電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義

（修訂一）

目錄

第一章實(shí)驗(yàn)的基本要求.............................3

第二章電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目......................6

2-4西門子TCA785集成觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)............................................6

2-5單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)..................................................9

2-7單相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn).......................................12

2-11三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)......................................15

212單相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)..................................................18

第三章現(xiàn)代電力電子器件特性及典型線路實(shí)驗(yàn)..........21

3-3直流斬波電路的性能研究...................................................21

3-4SPWM單相交直交變頻原理實(shí)驗(yàn)..............................................28

第一章實(shí)驗(yàn)的基本要求

一、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)階段，是保證實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行的必要步驟。每次實(shí)驗(yàn)前都應(yīng)

先進(jìn)行預(yù)習(xí)，從而提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和效率，否則就有可能在實(shí)驗(yàn)時(shí)不知如何下手、

浪費(fèi)時(shí)間，完不成實(shí)驗(yàn)要求，甚至有可能損壞實(shí)驗(yàn)裝置。因此，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)做到：

(1)復(fù)習(xí)教材中與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的內(nèi)容，熟悉與本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)。

(2)閱讀本教材中的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，了解本次實(shí)驗(yàn)的目的和內(nèi)容；掌握本次實(shí)

驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理和方法；明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

(3)寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告，其中應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)接線圖、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記

錄表格等。

(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，一?般情況下，電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)分組為每組1?2人，交、

直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)小組為每組2?3人。

二、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程

在完成理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)等環(huán)節(jié)后，就可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段。實(shí)驗(yàn)時(shí)要做

到以下幾點(diǎn)：

(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，指導(dǎo)教師要對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告作檢查，要求學(xué)生了解本次

實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和方法，只有滿足此要求后，方能允許實(shí)驗(yàn)。

(2)指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置作介紹，要求學(xué)生熟悉本次實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、

儀器，明確這些設(shè)備的功能與使用方法。

(3)按實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)小組成員應(yīng)進(jìn)行明確的分工，以保證實(shí)驗(yàn)操

作協(xié)調(diào)，記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，各人的任務(wù)應(yīng)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中實(shí)行輪換，以便實(shí)驗(yàn)參

加者能全面掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高動(dòng)手能力。

(4)按預(yù)習(xí)報(bào)告上的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)詳細(xì)線路圖進(jìn)行接線，一般情況卜，接線次

序?yàn)橄戎麟娐?，后控制電路；先串?lián)，后并聯(lián)。在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，也可由

2人同時(shí)進(jìn)行主電路和控制電路的接線。

(5)完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線后，必須進(jìn)行自查。串聯(lián)回路從電源的某一端出發(fā),

按回路逐項(xiàng)檢查各儀表、設(shè)備、負(fù)載的位置、極性等是否正確；并聯(lián)支路則檢查

方可進(jìn)行。

3、為了提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的效率，學(xué)生獨(dú)立完成接線或改接線路后，應(yīng)仔細(xì)

再次核對(duì)線路，并使組內(nèi)其他同學(xué)引起注意后方可接通電源。

4、如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)流告警，應(yīng)仔細(xì)檢查線路以及電位器的調(diào)節(jié)參

數(shù)，確定無(wú)誤后方能重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5、在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意所接儀表的最大量程，選擇合適的負(fù)載完成實(shí)驗(yàn)，以免

損壞儀表、電源或負(fù)載。

6、在完成電流、轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)前一定要確保反饋極性是否正確，應(yīng)構(gòu)成負(fù)

反饋，避免出現(xiàn)正反饋，造成過(guò)流。

7、除特殊說(shuō)明外，系統(tǒng)起動(dòng)前負(fù)載電阻必須放在最大阻值，給定電位器必

須退回至零位后，才允許合閘起動(dòng)并慢慢增加給定，以免元件和設(shè)備過(guò)載損壞。

8、在直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要先開(kāi)勵(lì)磁電源，后加電樞電壓。在完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，

要先關(guān)電樞電壓，再關(guān)勵(lì)磁電源。

第二章電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2-1西門子TCA785集成觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

