电力电子技术实验指导书
电力系
2013年3月
目 录
第一章 电力电子技术实验的基本要求和安全操作说明
1. 实验的基本要求……………………………………………………… ………………..……2 2. 实验前的准备………………………………………………..…………… …………………2 3. 实验实施………………………………………………………………………………………..2 4. 实验总结………………………………………………………………………………………..3 5. 实验安全操作规程……………………………………………………………………………..3
第二章 电力电子技术实验
实验一 三相桥式全控整流电路实验…………………………………………………………4 实验二 三相全控桥式有源逆变电路实验…………………………………………………7 实验三 交直交变频电路实验………………………………………………………………10 实验四 直流斩波电路的性能研究…………………………………………………………13
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第一章 电力电子技术实验的基本要求
和安全操作说明
一、实验的基本要求
电力电子技术既是一门技术基础课，也是实用性很强的一门课。电力电子实验是该课程理论教学的重要补充和继续，而理论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问题，提高动手能力；同时，通过实验来验证理论，促进理论和实际的结合。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、触发电路和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：
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，每个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。
5、 完成实验系统接线后，必须进行自查。串联回路从电源的一端出发，按回路逐项检查各仪器、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，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。测试记录点的分布应均匀；改接
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线路时，必须断开电源方可进行。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，实验报告的编写应保持严肃认真、实事求是的科学态度。如实验结果与理论有较大的出入时，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：
1、 实验名称、专业、班级、姓名、同组者和实验时间。 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，并列出计算所用的公式。
5、 画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。用理论知识对实验结果进行分析，得出明确的结论。 6、 对实验中出现的现象、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。
五、实验安全操作规程
为了顺利完成电力电子技术实验，确保实验时人身安全和设备可靠运行要严格遵守以下安全操作规程：
1. 在实验过程中，绝对不允许双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。 2. 任何接线和拆线都必须切断电源后进行。
3. 学生独立完成接线或改线后，应仔细再次核对线路，并使同组其他同学注意后方可接通电源。 4. 如果在实验中发生报警，应仔细检查线路以及电位器的位置，确保无误后方能重新进行实验。 5. 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，以免损坏仪器、电源或负载。 6. 各挂件所用保险丝规格和型号是经反复实验选定的，不得私自改变，否则可能会引起不可预测的后果。
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第二章 电力电子技术实验
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。
实验一 三相桥式全控整流电路实验
3. 熟悉其输出波形 二、实验所需挂件及附件
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 DJK02-1三相晶闸管触发电路 该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。 DJK06 给定及实验器件 DJK10 变压器实验 D42 三相可调电阻 双踪示波器 万用表 该挂件包含“二极管”等几个模块。 该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流”。 自备 自备 三、实验内容
1、三相桥式全控整流电路
2、观察三相桥式全控整流电路电阻，电感负载时电压波形 3、观察三相桥式全控整流电路的脉冲波形 4、记录三相桥式全控整流电路的Ud , α角值
四、实验线路及原理
实验线路如图，主电路由三相全控变流电路及控制电路，触发电路为锯齿波移相式触发器。可输出经高频调制后的双窄脉冲链，三相桥式整流电路工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。图中的R均使用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联
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形式；电感Ld在DJK02面板上，选用700mH，直流电压、电流表由DJK02获得。心式变压器在DJK10挂件上，其中心式变压器用作升压变压器，晶闸管逆变电路输出的电压接心式变压器的中压端Am、Bm、Cm，心式变压器的高压端A、B、C接三相电源的电压，变压器接成Y/Y接法。
三相心式变压器三相电源输出
三相桥式全控整流电路实验原理图
五、实验方法
1、按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（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，将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
（2）用示波器观察DJK02-1的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔60o幅度相同的双脉冲。
（3）检查相序，用示波器观察DJK02-1的“VT1”, “VT2”单脉冲观察孔，“VT1”脉冲超前“VT2”脉冲60o,则相序正确，否则，应调整输入电源。
（4）将DJK02-1面板上的Ulf(当三相桥式全控变流电路使用I组桥晶闸管VT1~VT6时)接地，将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V-2V的脉冲。
（5）将DJK06面板的给定器输出Ug接至DJK02-1面板的Uct端，调节DJK02-1面板的偏移电压Ub，在Uct=0时，使α=150o。(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，即VT1单脉冲对应A相同信号的30°为0)。
