电力电子技术实验

实验一锯齿波同步移相触发电路实验

一、实验目的

1、加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。

2、掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。

二、实验主要仪器与设备：

三、实验原理

锯齿波同步移相触发电路的原理图如图1-1所示。锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其工作原理可参见电力电子技术教材中的相关内容。

图1-1 锯齿波同步移相触发电路原理图

图1-1中，由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压U T来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压U ct、偏移电压U b 和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压

U ct和偏移电压U b的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图1-2所示。

本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180°，供单相整流及逆变实验用。

电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。

图1-2 锯齿波同步移相触发电路各点电压波形(α=90°)

四、实验内容及步骤

1、实验内容：

(1)锯齿波同步移相触发电路的调试。

(2)锯齿波同步移相触发电路各点波形的观察和分析。

2、实验步骤：

(1) 将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧,使输出线电压为200V（不能打到“交流调速”侧工作，因为DJK03-1的正常工作电源电压为220V±10%，而“交流调速”侧输出的线电压为240V。如果输入电压超出其标准工作范围，挂件的使用寿命将减少，甚至会导致挂件的损坏。在“DZSZ-1型电机及自动控制实验装置”上使用时，通过操作控制屏左侧的自藕调压器，将输出的线电压调到220V左右，然后才能将电源接入挂件），用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，这时挂件中所有的触发电路都开始工作，用双踪示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。

①同时观察同步电压和“1”点的电压波形，了解“1”点波形形成的原因。

②观察“1”、“2”点的电压波形，了解锯齿波宽度和“1”点电压波形的关系。

③调节电位器RP1，观测“2”点锯齿波斜率的变化。

④观察“3”～“6”点电压波形和输出电压的波形，记下各波形的幅值与宽度，并比较“3”点电压U3和“6”点电压U6的对应关系。

(2)调节触发脉冲的移相范围

将控制电压U ct调至零(将电位器RP2顺时针旋到底)，用示波器观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压U b(即调RP3电位器)，使α=170°，其波形如图1-3所示。

图1-3锯齿波同步移相触发电路

(3)调节U ct（即电位器RP2）使α=60°，观察并记录U1～U6及输出“G、K”脉冲电压的波形，标出其幅值与宽度，并记录在下表中(可在示波器上直接读出，读数时应将示波

器的“V/DIV”和“t/DIV”微调旋钮旋到校准位置)。

五、预习要求

(1)阅读电力电子技术教材中有关锯齿波同步移相触发电路的内容，弄清锯齿波同步移相触发电路的工作原理。

(2)掌握锯齿波同步移相触发电路脉冲初始相位的调整方法。

六、实验注意事项

(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)由于脉冲“G”、“K”输出端有电容影响，故观察输出脉冲电压波形时，需将输出端“G”和“K”分别接到晶闸管的门极和阴极（或者也可用约100Ω左右阻值的电阻接到“G”、“K”两端，来模拟晶闸管门极与阴极的阻值），否则无法观察到正确的脉冲波形。

七、思考题

(1)锯齿波同步移相触发电路有哪些特点?

(2)锯齿波同步移相触发电路的移相范围与哪些参数有关?

(3)为什么锯齿波同步移相触发电路的脉冲移相范围比正弦波同步移相触发电路的移相范围要大?

八、实验报告

(1)整理、描绘实验中记录的各点波形，并标出其幅值和宽度。

(2)总结锯齿波同步移相触发电路移相范围的调试方法，如果要求在U ct=0的条件下，使α=90°，如何调整?

(3)讨论、分析实验中出现的各种现象。

实验二单相桥式全控整流电路实验

一、实验目的

1、加深理解单相桥式全控整流及逆变电路的工作原理。

2、研究单相桥式变流电路整流的全过程。

二、实验主要仪器与设备

三、实验原理

图2为单相桥式整流带电阻电感性负载，其输出负载R用D42三相可调电阻器，将两个900Ω接成并联形式，电抗Ld用DJK02面板上的700mH，直流电压、电流表均在DJK02面板上。触发电路采用DJK03-1组件挂箱上的“锯齿波同步移相触发电路Ⅰ”和“Ⅱ”。

R

图2 单相桥式整流实验原理图

四、实验内容及步骤

1、实验内容：

(1)触发电路的调试；

(2)单相桥式全控整流电路带电阻负载整流电压U d和晶闸管两端电压u VT的波形；

(3)单相桥式全控整流电路带电阻电感负载整流电压U d和晶闸管两端电压u VT的波形。

2、实验步骤：

(1)触发电路的调试

将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V，用两

根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关，用示波器观察锯齿波同步触发电路各观察孔的电压波形。将控制电压Uct调至零(将电位器RP2顺时针旋到底)，观察同步电压信号和“6”点U6的波形，调节偏移电压Ub(即调RP3电位器)，使α=180°。将锯齿波触发电路的输出脉冲端分别接至全控桥相应晶闸管的门极和阴极，注意不要把相序接反了，将DJKO2上的正桥和反桥触发脉冲开关都打到“断”位置,使U lf和U lr悬空，确保晶闸管不被误触发。