⑴加深理解鋸齒波集成同步移相觸發(fā)電路的工作原理及各元件的作用。

⑵掌握西門子的Tca785集成鋸齒波同步移和觸發(fā)電路的調(diào)試方法。

二、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件

序號(hào)型號(hào)備注

該控制屏包含“三相電源輸

1DK01電源控制屏

出”等幾個(gè)模塊。

該掛件包含“TCA785單相集成

2DK05晶閘管觸發(fā)電路

觸發(fā)電路”等模塊。

3雙蹤示波器自備

三、實(shí)驗(yàn)線路及原理

單相集成鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的內(nèi)部框圖如圖2-10所示。

Tca785集成塊內(nèi)部主要由“同步寄存器”、“基準(zhǔn)電源”、“鋸齒波形成

電路”、“移相電壓”和“鋸齒波比較電路”和“邏輯控制功率放大”等功能塊

組成。

同步信號(hào)從TCA785的第5腳輸出，“過(guò)零檢測(cè)”部分對(duì)同步電壓信號(hào)進(jìn)行

檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到同步信號(hào)過(guò)零時(shí)，信號(hào)送“同步寄存器”。

“同步寄存器”輸出控制鋸齒波發(fā)生電路，鋸齒波的斜率大小由第9腳外接

電阻和■腳外接電容決定;輸出脈沖寬度由12腳外接電容的大小決定;14、15

腳輸出對(duì)應(yīng)負(fù)半周和正半周的觸發(fā)脈沖，移相控制電壓從11腳輸入。

圖2-10Tca785內(nèi)部框圖

典型應(yīng)用電路如下圖所示:

82-11Tca785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖

電位器RP1主要調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率，電位器RP2則調(diào)節(jié)輸入的移相控制電壓，脈沖從14、

