2013電力電子變流技術實驗(電子版).doc

電力電子變流技術實驗自動化科學與工程學院賴玉斌 華南理工大學教材供應中心2013年10月前 言本書是根據(jù)自動化專業(yè)電力電子變流技術課程的教學計劃進行編寫的。這次又作了修改，使內容更符合實際。內容包括晶閘管三相可控整流、交流調壓及全控型電力電子器件的應用等實驗。晶閘管變流電路是電力電子變流技術的基礎，也是運動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。因此，本實驗以整流電路為重點，增加晶閘管應用方面的內容。此外，要求學生在完成書中所列實驗的基礎上，通過自己設計整流電路，提高對器件與電路結構及工作原理的認識與了解。鑒于本實驗是一門實踐性很強的課程，要求學生從實驗電路設計、線路連接到波形與參數(shù)測試的全過程都必須認真參與。由于本實驗所使用的設備為全新的MCL系列電機電力電子及電氣傳動教學實驗臺，波形測試也采用計算機實時監(jiān)測，使用中更應謹慎對待。通過本實驗使學生鞏固所學的專業(yè)知識，掌握實驗的基本方法和操作技能，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的良好學風。本實驗課計劃時數(shù)為八學時，重點是三相可控整流電路實驗。本實驗的內容涉及到電路、電子、電機與拖動等基礎課的知識。目 錄實驗須知1第一章整流電路實驗21-1 三相半波可控整流電路實驗21-2 三相橋式整流電路實驗5第二章交流調壓電路實驗92-1 單相交流調壓電路實驗92-2 三相交流調壓電路實驗11第三章全控型電力電子器件電路實驗133-1 采用MOSFET的單相調壓實驗133-2 單相正弦波（SPWM）逆變電源實驗16實驗須知本實驗課的目的在于培養(yǎng)學生掌握電力電子變流技術方面的實驗方法與操作技能，指導學生學會根據(jù)實驗目的擬定實驗線路，確定實驗步驟，測取所需數(shù)據(jù)，進行分析研究，得出必要的結論，從而寫出實驗報告；同時可以培養(yǎng)觀察問題、分析和解決問題的能力。由于本實驗既有小電流、低電壓的控制線路，又有高電壓、大電流的整流回路，不僅要觀察波形，還要測量參數(shù)，改接連線，更換負荷，致使實驗過程較為繁雜。因此，在整個實驗中，必須嚴肅認真，集中精力，親自動手，細心觀察，認真記錄，及時完成實驗。為此，要求學生做到：一、實驗前認真閱讀本實驗指導書，了解實驗目的、內容、方法與步驟及儀器設備與要求，明確實驗過程中應注意的問題。同時應復習電力電子變流技術講義中的有關章節(jié)。二、實驗中1. 建立實驗小組，每組24人，推選組長，由組長負責實驗的組織工作，諸如數(shù)據(jù)記錄、波形測取、調節(jié)負載等工作，務求在實驗過程中操作協(xié)調，數(shù)據(jù)準確。2. 了解所用儀器儀表的性能及使用方法。3. 抄錄所用負載的有關參數(shù)，如電動機的銘牌，電阻負載的阻值等。4. 按圖接線，連線準確，線路力求簡單明了，走線合理。5. 接線完畢，應有專人重新檢查，確認無誤后方可通電實驗。6. 按實驗方法及步驟分段進行試驗，并認真、及時測取和記錄數(shù)據(jù)。7. 實驗完畢，應將所測數(shù)據(jù)交指導教師審閱，認可后，才可拆線并整理實驗現(xiàn)場，所用儀表及工具和導線應物歸原處。三、實驗報告內容要簡明扼要，字跡清楚，圖表整潔，結論明確。報告內容包括：1. 實驗名稱、專業(yè)班級、組別、姓名、日期。2. 列出使用儀器設備的名稱、型號、規(guī)格。3. 扼要寫出實驗目的。4. 繪出實驗線路圖及實驗項目。5. 數(shù)據(jù)計算及波形整理。6. 根據(jù)實驗結果，進行分析，得出結論。