供三相交流200V/3A電源（線電壓為200V）。同時在三相電源輸出回路中還裝有電流互感器，電流互感器，可測定主電源輸出電流的大小，供電流反饋和過流保護使用，面板上的TA1、

3、TA2、TA3三處觀測點用于觀測三路電流互感器輸出電壓信號。 圖3-1 三相橋式全控整流電路實驗原理圖圖中的6只晶閘管按VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的順序觸發(fā)，相位依次相差60°。為了保證電路能正常啟動和電流斷續(xù)后能再觸發(fā)導通，必須給共陰極組和共陽極組對應的兩個管子同時加上觸發(fā)脈沖（即在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給前一個晶閘管補發(fā)一個脈沖）。因此對每個管子觸發(fā)，都是相隔60°的雙脈沖（或寬度大于60°的寬脈沖，常用雙脈沖）。1.2 三相橋式有源逆變電路三相橋式有源逆變電路實驗線路如圖3-2所示。主電路由三相全控整流電路及作為逆變直流電源的三相不控整流

4、電路組成，電感Ld在DJK02面板上，選用700mH。圖3-2 三相橋式有源逆變電路實驗原理圖為實現(xiàn)三相橋式有源逆變，需一反向的直流電源，即三相不控整流的極性為上負下正。同時逆變和整流的區(qū)別僅僅是控制角a的不同。0<a <p/2時，電路工作在整流狀態(tài)，p /2< a < p 時，電路工作在有源逆變狀態(tài)，因而三相橋式有源逆變電路的觸發(fā)可沿用整流的辦法。2.集成觸發(fā)電路及功放電路工作原理2.1 集成觸發(fā)電路工作原理DJKO2-1中的集成觸發(fā)電路原理如圖3-3所示。電路由KCO4、KC4l、KC42等集成芯片組成，可輸出經(jīng)高頻調(diào)制后的雙窄脈沖鏈。 圖3-3 KC04集成觸發(fā)電

5、路原理三相同步電壓信號從三路KC04的“8”腳輸入，在其“4”腳相應形成線性增加的鋸齒波，移相控制電壓Uct和偏移電壓Ub經(jīng)疊加后，從“9”腳輸入。當觸發(fā)脈沖選擇的鈕子開關撥到窄脈沖側時，通過控制4066（電子開關），使得每個KC04從“1、15”腳輸出相位相差180°的單窄脈沖(VT1VT6為單脈沖觀測孔)，窄脈沖經(jīng)KC41（六路雙脈沖形成器）后，得到六路雙窄脈沖(VT1VT6為雙脈沖觀測孔)。KC42為調(diào)制信號發(fā)生器，對窄脈沖進行高頻調(diào)制。1) KC04工作原理國產(chǎn)集成觸發(fā)器KC04是KC系列觸發(fā)器中的一個典型代表，其兩路相位間隔180º的移相脈沖，可方便的構成半控、全

6、控橋式觸發(fā)線路。該集成電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位值均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求不嚴、有脈沖列調(diào)制輸入及脈沖封鎖控制等優(yōu)點，在實際線路中有著十分廣泛的應用。KC04電路內(nèi)部原理如圖3-4所示， T1T3對同步電壓進行檢測，在同步電壓過零點時T1、T2、T3均截止，從而使T4導通，T4導通則使“4”端外接的積分電容C1放電。當過零結束后，T4恢復截止狀態(tài)。C1接在T5的集基極，組成密勒積分器，形成線性增大的鋸齒波，鋸齒波的斜率由“3”端外接的電阻和積分電容C1的數(shù)值所決定。T6是比較放大級，鋸齒波、外部的移相電壓及偏移電壓在T6的基極進行綜合比較放大，當輸入T6基

7、極的電流大于零時，T6導通，外接的R和C將T6集電極的脈沖進行微分，輸入T7基極，在T7集電極得到一定寬度的移相脈沖。在T7集電極上得到的脈沖是正負半周都有的相隔180度的脈沖。經(jīng)過T8和T12分別截去負半周和正半周的脈沖，得到正相和負相的觸發(fā)脈沖。T9T15是功放極，分別對正、負半周的脈沖作功率放大，使兩個輸出端都圖3-4 KC04電路內(nèi)部原理圖圖3-5 KC04各管腳說明及各管腳電壓波形引腳號123,456,107功能輸出懸空鋸齒波形成-VEE懸空地引腳號8911,1213,141516功能同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調(diào)制輸出+VCC有100A的輸出能力。13、14端提供脈沖列調(diào)制和脈沖封