15腳輸出，輸出的脈沖恰好互差180°,可供單相整流及逆變實(shí)驗(yàn)用，各點(diǎn)波形請(qǐng)參考圖2-12。

圖2T2要相集成鋸齒波觸發(fā)電路的各點(diǎn)電壓波形（a=90°）

電位器RP1、RP2均已安裝在掛箱的面板上，同步變區(qū)器副邊已在掛箱內(nèi)部接好，所有的

測(cè)試信號(hào)都在面板上引出。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

⑴Tca785集成移相觸發(fā)電路的調(diào)試。

(2)Tca785集成移相觸發(fā)電路各點(diǎn)波形的觀察和分析。

五、預(yù)習(xí)要求

閱讀有關(guān)Tca785觸發(fā)電路的內(nèi)容，弄清觸發(fā)電路的工作原理。

六、思考題

(l)Tca785觸發(fā)電路有哪些特點(diǎn)？

(2)Tca785觸發(fā)電路的移相范圍和脈沖寬度與哪些參數(shù)有關(guān)？

七、實(shí)驗(yàn)方法

特別注意：“主電路電源輸出“部分左邊U,V,W三相電壓是未經(jīng)隔離的交

流380V電壓(兩相之間線電壓)，它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主

電路電源輸出”部分右邊A,B,C三相電壓是經(jīng)隔離變壓器輸出的交流220V電壓

(兩相之間線電壓)，它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、

C處的發(fā)光管發(fā)光時(shí)，可向外電路提供220V/L5A的三相交流電源，且左右部分

兩個(gè)中線N之間是沒(méi)有電氣連接的，請(qǐng)不要混用。

(1)用兩根導(dǎo)線將電源控制屏“主電路電源輸出”的人與【3問(wèn)220V交流線電壓接到DK05

的“外接220V”端，按下“啟動(dòng)”按鈕，打開(kāi)DK05電源尹關(guān)，這時(shí)掛件中所有的觸發(fā)電路都

開(kāi)始工作，用雙蹤示波器一路探頭觀測(cè)15V的同步電壓信號(hào)，另一路探頭觀察Tca785觸發(fā)電

路中同步信號(hào)“1”點(diǎn)的波形，“2”點(diǎn)鋸齒波，調(diào)節(jié)斜率電位器RP1,觀察“2”點(diǎn)鋸齒波的

斜率變化，“3”、“4”互差180°的觸發(fā)脈沖：最后觀測(cè)輸出的四路觸發(fā)電壓波形，其能否

在30°?170°范圍內(nèi)移相？

①同時(shí)觀察同步電壓和“1”點(diǎn)的電壓波形，了解“1”點(diǎn)波形形成的原因。

②觀察“2”點(diǎn)的鋸齒波波形，調(diào)節(jié)電位器RP1,觀測(cè)“2”點(diǎn)鋸齒波斜率的變化。

③觀察“3”、“4”兩點(diǎn)輸出脈沖的波形，記下各波形的幅值與寬度。

(2)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的移相范圍

調(diào)節(jié)RP2電位器，用示波器觀察同步電壓信號(hào)和“3”點(diǎn)心的波形，觀察和記錄觸發(fā)脈沖

的移相范圍。

(3)調(diào)節(jié)電位器RP2使a=60°,觀察并記錄5?U,及輸出“G、K”脈沖電壓的波形,標(biāo)

出其幅值與寬度，并記錄在下表中(可在示波器上直接讀出，讀數(shù)時(shí)應(yīng)將示波器的“V/DIV”

和“t/DIV”微調(diào)旋鈕旋到校準(zhǔn)位置)。

U1U2U3U4

幅值(V)

寬度(ms)

八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

(1)整理、描繪實(shí)驗(yàn)中記錄的各點(diǎn)波形，并標(biāo)出其幅值和寬度。

(2)討論、分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。

九、注意事項(xiàng)

參照實(shí)驗(yàn)一的注意事項(xiàng)。

2-2單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)掌握單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的調(diào)試步驟和方法。

(2)掌握單相半波可控整流電路在電阻性負(fù)載及電阻電感性負(fù)載時(shí)的工作以及其整流

輸出電壓(Ud)波形。

(3)了解續(xù)流二極管的作用。

二、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件

序號(hào)型號(hào)備注

1電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”模塊

2DK03晶閘管上電路該掛件包含“晶閘管”、“電感”、“二極管”等模塊

3DK05單相晶閘管觸發(fā)電該掛件包含“單結(jié)晶體管觸發(fā)電路”模塊

路

4DQ27三相可調(diào)電阻器調(diào)到最大,最小處附近時(shí)不要用力過(guò)猛

5雙蹤示波器實(shí)驗(yàn)室自備

6萬(wàn)用表實(shí)驗(yàn)室自備

三、實(shí)驗(yàn)線路及原理

將DK05掛件上的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的輸出端“G”和“K”接到DK03掛件面板上的正橋

中的任意一個(gè)晶閘管的門極和陰極，接線如圖2T3所示。圖中的R負(fù)載用450Q電阻(將兩個(gè)

900。接成并聯(lián)形式)。電感L在DK03面板上，有100mH,200mH、700mH三檔口J供選擇，本實(shí)

驗(yàn)中選用700mH。直流電壓表及直流電流表從DK03掛件上得到。二極管在DK03上(或選用DK08

掛件)。

主

電

電

電

路<A>

阻

阻

電

本

電

性,I)1

源

感

負(fù)

輸

性

載

出①ui

負(fù)

P載

DKO5單結(jié)晶且

體管觸￥

掛件發(fā)電路A

圖2-13單相半波可控整流電路接線圖

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的調(diào)試。

(2)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路各點(diǎn)電壓波形的觀察并記錄。

(3)單相半波可控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)山/上二f(。)特性的測(cè)定。

