电力电子技术实验指导(2014下)

《电力电子技术》

实验指导书

自动化教研室

二○一四年八月

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实验一 单项桥式半控整流电路实验

实验性质：验证性实验 实验日期：

一、实验目的

1.加深对单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。 2.了解单相桥式半控整流电路的工作原理，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。 二、实验设备

序号 1 2 5 6 型 号 TKDD-2 电源控制屏 整流电路 双踪示波器 万用表 自备 自备 几个模块。 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”，“可调电阻“等DX03三相可控该挂件包含“晶闸管”， 三、实验线路及原理

本实验电路图如图1-1 所示，实验线路图如图1-2 所示。两组锯齿波同步移相触发电路均在TK-12挂件上，触发信号加到两个晶闸管（锯齿波触发脉冲G1，K1加到VT1的控制极和阴极，G3，K3加到VT3控制极和阴极），图中的R电阻900Ω，电感Ld用100mH，直流电压表、电流表从电源控制屏获得。 四、实验内容

1.锯齿波同步触发电路的调试。 2.单相桥式半控整流电路带电阻性负载。 3.单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载。

图1-1 电路图

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图1-2 接线路图 五、预习要求

1.阅读电力电子技术教材中有关单相桥式半控整流电路的有关内容。 2.了解单相桥式半控整流电路的工作原理。 六、思考题

1.单相桥式半控整流电路在什么情况下会发生失控现象? 七、实验方法

1.用两根导线将220V将TKDD-2电源控制屏的交流电压接到TK-12的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开TK-12电源开关，用双踪示波器观察“锯齿波同步触发电路”各观察孔的波形。

2.锯齿波同步移相触发电路调试。令Uct=0时（RP2电位器顺时针转到底），α＝170。 3.单相桥式半控整流电路带电阻性负载：

按原理图1-2接线，主电路接可调电阻R，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管两端电压UVT，调节锯齿波同步移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并记录在不同α角时Ud的波形，测量相应电源电压U2、负载电压Ud、电流Id的数值，记录于下表中。 α U2 Id 30° 60° 90° 120° 150° o

Ud(记录值) Ud(计算值) 计算公式: Ud = 0.9U2(1+cosα)/2

4.单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载 ①断开主电路后，将负载换成将平波电抗器Ld(10OmH)与电阻R串联。

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②接通主电路，用示波器观察不同控制角α时Ud、Id的波形，并测定相应的U2、Ud、Id数值，记录于下表中： α U2 Id

30° 60° 90° Ud(记录值) Ud(计算值)

4

实验二 单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路实验

实验性质：设计性实验 实验日期：

一、实验目的

1.熟悉单相交直交变频电路组成。

2.掌握对各单元输出点电压波形的测定与分析。 3.掌握SPWM控制的工作原理。

4.分析交直交变频电路在电阻负载及阻感负载时的电压与电流波形的分析,并研究工作频率对电路工作波形的影响。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 号 TKDD-2型 电源控制屏 DX08单相交直交变频原理 双踪示波器 万用表 自备 自备 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 三、实验线路及原理

采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。实验电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。

1.主电路部分: AC

4G1+2V1V3G31 AC

3-G2G4V2V4LOADAC/DC (整流) DC/AC (逆变)

图2-1 主电路结构原理图

如图2-1所示, 交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由电源控制屏提供）；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，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阻感性负载。 2.驱动电路:

如图2-2（以其中一路为例）所示，采用IGBT管专用驱动芯片M57962L，其输入端接控制电路产生的SPWM信号，其输出可用以直接驱动IGBT管。其特点如下：

①采用快速型的光藕实现电气隔离。

②具有过流保护功能，通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流,过流时IGBT管CE结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光藕TLP521的输出端OC1呈现高电平，经过流保护电路（见图2-3），使4013的输出Q端呈现低电平，送控制电路，起到了封锁保护作用。

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SPWM1

+5TLP521OC18OVCU13VR11C1G1COMVoutVCC54E1+2461+9VVin314VEEGNDM57962L 图2-2 驱动电路结构原理图

OC3OC14+5V4013Q126OC2OC4 图2-3保护电路结构原理图

3.控制电路:

图2-4 控制电路结构框图

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R14357VCCCLKDGNDS+5VSTOPQ2 17810SADJTRI WFM BIASFM SWTIM CAPSIN WSQU WVCCDADJV OR GNDSADJDADJ3+57 +536+5V2RCQ622418596411 -51PWM+4+5V5+53CABCLRQPWM+7&&SPWM1 12574HC08:ASTOP-58038+574HC08:B +5UrUc6274HC04:A74HC04:B23+74528-UmLM311+5V14RCQ1078317810SADJTRI WFM BIASFM SWTIM CAPSIN WSQU WVCCDADJV OR GNDSADJDADJ3 4152964-5+515PWM-+5CABCLRQ74HC08:CPWM-974HC08:D&121113&SPWM2COM-151112545288038-5 图2-5 控制电路结构原理图