8、鎖的控制端。KC04各管腳說明及各管腳電壓波形圖3-5所示。2）三相同步電壓三相同步信號是從電源控制屏內(nèi)獲得，屏內(nèi)裝有D/Y接法的三相同步變壓器，和主電源輸出保持同相，其輸出相電壓幅度為15V左右。只要將DJK02的“三相同步信號輸出”端和DJK02-1“三相同步信號輸入”端相連，即可引入三相同步電壓。（當KC04用于三相橋式變流電路時，要求選用滯后主電路電壓300的同步信號電壓。由于三相同步信號經(jīng)滯后移相300的阻容濾波電路送至各相KC04的8端，使得同步信號電壓與主電路電壓同步）。3）觸發(fā)角調(diào)節(jié)偏移電壓和移相控制電壓疊加確定觸發(fā)脈沖的位置。當偏移電壓（目的是為了確定移相控制電壓為零時，觸發(fā)

9、脈沖的初始相位）為定值時，增加移相控制電壓，觸發(fā)角前移（減?。?；減小移相控制電壓，觸發(fā)角后移（增大）。4）KC41 和KC42工作原理KC41六路雙脈沖形成器是脈沖邏輯電路，內(nèi)部電路原理圖如圖3-6所示，具有雙脈沖形成和電子開關控制封鎖雙脈沖形成二種功能。當把移相觸發(fā)器輸出的觸發(fā)脈沖輸入到KC41電路的“1”“6”端時，由輸入二極管完成了補脈沖，再由T1T6進行電流放大分六路輸出。補脈沖按21，32，43，54，65，16順序排列組合。T7是電子開關，當控制“7”端接邏輯“0”電平時T7截止，各路有輸出觸發(fā)脈沖。當控制“7”端接邏輯“1”電平（+15V）時，T7導通，各路無輸出。圖3-6KC4

10、1電路內(nèi)部原理圖 圖3-7 KC42電路內(nèi)部原理圖KC42為脈沖列調(diào)制形成器，具有脈沖占空比可調(diào)性好，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，觸發(fā)脈沖上升沿可與調(diào)制信號同步等優(yōu)點。KC42電路內(nèi)部原理圖如圖3-7所示。以三相全控橋式電路為例，來自三塊觸發(fā)器（KC04）的“13”端的觸發(fā)脈沖信號分別送入KC42電路的“2”，“4”，“12”端，由T1、T2、T3進行節(jié)點邏輯或組合。T5、T6、T8組成一個環(huán)形振蕩器，由T4的集電極輸出來控制環(huán)形振蕩器的起振和停振，當沒有輸入脈沖時，T4導通振蕩器停振。反之T4截止振蕩器起振。T6集電極輸出是一系列與來自三相六個觸發(fā)脈沖的前沿同步間隙60º的脈沖。經(jīng)T7倒相放大

11、分別輸入三塊觸發(fā)器（KC04）的“14”端。此時從KC04電路的“1”和“15”端輸出是調(diào)制后的脈沖列觸發(fā)脈沖。4066為電子開關。當觸發(fā)脈沖選擇的鈕子開關撥到窄脈沖側時，通過控制4066，使得每個KC04輸出窄脈沖。將鈕子開關撥到寬脈沖側時，通過控制4066，使得KC04輸出寬脈沖，同時將KC41的控制端“7”腳接高電平，使KC41停止工作，寬脈沖則通過4066的“3、9”兩腳直接輸出。4069為反相器，它將部分控制信號反相，用以控制4066。圖2-8 功放電路原理圖2.2 正、反橋功放電路及脈沖輸出正、反橋功放電路的原理以正橋的一路為例，如圖3-8所示。由晶閘管觸發(fā)電路輸出的脈沖信號經(jīng)功放