7. 報告應寫在統(tǒng)一規(guī)格的報告紙上，每次實驗每人獨立寫出一份報告按時送交指導教師批閱，不得互相抄襲。預習不符合要求者不準參加實驗。實驗中不按操作規(guī)程和實驗步驟進行實驗而導致儀器、設備損壞者應停止其實驗，并須按情節(jié)輕重予以處理。第一章 整流電路實驗在電力電子技術中，整流電路的作用是將交流電源變換成直流電源，在晶閘管用于整流電路后，使直流電源的幅值可調。因此，采用晶閘管的整流稱為可控整流。整流電路按輸入交流電源的相數(shù)來分有單相和三相；按電路的結構形式分，有半波、全波、橋式；按負載的性質分，有電阻性、電感性和反電勢性；按控制方式分，有半控和全控。因此，電路的結構不同，負載的性質不同，控制方式不同，則電路的換流過程不同，對應的數(shù)量關系和波形分解也不同。通過本章的實驗應搞清楚這些問題。對于功率較大、要求直流電壓脈動較小的負載，應采用三相整流電路。三相可控整流電路有半波和橋式兩種結構，橋式電路又有半控和全控之分。但三相半波電路是最基本的組成形式，橋式電路即是半波電路的串接形式。同樣，換流過程和數(shù)量關系卻有規(guī)律可循，通過本實驗應有更加明確的了解。1-1 三相半波可控整流電路實驗一、 目的1. 熟悉三相半波可控整流電路的結構組成；2. 掌握電路的工作原理；3. 了解三相交流電源相序的測量方法；4. 驗證波形及數(shù)量關系。二、 實驗線路實驗電路如圖1-1所示。本實驗設備為MCL-型多功能教學實驗設備，采用組件式結構，可根據(jù)不同的實驗內容進行組合。由圖1-1可知，本實驗電路共需四個掛箱。即MCL-18B的交流輸入電源及脈沖移相用的直流控制電源，MCL-02的整流用變壓器掛箱，MCL-03的負載電阻掛箱。三相交流電源由主控屏輸出端取得。三、 儀器設備1. MCL教學實驗臺主控制屏；2. MCL-18B掛箱；3. MCL-33掛箱；4. MEL-03掛箱；5. 虛擬示波器；6. 導線；7. 萬用表。四、 內容1. 連線構成實驗電路；2. 觀察三相電源相序；3. 電阻性負載實驗；4. 電阻電感性負載實驗。五、 注意事項1. 整流電路與三相電源連接時，須注意相序。2. 負載電阻值不宜過小，Id不得超過0.8A，但須大于0.1A，避免晶閘管時斷時續(xù)。3. 測量波形時，須避免測試通道的兩條地線接在非等電位端點上而造成短路事故。4. 為防止負載電流過大，在合主電源之前，應先將控制電壓Uct降為零（即MCL-18B上部給定電源G的電位器RP1反時針調到底）。六、 方法與步驟1. 接線按圖1-1所示的三相半波可控整流電路結構圖連線。1) 主控屏三相輸出電源端U、V、W與MCL-18B的L1、L2、L3相連；2) MCL-18B的U、V、W三端用三聯(lián)導線與MCL-33的晶閘管橋相連；3) 負載的“”端與主控屏的零點N端相連。4) MCL-18B的15V電源與MCL-33的15V端子相連，將兩邊的0線（即黑端子）聯(lián)接好；5) MCL-18B的上部Ug端與MCL-33的Uct端相連作為移相控制電壓。6) MCL-33中的Ub1f與零點（黑端子）相連，使正組觸發(fā)器功放級有電。7) 在MEL-03掛箱上取二個900電阻并聯(lián)作為電阻性負載，再與MCL-33中整流橋的直流側相連。8) 直流電壓表和直流電流表采用主控屏左側的直流表，分別與整流橋相串、并聯(lián)。9) 將主控屏下部三相電源輸出端U、V、W中任兩端與左側上部的交流電壓表V1相連，以監(jiān)視整流電路輸入交流電壓值。2. 查線1) 按圖1-1線路圖核查接線。2) 尤其要注意直流電壓表、直流電流表、交流電壓表的連線正確有否，表的量程應選最大。