(2)单相桥式全控整流电路带电阻性负载

按图2接线，将平波电抗器L d(70OmH)短接并电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，保持U b偏移电压不变(即RP3固定)，逐渐增加Uct（调节RP2），在α=0°、30°、60°、90°、120°时，用示波器观察、记录整流电压U d和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录电源电压U2和负载电压Ud的数值于表1中。

表1

(3) 单相桥式全控整流电路带电阻电感性负载

按图2接线，将负载换成将平波电抗器L d(70OmH)与电阻R串联。，并电阻器放在最大阻值处。按下“启动”按钮，保持U b偏移电压不变(即RP3固定)，逐渐增加Uct（调节RP2），用示波器观察不同控制角α时U d、U VT、U VD1、I d的波形，并测定相应的U2、U d数值，记录于表2中。

表2

五、实验注意事项

1、双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

2、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U lf及U lr 悬空，避免误触发。

六、思考题

单相桥式整流电路什么情况下会逆变失败？

七、实验报告

1、画出α=30°、60°、90°、120°时U d和U VT的波形。

2、画出电路的移相特性U d=f(α)曲线。

实验三三相桥式全控整流及有源逆变电路实验

一、实验目的：

1、加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。

2、掌握三相桥式全控整流电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。

二、实验主要仪器与设备：

PC机、MATLAB仿真软件

三、实验原理

实验线路如图3-1。主电路由三相全控整流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流电路组成，三相桥式整流及逆变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用滑线变阻器，接成并联形式；电感Ld选用700mH。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，逆变输出的电压接心式变压器的中压端Am、Bm、Cm,返回电网的电压从高压端A、B、C输出，变压器接成Y/Y接法。

R

图3-1 三相桥式全控整流电路实验原理图

四、实验内容及步骤

1、启动MATLAB ，进入SIMULINK 后新建文档，绘制三相桥式全控整流系统模型如图3-2所示。

在MATLAB 命令窗口中输入powerlib ，按Enter 健，打开电力系统（Power System ）工具箱，或在MATLAB 的工具栏中，打开SIMULINK 的库浏览器，单击SimPowerSystems 进入电力系统工具箱。从电源模块库（Electrical Sources ）中选取交流电压源（Voltage Source ）,从电力电子器件模块库（Power Electronics ）选取通用变换器桥模块（Universal Bridge ），从元件模块库（Elements ）中选取串联RLC 负载（Series RLC Branch ）,从测量模块库（Measurements ）选取电压测量（Voltage Measurement ）、电流测量（Current Measurement ）,从连接器模块库（Connectors ）选取接地（输入）（Groud input ）、接地（输出）（Groud output ）、总线（Bus Bar,vert ），从Extra library 中的Control Blocks 选取同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator ）。

在MATLAB 的工具栏中，打开SIMULINK 的库浏览器，从接收/显示输出模块库（Sinks ）中选取Scope,从输入源模块库（Sources ）选取常数模块（Constant ），绘制三相桥式全控整流系统模型如图3-2所示。

图3-2 三相桥式全控整流系统模型图

2、带电阻性负载的仿真

1)交流电压源（Voltage Source）的参数设置

三相电源的相位互差120°设置交流峰值相电压为100V，频率为50Hz。2）负载（串联RLC负载Series RLC Branch）的参数设置

R=45Ω，L=0H，C=inf。

3）通用变换器桥模块（Universal Bridge）的参数设置

通用变换器桥参数设置对话框如图3-3所示。

图3-3 通用变换器桥参数设置对话框

4）同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）的参数设置

同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）的参数设置对话框如图3-4所示，其同步电压频率为50Hz，脉冲宽度为10°，勾选Double pulsing，使触发器输出间隔60°的双脉冲。

图3-4 同步6脉冲触发器的参数设置对话框

5）常数模块（Constant）参数的设置

常数模块（Constant）参数设置对话框如图3-5所示。

图3-5 常数模块参数设置对话框

改变参数对话框的数值大小，即改变了触发信号的控制角。

6）打开仿真/参数窗，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3（即1×10-3），开始仿真时间为0，停止时间设置为0.02。设置好各模块参数后，单击工具栏的运行按钮，得到相应仿真结果。

3、带电阻电感性负载的仿真

步骤同2，只是将负载（串联RLC负载Series RLC Load）的参数设置为R=45Ω，L=1H，C=inf。

4、有源逆变带电阻电感性负载的仿真

步骤同2，只是将负载（串联RLC 负载Series RLC Load ）的参数设置为R=45Ω，L=1H ，C=inf ，另外与负载串联一反电动势DC 设置为100V 。 六、思考题