12、電路中的V2、V3三極管放大后由脈沖變壓器T1輸出。正橋共有六路功放電路，其余的五路電路完全與這一路一致。Ulf即為DJKO2面板上的Ulf ,該點接地才可使V3工作，觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖經(jīng)功放電路最終輸出；當端子懸空表示功放不工作；Ulf端子控制正橋功放，Ulr端子控制反橋功放。經(jīng)功放電路放大的觸發(fā)脈沖，通過專用的20芯扁平線將DJK02“正反橋脈沖輸入端” 與DJK02-1上的“正反橋脈沖輸出端”連接，為其晶閘管提供相應的觸發(fā)脈沖。五、實驗內(nèi)容與實驗步驟1DJK02和DJK02-1上的“觸發(fā)電路”調(diào)試 1）打開DK01總電源開關，觀察輸入的三相電網(wǎng)電壓是否平衡（即是否有缺相、過壓指示，相序是

13、否為正相序）。2）將DK02“電源控制屏”上“調(diào)速電源選擇開關”撥至“直流調(diào)速”側。3）用10芯的扁平電纜將DJK02的“三相同步信號輸出”端和DJK02-1“三相同步信號輸入”端相連，打開DJK02-1電源開關，撥動 “觸發(fā)脈沖指示”鈕子開關，使“窄”的發(fā)光管亮。4）適當調(diào)節(jié)A相鋸齒波斜率電位器，用雙蹤示波器觀察A相鋸齒波斜率和VT1的輸出波形，使VT1的脈沖出現(xiàn)在A相鋸齒波斜率150°位置。以A相的鋸齒波為基準，調(diào)節(jié)B、C相鋸齒波斜率調(diào)節(jié)電位器，使B、C相鋸齒波斜率與A相相同。注意：示波器基準線接移相控制電壓的接地端。5）打開DJK06的電源開關，將DJK06的接地與DJK02-

14、1共地（即將DJK06的給定地與DJK02-1的移相控制電壓接地相連）。將DJK06上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開關S1撥到正給定，開關S2撥到接地位置（即Uct=0），調(diào)節(jié)DJK02-1上的偏移電壓電位器Rp，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號和VT1的輸出波形，使=150°。6）保持偏移電壓電位器Rp不變，將給定Ug的正電壓調(diào)至最?。鏁r針旋轉到底），給定開關S2撥到給定狀態(tài)。7）適當增加給定Ug的正電壓輸出，測量VT1VT66個雙窄脈沖是否互差60°。8）用8芯的扁平電纜，將DJK02-1面板上“觸發(fā)脈沖輸出”和“觸發(fā)脈沖輸

15、入”相連，使得觸發(fā)脈沖加到正反橋功放的輸入端。9）將DJK02-1面板上正橋功放的Ulf端接地。用20芯的扁平電纜，將DJK02-1的“正橋觸發(fā)脈沖輸出”端和DJK02“正橋觸發(fā)脈沖輸入”端相連，并將DJK02“正橋觸發(fā)脈沖”的六個開關撥至“通”。2. 三相橋式全控整流電路 1）電阻性負載 關閉主電路電源，按圖3-1接線。R選用D42三相可調(diào)電阻，將兩個900接成并聯(lián)形式（盡量用帶保險絲的A1A3或B相、C相電阻構成），直流電壓、電流表由DJK02獲得。 將DJK06上的 “給定”輸出調(diào)到零(正給定Rp1逆時針旋到底)，且將負載電阻調(diào)至最大阻值處（電阻接入電路之前用萬用表測量后確認）。 按下“

16、啟動”按鈕，調(diào)節(jié)給定電位器，使示波器顯示整流電壓六個波頭。若波形不整齊，則調(diào)節(jié)DJK02-1上的三相鋸齒波斜率調(diào)節(jié)電位器使波形整齊。 調(diào)節(jié)給定電位器，用示波器觀察并記錄=0°、30°、60°及90°時整流電壓Ud和晶閘管兩端電壓Uvt的波形，并記錄相應的Ud數(shù)值于表3-1中。表3-1 不同觸發(fā)角時電壓的波形與數(shù)值負載性質Ud（記錄）Ud（計算）須測量U2相電壓ud波形uVT波形整流電路電阻性負載0°30°60°90°120°阻感性負載0°30°60°90°(=90&

17、#176;)有源逆變電路120°(=60°)150°(=30°)2）電阻電感性負載 關閉主電路電源，將“給定”輸出調(diào)到零（正給定Rp1逆時針旋到底）。 將電感串入負載電路中，電感Ld在DJK02面板上，選用700mH。 按“啟動”按鈕，調(diào)節(jié)給定電位器，記錄=0°、30°、60°及90°時整流電壓Ud、晶閘管兩端電壓Uvt的波形，并記錄相應的Ud數(shù)值于表2-1中。 3三相橋式有源逆變電路關閉主電路電源，按圖3-2接線，圖中電阻、電感與整流電路一致，三相不控整流及三相心式變壓器在DJK10掛件上，其中心式變壓器接成Y/