控制电路如图2-4所示，它是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片ICL8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。

各波形的观测点均已引到面板上，可通过示波器进行观测。

为了便于观察SPWM波，面板上设置了“测试”和“运行”选择开关，在“测试”状态下，三角载波Uc的频率为180HZ左右,此时可较清楚地观察到异步调制的SPWM波，通过示波器可比较清晰地观测SPWM波，但在此状态下不能带载运行，因载波比N太低，不利于设备的正常运行。在“运行”状态下，三角载波Uc频率为10KHZ左右, 因波形的宽窄快速变化致使无法用普通示波器观察到SPWM波形，通过带储存的数字示波器的存储功能也可较清晰地观测SPWM波形。

正弦调制波Ur频率的调节范围设定为5-60Hz。

控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。 四、实验内容

1.控制信号的观测。 2.带电阻及电阻电感性负载。 五、思考题

1.为了使输出波形尽可能地接近正弦波，可采取什么措施？ 2.调制波可否采用三角波？ 3.分析开关死区时间对输出的影响。 六、实验方法

1.控制信号的观测

在主电路不接直流电源时，打开控制电源开关，并将DX08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；

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图2-6 阻感负载接线图

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，仔细观测同一相上下两管驱动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DX08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将输出接灯泡负载，然后将主电路接通由控制屏左下侧的直流电源(通过调节单相交流自藕调压器，使整流后输出直流电压保持为100V)接入主电路，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接入电源控制屏给定及实验器件和100mH电感串联组成的电阻电感性负载，然后将主电路接通由电源控制屏提供的直流电源(通过调节交流侧的自藕调压器，使输出直流电压)，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）。 七、注意事项

1.双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，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“测试”状态下，请勿带负载运行。

3.面板上的“过流保护”指示灯亮，表明过流保护动作，此时应检查负载是否短路，若要继续实验，应先关机后，再重新开机。

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实验三 直流斩波电路的性能研究

实验性质：验证性实验 实验日期：

一、实验目的

1.熟悉直流斩波及升、降压电路的工作原理。 2.熟悉驱动模块电路的驱动与保护环节的测试。 3.掌握脉宽调制电路的调试及负载电压波形的分析。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 号 TKDD-2型 电源控制屏 DX11 直流斩波实验 慢扫描示波器 万用表 1.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3-1所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图3-1b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。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：

自备 自备 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 三、实验线路及原理

UotontUionUiaUitontoffT式中ton为V处于通态的时间，toff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=ton/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。

+UiCE+L1UD-C1+RUo-VGD-(a)电路图

UGEUDUOtonTUitoff

ttt

(b)波形图

图3-1 降压斩波电路的原理图及波形

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②升压斩波电路(Boost Chopper)

升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图图3-2所示。电路也使用一个全控型器件V。由图图3-2b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,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UO为恒值。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时Ui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toff，则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui) I1ton。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：

UiI1ton=(UO-Ui) I1toff

Uo

tontofftoffUi TUitoff上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

+UiI1L1GC -UD V

DC1++RUo--E (a)电路图

UGEUDUOt

(b)波形图

tt图3-2 升压斩波电路的原理图及波形

③升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)

升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图及工作波形如图3-3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Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO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：

Uotont aUionUiUitoffTton1a

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。

(a)

-+UiCEG-VUD+DC1-RUo+ L1 (a)电路图

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UGEUDUO

ttt (b)波形图

图3-3 升降压斩波电路的原理图及波形

④Cuk斩波电路

Cuk斩波电路的原理图如图3-4 所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：

Uo

tontaUi onUiUitoffTton1a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。

+Ui-L1GEC-C2VD 图3-4 Cuk斩波电路原理图

L2C1RUo+

2、控制与驱动电路

控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图3-5所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。 四、实验内容

1.控制与驱动电路的测试。 2.升、降压直流斩波器的测试。

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图3-5 SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件

五、思考题

1.直流斩波电路的工作原理是什么？

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、实验方法

1、控制与驱动电路的测试

(1)启动实验装置电源，开启TK-19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，并填入下表。 Ur(V) 11(A)占空比(%) 14(B)占空比(%) PWM占空比(%) 观测点 波形类型 幅值A (V) 频率f (Hz) 1.4 1.6 1.8 2.0 B(14脚) 2.2 2.4 PWM 2.5 (3)用示波器分别观测A、B和PWM信号的波形，记录其波形、频率和幅值，并填入下表。

A(11脚) (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。

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由单相调压器输出的单相交流电经TK-19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Ui波形，记录其平均值(注：本装置限定直流输出最大值为24V，输入交流电压的大小由调压器调节输出)。

(1)切断电源，根据TK-19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”、

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“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、UGE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Ui、UO和α的数值于下表中，从而画出UO=f(α)的关系曲线。 Ur(V) 占空比α(%) Ui(V) Uo(V) 七、实验报告

1.分析产生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/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。 八、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。

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1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.5