三相整流电路逆变失败的原因有哪些？ 七、实验报告

给出α=30°、60°、90°时的负载电压U d 和负载电流i d 的仿真波形。

实验四 直流斩波电路的性能研究

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、实验主要仪器与设备：

三、实验原理

主电路：

1、降压斩波电路(Buck Chopper)

降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-1图4-2所示。图中V 为全控型器件，选用IGBT 。D 为续流二极管。由图7 中V 的栅极电压波形UGE 可知，当V 处于通态时，电源U i 向负载供电，U D =U i 。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。负载电压的平均值为：

0U ＝

on

on off

t t t +i U ＝on t T i U ＝αi U

式中t on 为V 处于通态的时间，t off 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=t on /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。

图4-1 降压斩波电路的原理图

图4-2 降压斩波电路的波形图

2、升压斩波电路(Boost Chopper)

升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图如图4-3 所示。电路也使用一个全控型器件V 。当V 处于通态时，电源i U 向电感1L 充电，充电电流基本恒定为1I ,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0U 为恒值。设V 处于通态的时间为on t ，此阶段电感1L 上积蓄的能量为i U 1I on t 。当V 处于断态时i U 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off t ，则在此期间电感L1释放的能量为(0U -i U )1I on t 。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：

i U 1I on t =(0U -i U ) 1I off t

上式中的T/off t ≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

3、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)

升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图如图4-4所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V 处于通态时，电源i U 经V 向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压0U 基本恒定并向负载供电。此后，V 关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。输出电压为：

0U ＝

on off

t t i U ＝on on t

T t -i U ＝1αα-i U

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<α<1/2 时为降压，当1/2<α<1 时为升压。

图4-3 升压斩波电路的原理图

图4-4 升降压斩波电路的原理图

四、实验内容及步骤

1、实验内容：

（1）控制与驱动电路的测试。

（2）Buck、Boost、Boost-Buck直流斩波器的测试。

2、实验步骤：

（1）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测SG3525 的第11 脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，并填表。

（2）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由三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。接通交流电源，观测U i波形，记录其平均值(注：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Buck、Boost、Boost-Buck等三种的直流斩波电路进行测试。

①切断电源，根据DJK20 上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线

路，并接上电阻负载，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PWM信号的波形、U GE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。

④调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比(α)时，记录U i、U O和α的数值于表中，从而画出U O=f(α)的关系曲线。

Buck直流斩波器的测试

Boost直流斩波器的测试

Boost-Buck直流斩波器的测试

五、实验注意事项

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器件之间的波形，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。

六、思考题

直流斩波电路中电感的作用是什么？

七、实验报告

1、分析本实验中产生PWM 信号的工作原理。

2、整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/U O-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。

实验五三相交流调压电路实验

一、实验目的：

1、加深理解三相交流调压电路的工作原理。

2、了解三相交流调压电路带不同负载时的工作特性。

3、掌握三相交流调压电路MA TLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。

二、实验主要仪器与设备：

PC机、MATLAB仿真软件

三、实验原理

交流调压器应采用宽脉冲或双窄脉冲进行触发。实验装置中使用双窄脉冲。实验线路如图5-1所示。

VT1

图5-1 三相交流调压实验线路图

四、实验内容及步骤

1、启动MATLAB，进入SIMULINK后新建文档，绘制三相交流调压系统模型如图5-2所示。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。

2、带电阻性负载的仿真

图5-2 三相交流调压系统模型图

1）交流电压源的参数设置

设置交流峰值电压为100V，频率为50Hz。

2）设置晶闸管的参数

R n=0.001Ω,L on=0H,V f=0.8,R s=500Ω,C s=250e-9F。

3）负载的参数的设置

R=450Ω，L=0H，C=inf。

4）脉冲发生器模块（Pusle）的参数设置

频率设置为50Hz，脉冲宽度为2%。

当α=0°时，Pulse1为0s，Pulse2为0.01s, Pulse3为0.0067s, Pulse4为0.0167s, Pulse5为0.0132s, Pulse6为0.0232s。当α=30°时，Pulse1为0.033s，Pulse2为0.0133s, Pulse3为0.0099s, Pulse4为0.0199s, Pulse5为0.0165s, Pulse6为0.0265s。

设置好各模块参数后，单击工具栏的运行按钮，得出相应仿真结果。

3、带电阻电感性负载的仿真

步骤同2，负载模块的参数设置为R=450Ω，L=0.1H，C=inf。

五、思考题

三相交流调压电路中某个晶闸管内部短路会出现什么情况？

六、实验报告

1、整理各仿真波形。