18、Y接法，三相電源輸出接心式變壓器的高壓端A、B、C，心式變壓器的中壓端Am、Bm、Cm接三相橋式有源逆變電路的主電路。 將DJK06上的 “給定”輸出調(diào)到零(正給定Rp1逆時針旋到底)，將電阻器放在最大阻值處。 按下“啟動”按鈕，調(diào)節(jié)給定電位器，使角在30°90°（即在150°90°）范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。用示波器觀察并記錄=30°、60°、90°時整流電壓Ud和晶閘管兩端電壓UVT的波形，并記錄相應的Ud數(shù)值于表2-1中。六、實驗報告(1)畫出電路的移相特性Ud =f()。(2)畫出=0°、30°、60°

19、;、90°、120°、150°時，整流電壓Ud、晶閘管兩端電壓UVT的波形。（3）分析如何解決主電路和觸發(fā)電路的同步問題？在本實驗中，主電路三相電源的相序可任意設定嗎?(4)在本實驗的整流及逆變時，對角有什么要求?為什么?七、注意事項1.本實驗主電路輸出直流電壓可以達到300V左右，要注意用電安全。2.示波器兩個探頭的基準線都與示波器的外殼相連，所以兩個探頭的基準線不能同時接在同一電路的不同點位的兩個點上，否則這兩點會通過示波器外殼發(fā)生電氣短路。當需要同時觀察兩個信號時，必須在被測電路中找到這兩個信號的公共點，將一個探頭的基準線接于此處（另一個探頭的基準線不接），

20、兩探頭分別接至被測信號，這樣才能在示波器同時觀測兩個信號時，不發(fā)生意外。3.在接通主電路前，必須先將控制電壓Uct調(diào)到最小（正給定Rp1逆時針旋轉到底），且將負載電阻調(diào)至最大阻值處（電阻接入電路之前用萬用表測量后確認）；接通主電路后，逐漸增加控制電壓，避免過流（注意Id不得超過0.65A）。4.U2相電壓的測量由DK01交流電壓表獲得。實驗五 直流斬波電路的性能研究（六種典型線路）一、 實驗性質綜合性試驗二、實驗目的1熟悉直流斬波電路的工作原理。2熟悉各種直流斬波電路的組成及其工作特點。3了解PWM控制與驅動電路的原理及其常用的集成芯片。4. 掌握脈沖調(diào)制電路的測試及負載電壓波形的分析。三、實

21、驗設備1天煌DJDK-2型電力電子技術及電機控制實驗裝置2萬用表3.雙蹤示波器四、實驗電路及原理1、主電路降壓斬波電路(Buck Chopper)降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖5-1所示。圖中V為全控型器件，選用IGBT。D為續(xù)流二極管。由圖5-1b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向負載供電，UD=Ui。當V處于斷態(tài)時，負載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。負載電壓的平均值為：式中ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，為導通占空比，簡稱占空比或導通比(=ton/T)。由此可知，輸出到

22、負載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。(a)電路圖 (b)波形圖圖5-1 降壓斬波電路的原理圖及波形升壓斬波電路(Boost Chopper)升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖5-2所示。電路也使用一個全控型器件V。由圖5-2b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C1上的電壓向負載供電，因C1值很大，基本保持輸出電壓UO為恒值。設V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L1上積蓄的能量為UiI1ton。當V處于斷態(tài)時Ui和L1共同向電容C1充電，并向負載提供

23、能量。設V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為(UO-Ui) I1ton。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：UiI1ton = (UO-Ui) I1toff上式中的T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。(a)電路圖 (b)波形圖圖5-2 升壓斬波電路的原理圖及波形2、控制與驅動電路控制電路以SG3525為核心構成，SG3525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，其內(nèi)部電路結構及各引腳功能如圖5-7所示，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，內(nèi)部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、