(4)單相半波可控整流電路帶電阻電感性負(fù)載時(shí)續(xù)流二極管作用的觀察。

五、實(shí)驗(yàn)方法

(1)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的調(diào)試

特別注意：“主電路電源輸出“部分左邊U,V,W三相電壓是未經(jīng)隔離的交

流380V電壓(兩相之間線電壓)，它們和中線N之間的相電壓為220V左右，而“主

電路電源輸出“部分右邊A,B,C三相電壓是經(jīng)隔離變壓器輸出的交流220V電壓

(兩相之間線電壓)，它們和中線N之間的相電壓為127V左右，三相輸出端A、B、

C處的發(fā)光管發(fā)光時(shí)，可向外電路提供220V/L5A的三相交流電源，且左右部分

兩個(gè)中線N之間是沒(méi)有電氣連接的，請(qǐng)不要混用。

用兩根導(dǎo)線將電源控制屏“主電路電源輸出”A與B間的220V交流線電壓(隔

離變壓器輸出)接到DK05的“外接220V”端，按下“啟動(dòng)”按鈕，打開(kāi)DK05電源

開(kāi)關(guān)，用雙蹤示波器觀察單結(jié)晶體管觸發(fā)電路中整流輸出的梯形波電壓、鋸齒波電壓及單

結(jié)晶體管觸發(fā)電路輸出電壓等波形。調(diào)節(jié)移相電位器RP：,觀察鋸齒波的周期變化及輸出脈

沖波形的移相范圍能否在30°?170。范圍內(nèi)移動(dòng)？

(2)單相半波可控整流電路接電阻性負(fù)載

觸發(fā)電路調(diào)試正常后，按圖2T3電路圖接線。將電阻器調(diào)在最大阻值位置，按下“啟動(dòng)”

按鈕，用示波器觀察負(fù)載電壓山、晶閘管VT兩端電壓Uv1的波形，調(diào)節(jié)電位器RP1,觀察a=30°、

60°、90°、120°、150°時(shí)U”LU的波形，并測(cè)量直流輸出電壓業(yè)和電源電壓記錄于

下表中。

a30°60°90°120°150°

也

1(記錄值)

Ud/U2

Ud(計(jì)算值)

“算公式：Ud-0.4512(1+cosa)/2

(3)單相半波可控整流電珞接電阻電感性負(fù)載

將負(fù)載電阻R改成電阻電感性負(fù)載(由電阻器與平波電抗器串聯(lián)而成)。暫不接續(xù)流

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

(1)畫(huà)出a=90。時(shí)，電阻性負(fù)載和電阻電感性負(fù)載的山、風(fēng)波形。

(2)畫(huà)出電阻性負(fù)載時(shí)Ud/U=f(a)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與計(jì)算值山的對(duì)應(yīng)曲線相比較。

七、注意事項(xiàng)

(1)參照第一節(jié)的注意事項(xiàng)。

(2)在本實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)電路選用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，同樣也可以用鋸齒波同步移相

觸發(fā)電路來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。

(3)在實(shí)驗(yàn)中，觸發(fā)脈沖是從外部接入DK03面板上晶閘管的門極和陰極，此時(shí),請(qǐng)不要

用扁平線將DK03、DK04的正反橋觸發(fā)脈沖“輸入”“輸出”相連,并將U”及小懸空，避免誤

觸發(fā)。

(4)為避免晶閘管意外損壞，實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

①在主電路未接通時(shí)，首先要調(diào)試觸發(fā)電路，只有觸發(fā)電路工作正常后，才可以接通

主電路。

②在接通主電路前，必須先將控制電壓U「調(diào)到零，且將負(fù)載電阻調(diào)到最大阻值處：接

通主電路后，才可逐漸加大控制電壓lb,避免過(guò)流。

③要選擇合適的負(fù)載電阻和電感，避免過(guò)流。在無(wú)法確定的情況下，應(yīng)盡可能選用大

的電阻值。

(5)由于晶閘管持續(xù)工作時(shí)，需要有一定的維持電流，故要使晶閘管主電路可靠工作,

其通過(guò)的電流不能太小，否則可能會(huì)造成晶閘管時(shí)斷時(shí)續(xù)，工作不可靠。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，

要保證晶閘管正常工作，負(fù)載電流必須大于50mA以上。

(6)在實(shí)驗(yàn)中要注意同步電壓與觸發(fā)相位的關(guān)系，例如在單結(jié)晶體管觸發(fā)電路中，觸發(fā)