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2、三相桥式全控整流电路
按图接线，将Rd调至最大（450Ω）。合上主电源，根据需要不断调整负载电阻R,使得负载电流Id保持在0.5A左右(注意Id不得超过0.55A)。调节Uct,使α在30o~90o范围内。
① 用示波器观察记录α=30o时，记载整流电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值，填入下表。
② 用示波器观察记录α=60o时，记载整流电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值，填入下表。
③ 用示波器观察记录α=90o时，记载整流电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值，填入下表。
α Uct ~U2 电阻负载 Ud（记录值） Ud（计算值） ~U2 阻感负载 Ud（记录值） Ud（计算值） 30° 60° 90° 3、电路模拟故障现象观察
在整流状态时，断开某一晶闸管元件的触发脉冲开关，则该元件无触发脉冲即该支路不能导通，观察并记录此时的ud波形。
六 实验报告
1. 画出电路的移相特性Ud=f(α)曲线
2. 画出三相桥式全控整流电路时，α角为30o,60o,90o时的ud波形
3. 分析模拟故障现象
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实验二 三相桥式有源逆变电路实验
一、实验目的
1、熟悉锯齿波移相触发器的连接方法，波形
2、熟悉三相桥式有源逆变电路输出波形，工作原理
二、实验所需挂件及附件
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
型 号 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1三相晶闸管触发电路 DJK06 给定及实验器件 DJK10 变压器实验 D42 三相可调电阻 双踪示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。 该挂件包含“二极管”等几个模块。 该挂件包含“逆变变压器”以及“三相不控整流”。 自备 自备 三、实验内容
1、三相桥式有源逆变电路
2、观察三相桥式有源逆变直流电压波形 3、记录三相桥式有源逆变电路的Ud，β角值
四、实验线路及原理
实验线路如图，主电路由三相不控整流电路、三相全控变流电路及控制电路，触发电路为锯齿波移相式触发器。在三相桥式有源逆变电路中，电阻、电感与整流的一致，而三相不控整流及心式变压器均在DJK10挂件上，其中心式变压器用作升压变压器，晶闸管逆变电路输出的电压接心式变压器的中压端Am、Bm、Cm，心式变压器的高压端A、B、C接三相电源的电压，变压器接成Y/Y接法。图中的R均使用D42三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式；电感Ld在DJK02面板上，选用700mH。
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三相桥式有源逆变电路实验原理图
五、实验方法
1、按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（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，将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
（2）用示波器观察DJK02-1的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔60o幅度相同的双脉冲。
（3）检查相序，用示波器观察DJK02-1的“VT1”, “VT2”单脉冲观察孔，“VT1”脉冲超前“VT2”脉冲60o,则相序正确，否则，应调整输入电源。
（4）将DJK02-1面板上的Ulf(当三相桥式全控变流电路使用I组桥晶闸管VT1~VT6时)接地，将I组桥式触发脉冲的六个开关均拨到“接通”，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V-2V的脉冲。
（5）将DJK06面板的给定器输出Ug接至DJK02-1面板的Uct端，调节DJK02-1面板的偏移电压Ub，在Uct=0时，使α=150o。(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，即VT1单脉冲对应A相同信号的30°为0)。
2、三相桥式有源逆变电路
按图接线，将Rd调至最大（450Ω）。合上主电源，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得电流Id保持在0.5A左右(注意Id不得超过0.55A)，调节Uct,使β在30o~90o范围内。
① 用示波器观察记录β=30o时，记载逆变电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入
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电压U2数值，填入下表。
② 用示波器观察记录β=60o时，记载逆变电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值，填入下表。
③用示波器观察记录β=90o时，记载逆变电压ud=f(t)波形,并记录相应的Ud和交流输入电压U2数值，填入下表。
β U2 Ud（记录值） Ud（计算） 计算公式:Ud=2.34U2cos(180-β) O30° 60° 90° 3、电路模拟故障现象观察
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变化情况。
六、实验报告
1、画出电路的移相特性Ud=f(α)曲线
2、画出三相有源逆变电路时，β角为30o，60o，90o时的ud波形 3、分析模拟故障现象
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实验三 交直交变频电路实验
一．实验目的
熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。
二．实验内容
1．测量SPWM波形产生过程中的各点波形。 2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。
三．实验设备及仪器
序号 1 2 3 4 5 6
型 号 DJK01 电源控制屏 DJK06 给定及实验器件 DJK09 单相调压与可调负载 DJK14单相交直交变频原理 双踪示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块 该挂件包含“二极管”等模块 该挂件包含“单相自藕调压器” 等模块 自备 自备 四．实验原理
AC4G1+2V1V3G31G2G4单相交流自藕调压器AC-V2AC/DCDC/ACV4LOAD3
单相交直交变频电路的主电路结构原理图
主电路如图所示，交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路和单相交流自藕调压器（由实验挂箱DJK09提供）；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路（由