24、比較器、分頻器和保護電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相差、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關電源、斬波器的控制。詳細的工作原理與性能指標可參閱相關的資料。 圖5-7 SG3525芯片的內(nèi)部結構與所需的外部組件四、實驗內(nèi)容（1）控制與驅動電路的測試（2）六種直流斬波器的測試五、思考題(1)直流斬波電路的工作原理是什么？有哪些結構形式和主要元器件？(2)為什么在主電路工作時不能用示波器的雙蹤探頭同時對兩處波形進行觀測？六、實驗方法 1、控制與驅動電路的測試(1)啟動實驗裝置電源，開啟DJK20控制電路電源開關。(2)調(diào)節(jié)PWM脈寬調(diào)節(jié)電位器改變

25、Ur，用雙蹤示波器分別觀測SG3525的第11腳與第14腳的波形，觀測輸出PWM信號的變化情況，并填入下表。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.511(A)占空比(%)14(B)占空比(%)PWM占空比(%)(3)用示波器分別觀測A、B和PWM信號的波形，記錄其波形、頻率和幅值，并填入下表。觀測點A(11腳)B(14腳)PWM波形類型幅值A (V)頻率f (Hz)(4)用雙蹤示波器的兩個探頭同時觀測11腳和14腳的輸出波形，調(diào)節(jié)PWM脈寬調(diào)節(jié)電位器，觀測兩路輸出的PWM信號，測出兩路信號的相位差，并測出兩路PWM信號之間最小的“死區(qū)”時間。2、直流斬波器的測試(使用一個探頭觀測波

26、形)斬波電路的輸入直流電壓Ui由三相調(diào)壓器輸出的單相交流電經(jīng)DJK20掛箱上的單相橋式整流及電容濾波后得到。接通交流電源，觀測Ui波形，記錄其平均值(注：本裝置限定直流輸出最大值為50V，輸入交流電壓的大小由調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸出)。按下列實驗步驟依次對六種典型的直流斬波電路進行測試。(1)切斷電源，根據(jù)DJK20上的主電路圖，利用面板上的元器件連接好相應的斬波實驗線路，并接上電阻負載，負載電流最大值限制在200mA以內(nèi)。將控制與驅動電路的輸出“V-G”、“V-E”分別接至V的G和E端。(2)檢查接線正確，尤其是電解電容的極性是否接反后，接通主電路和控制電路的電源。(3)用示波器觀測PWM信號的波形、

27、UGE的電壓波形、UCE的電壓波形及輸出電壓Uo和二極管兩端電壓UD的波形，注意各波形間的相位關系。(4)調(diào)節(jié)PWM脈寬調(diào)節(jié)電位器改變Ur，觀測在不同占空比()時，記錄Ui、UO和的數(shù)值于下表中，從而畫出UO=f()的關系曲線。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比(%)Ui(V)Uo(V)七、實驗報告(1)分析圖4-20中產(chǎn)生PWM信號的工作原理。(2)整理各組實驗數(shù)據(jù)繪制各直流斬波電路的Ui/UO-曲線，并作比較與分析。(3)討論、分析實驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。八、注意事項(1)在主電路通電后，不能用示波器的兩個探頭同時觀測主電路元器件之間的波形，否則會造成短路。(2)用示

28、波器兩探頭同時觀測兩處波形時，要注意共地問題，否則會造成短路，在觀測高壓時應衰減10倍，在做直流斬波器測試實驗時，最好使用一個探頭。實驗六 單相并聯(lián)逆變電路一、實驗性質綜合性試驗二、實驗目的1熟悉由GTR組成的單相并聯(lián)逆變電路的工作原理。2了解GTR的驅動和保護。3掌握無源逆變電路的調(diào)試及負載電壓、電流參數(shù)和波形測量。三、實驗設備1高自EADI型電力電子與自控系統(tǒng)實驗裝置2萬用表3雙蹤示波器四、實驗電路及工作原理實驗電路如圖6.1所示。電路分為兩部分，分別為脈沖發(fā)生電路（控制電路）和逆變電路（主回路）兩部分構成。1.脈沖發(fā)生電路由555定時器構成的電路是一個多諧振蕩器。調(diào)節(jié)電位器RP，即可調(diào)節(jié)輸出方波信號的頻率。此電路改變頻率時，占空比也會改變。圖4.2 JK觸發(fā)器的真值表圖6.1中JK觸發(fā)器的工作原理是 在時鐘信號CLK下降沿處翻轉，其輸出端Q的信號與輸入端J、K信號的關系由圖4.2中的真值表