3) 將MCL-33中的觸發(fā)器按鍵2、4、6按下，則此時電路為VT1、VT3、VT5工作。核查無誤后可通電實驗。3. 三相電源相序觀察1) 通電(1) 將電柜左側的三相四線開關合上，紅色指示燈亮。(2) 啟動計算機，用鼠標雙擊“RIGOL”文件，顯示器出現(xiàn)示波器界面。2) 將MCL-18B掛箱上部的移相控制電位器RP1的電壓Ug為零伏（即開關S2撥在OV位）后，按“閉合”按鈕，主電路有電。3) 慢慢增大主控屏面板左側的“交流電源輸出調節(jié)”手柄，并觀察上部的交流電壓表V1的顯示值，直到顯示為220V線電壓為止。4) 用虛擬示波器隔離卡通道輸入線1、2分別測三相電源中兩相波形，輸入線的地與電源的N點相接。5) 適當調節(jié)虛擬示波器的水平及垂直方向的按鍵，屏幕上即顯示出兩相交流電壓波形。仔細觀察兩波形的相位差，以確定哪一相超前。6) 調換一相再觀察相序及相位，以確定該實驗設備三相電源的相序。7) 將所測波形記錄。4. 電阻負載1) 改變移相控制電壓Ug，觀察在不同控制角時，輸出電壓ud、晶閘管陽極電壓uT及門極電壓ug的波形。2) 在某一值下，測取Ud、U2及Id數(shù)據(jù)。3) 調節(jié)Ug，使=90，觀察對應的uT、ud波形。5. 電阻電感性負載1) 將電感L與負載電阻相串接。2) 合上主電源，改變移相控制電壓Ug，觀察不同控制角時ud、uT波形。3) 在負載兩端并接續(xù)流二極管，觀察ud、uT波形的變化。七、 實驗報告1. 列出實驗目的、儀器、內容及接線圖。2. 繪出電阻性負載、大電感負載時的ud、uT波形。3. 將所測的Ud、U2代入公式求出對應的值。4. 該整流電路當為多大時，續(xù)流管工作？一周期續(xù)流管工作幾次？最大導電角為多少度？5. 該電路三個晶閘管門極的觸發(fā)脈沖相差多少度？若關掉其中的一個VT觸發(fā)脈沖，則負載電壓一周還有幾個波頭？6. 該電路晶閘管控制角的移相范圍是多少？晶閘管最大導電角為多少？7. 設計一個采用共陽接法的三相半波可控整流電路，并在實驗臺上進行試驗，觀察ud、uT波形。簡述共陰接法和共陽接法兩種電路的異同點。8. 實驗體會。1-2 三相橋式整流電路實驗一、 目的1. 熟悉三相橋式整流電路的結構原理；2. 掌握全控與半控電路換流過程及工作特點；3. 觀察電壓及電流波形；4. 驗證數(shù)量關系；5. 研究半控電路“失控”情況。二、 實驗線路如圖1-2所示。本實驗電路由四個部分組成。主控屏、MCL-18B掛箱、MCL-33掛箱及MEL-03掛箱。三、 儀器設備1. MCL教學實驗臺主控制屏；2. MCL-18B掛箱；3. MCL-33掛箱；4. MEL-03掛箱；5. 導線；6. 虛擬示波器。四、 內容1. 半控電路實驗1) 連線；2) 電阻電感性負載實驗；3) 電路的“失控”過程試驗；2. 全控電路實驗1) 連線；2) 電阻性負載實驗；3) 直流電動機實驗。五、 注意事項：1. 負載電流Id不得超過0.8A；2. 接線過程中，三相交流電源的相序不得接錯；3. 直流電動機負載實驗前，須加上電動機的勵磁電源（位于主控屏中間部位）；4. 每次起動直流電動機之前，應先將控制電壓Ug調為0，使整流電壓d為，待合上主電源后，再逐漸加大控制電壓g。六、 方法1. 半控電路實驗。1) 按圖-接線。 在-電路的基礎上，將三個整流管分別用導線連接到晶閘管橋上，注意+、-極性。負載電阻與電感相串接并接于整流橋。 負載電阻與電感相串接并連于整流橋。2) 電阻電感性負載實驗。 三相調壓器逆時針調到底，使交流電壓1調為V。 使控制電壓Ug調為V。 合主電源開關，調節(jié)三相調壓器使輸入交流電壓1為10伏（線電壓）。 慢慢增大控制電壓Ug，用示波器觀察ud、uT及uD的波形。 