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实验挂箱DJK14提供），采用双极性调制方式。输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出 。
本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载，在满足一定条件下,可接电阻启动式单相鼠笼式异步电动机。
五．实验方法
1、控制信号的观测
DJK14挂箱如图所示，在主电路不接直流电源时，打开控制电源开关，并将DJK14挂箱左侧的钮子开关拨到“测试”位置。
① 观察正弦调制波信号Ur的波形，测试其频率可调范围； ② 观察三角载波Uc的波形，测试其频率；
③ 改变正弦调制波信号Ur的频率，再测量三角载波Uc的频率，判断是同步调制还是异步调制；
④ 比较“PWM+”，“PWM-” 和“SPWM1”，“SPWM2”的区别，仔细观测SPWM1
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和SPWM2信号之间的死区延迟时间。
2、带电阻及电阻电感性负载
在实验步骤1之后，将DJK14挂箱面板左侧的钮子开关拨到“运行”位置，将正弦调制波信号Ur的频率调到最小，选择负载种类：
① 输出接灯泡负载。先将单相交流自藕调压器调至最小，然后按图接主电路，调节单相交流自藕调压器，使整流后输出直流电压保持为150V，即U0Ud150V。由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。
② 灯泡和L串联，组成阻感性负载。先将单相交流自藕调压器调至最小，然后按图接主电路，调节单相交流自藕调压器，使整流后输出直流电压保持为150V，即U0Ud150V。由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。
六．实验报告
1．绘制完整的实验电路原理图。
2．电阻负载时，列出数据和波形，并进行讨论分析。 3．电阻电感负载时，列出数据和波形，并进行讨论及分析。 4．分析说明实验电路中的PWM控制是采用同步调制还是异步调制。
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实验四 直流斩波电路的性能研究
一、实验目的
1、熟悉降压斩波和升压斩波电路的工作原理。
2、熟悉这两种基本斩波电路的组成及其工作状态和波形情况。 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 1 2 3 4 5 6 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK09 单相调压与可调负载 DJK20 直流斩波电路 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 自备 自备 三、实验线路
单相桥式整流电路单相交流自藕调压器Ui
(a) 单相桥式整流电路
+ UiCE+L1UD-C1+RUo-VGD-
(b) 降压斩波电路(Buck Chopper)
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+UiI1L1GC-UDVDC1++RUo--E
(c) 升压斩波电路(Boost Chopper)
三、实验内容及步骤
（一）控制与驱动电路的测试
1、启动实验装置电源，开启DJK20控制电路电源开关。
2、调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观察SG3525的第11脚与第14脚的波形，观察输出PWM信号的变化情况，并填入下表。
Ur(V) 11(A)占空比（%） 14(B)占空比（%） PWM占空比（%） 1.4 1.7 2.0 2.2 2.5 3、用示波器分别观察A、B和PWM信号的波形，并填入下表。
观测点 波形类型 幅值A（V） 频率f(Hz) A(11脚) B（14脚） PWM 4、用双踪示波器的两个探头同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调
节电位器，观测两路输出的PWM信号，测出两路信号的相位差，并测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间tdead=_______。
（二）直流斩波器的测试（使用一个探头观测波形）
斩波电路的输入直流电压Ui由DJK09挂箱上单相调压器输出的单相交流电经DJK20挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到，电路如图（a）所示。接通交流电源，观测Ui波形，调节单相调压器，使Ui40V(本装置限定直流输出最大值为50V，输入交流电压的大小由调压器调节输出)。
按下列实验步骤依次对降压和升压两种直流斩波电路进行测试。
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1. 切断电源，根据（b）和（c）电路图，利用面版上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载（900Ω，并调至最大），负载电流最大值限制在200mA以内。将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
2. 检查接线正确，尤其是电解电容的极性是否接反后，接通主电路和控制电路的电源。 3. 用示波器观测UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压UO和二极管两端UD的波形，注意各波形的相位关系。
4. 调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，记录在不同占空比（α）时 Ui、Uo和α的数值于下表中，从而画出Uo=f(α)的曲线。
Ur(V) 占空比α（%） 1.4 1.7 2.0 2.2 2.5 Ui(V) Uo(V)
5. 改变负载R，重复上述内容4。（Ur=2.5V）
R（Ω） 降压 升压 Ui(V) Uo(V) Ui(V) Uo(V) 500 700 900 四、实验报告要求
1、分析产生PWM信号的工作原理。简易驱动电路的工作原理。
2、整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/Uo-α曲线，并作比较与分析。 3、讨论、分析实验中出现的各种现象。
五、思考题
1、直流斩波电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？ 2、为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？
六、注意事项
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1、在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元件之间的波形，否则会造成短路。
2、用示波器两探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则会造成短路，在观测高电压时应衰 减10倍，在做直流斩波器测试实验时，最好使用一个探头。
3、使用示波器、万用表测量时，应选择合适的档和量程。 4、用万用表测电阻时，应关掉设备电源。 最好使用一个探头。
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