脈沖產(chǎn)生的位置是在同步電壓的上半周，而在鋸齒波觸發(fā)電路中，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的位置是在

同步電壓的下半周，所以在主電路接線時(shí)應(yīng)充分考慮到這個(gè)問(wèn)題，否則實(shí)驗(yàn)就無(wú)法順利完成。

(7)使用電抗器時(shí)要注意其通過(guò)的電流不要超過(guò)1A,保證線性。

2-3單相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)理解單相橋式全控整流及逆變電路的工作原理。

(2)掌握實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件。

(3)掌握產(chǎn)生逆變顛覆的原因及預(yù)防方法。

二、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件

序號(hào)型號(hào)備注

1該控制屏包含“三相電源輸出”等模塊

電源控制屏

2DK03晶閘管主電路該掛件包含“晶閘管”以及“電感”等模塊

3DK05單相晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“裾齒波同步觸發(fā)電路”模塊

4該掛件包含“三相芯式變壓器”、“三相不控整

DK12變壓器實(shí)驗(yàn)

流”等模塊

5DQ27三相可調(diào)電阻器調(diào)到最大,最小處附近時(shí)不要用力過(guò)猛

6雙蹤示波器自備

7萬(wàn)用表自備

三、實(shí)驗(yàn)線路及原理

圖2-15為單相橋式整流帶電阻電感性負(fù)載，其輸出負(fù)載R用450。可調(diào)電阻器(將兩個(gè)900

Q接成并聯(lián)形式)，電抗UIJDK03面板上的200mIL宜流電壓、電流表均在DK03面板上。觸

發(fā)電路采用DKO5掛件上的“鋸齒波同步移相觸發(fā)電路1、II”鋸齒波觸發(fā)脈沖Gl,K1加到

VT1的控制極和陰極，鋸齒波觸發(fā)脈沖G4,K4加到VT6控制極和陰極。鋸齒波觸發(fā)脈沖G2,

K2加到VT4的控制極和陰極，鋸齒波觸發(fā)脈沖G3,K3加到VT3控制極和陰極。

圖2T6為單相橋式有源逆變?cè)韴D，三相電源經(jīng)三相不控整流，得到一個(gè)直流電源(實(shí)

驗(yàn)時(shí)注意電源的極性)，供逆變橋路使用，逆變橋路逆變出的交流電壓經(jīng)升壓變壓器返

饋回電網(wǎng)。“芯式變壓器”在此做為升壓變壓器用，從晶閘管逆變出的電壓接“芯式變壓

器”的中壓端Am、Bm,返回電網(wǎng)的電壓從其高壓端A、B輸出，變壓器接成Y/Y接法。圖中的

電阻R、電抗Ld和觸發(fā)電路與整流所用相同。

有關(guān)實(shí)現(xiàn)有源逆變的必要條件等內(nèi)容可參見(jiàn)電力電子技術(shù)教材的有關(guān)內(nèi)容。

三

線

相

電

電

壓

源

2

輸2

0

出V

D鋸齒波觸發(fā)電路I

K

O

5鋸齒波觸發(fā)電路II

圖2T5單相橋式整流實(shí)驗(yàn)原理圖

-三

三三三

線相線

相相相

電不電

電芯電

壓壓

源式控源

2

輸2變整輸

2

2

0

出0密流出

V

V

路I

發(fā)電

波觸

鋸齒

O

路11

發(fā)電

波觸

鋸齒

5

理圖

驗(yàn)原

路實(shí)

變電

源逆

式有

相橋

6單

圖2T

內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)

四、

負(fù)載。

阻電感

路帶電

整流電

式全控

單相橋

（1）

負(fù)載。

阻電感

路帶電

逆變電

式有源

單相橋

（2）

。

的觀察

覆現(xiàn)象

逆變顛

變電路

有源逆

（3）

方法

實(shí)驗(yàn)

五、

離

經(jīng)隔

是未

電壓

三相

V,W

邊U,

分左

”部

輸出

電源

電路

：“主

注意

特別

（1）

，

左右