改變Ug，再觀察各波形的變化。 調節(jié)Ug，使=60左右，測取此時的UL、Ud。3) 觀察“失控”現(xiàn)象。 用示波器觀察負載電壓ud。 切除VT1、VT3、VT5的門極觸發(fā)脈沖。 此時負載端出現(xiàn)一個極性為正的恒定電壓，改變控制電壓Ug，無法使電壓Ud或ud變化，注意直流電壓表和電流表的讀數(shù)。2. 全控電路實驗1) 按圖1-2接線，注意虛線所連的三個晶閘管的陽極連在一起，并與負載的一端相連。 將負載改接為電阻性負載。 將晶閘管VT2、VT4、VT6的門極觸發(fā)脈沖開關接通。2) 電阻性負載實驗 將控制電壓Ug的電位器RP1反時針旋轉到底，即Ug=0V。 輸入交流電壓UL保持為100V（線電壓）。 按“閉合”按鈕，主電路有電。 慢慢增大移相控制電壓Ug，用示波器分別觀察ud、uT及觸發(fā)脈沖uG的波形。 在某-Ug值，即某-值下，讀取輸入交流電壓UL和負載直流電壓Ud值，并作記錄。 觀察電路的移相范圍。3) 直流電動機負載實驗 將負載電阻除去，接上直流電動機，并給電機加上勵磁電源。 將移相控制電壓Ug調為零。 按“閉合”按鈕，主電路有電。 慢慢增大移相控制電壓Ug，電動機逐漸起動旋轉。 在任一控制角下，用示波器觀察ud、uT的波形。 增大Ug，使=0，此時，電動機的轉速應為最高。 切除任一晶閘管的門極觸發(fā)脈沖，觀察ud波形的變化。七、 實驗報告1. 繪制實驗電路圖；2. 繪出半控電路阻感性負載的ud、uT及uD波形。3. 由半控橋=60時所測的Ud值，利用公式計算出對應的輸入交流電壓UL為多少伏？4. 繪出全控電路電阻負載和直流電動機負載時的ud、uT波形。5. 半控電路負載上的直流平均電壓ud為零，則控制角應為多大？6. 半控電路電感性負載并接續(xù)流管的目的是什么？當控制角應為多少度之后，續(xù)流管才開始工作？7. 對“失控”現(xiàn)象進行分析；8. 全控橋電阻性負載時，直流平均電壓ud=0，此時，控制角應為多少度？9. 全控橋直流電動機負載，當切險一個晶閘管的觸發(fā)脈沖時，繪出對應負載電壓ud波形，并作說明。10. 設計一個共陽接法的半控整流電路，并說明晶閘管的導通要求。11. 體會。第二章 交流調壓電路實驗交流調壓廣泛用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應電動機調速，以及電焊、電解、電鍍等設備。此時，常用二只普通晶閘管反并聯(lián)構成一對調壓回路，負載上得到的為一交流電源波形，而晶閘管的工作原理與整流時相同。當負載為大電感性時，由于電感的續(xù)流作用，會使反并聯(lián)的二個晶閘管導通不一致。這需要在實驗中注意觀察。2-1 單相交流調壓電路實驗一、 目的1. 了解單相交流調壓電路的結構原理。2. 掌握負載性質不同對換流過程的影響。3. 觀察電壓波形。二、 實驗線路如圖-所示。本實驗電路需五個掛箱及主控屏的交流電源。三、 儀器設備1. MCL系列教學實驗臺主控屏；2. MCL-18B掛箱；3. MCL-33掛箱；4. MEL-0掛箱；5. MEL-03掛箱；6. MEL-0掛箱7. 虛擬示波器；8. 導線。四、 內容1. 接線；2. 電阻性負載實驗；3. 電阻電感性負載實驗。五、 注意事項1. 電阻電感性負載試驗時，為增大電流可適當減小負載電阻值，但電阻不得為零。2. 檢測電壓和電流須用交流表。3. 變壓器副邊繞組極性不得接反。六、 方法1. 按圖-接線。將-中的兩只晶閘管VT1、VT4反并聯(lián)連接構成交流調壓器；封鎖VT2、VT3、VT5、VT6的門極觸發(fā)脈沖；將開關2撥向左側，電阻調至最大。1) 移相控制電源電位器1逆時針調到底，使gV；2) 主控屏三相調壓器逆時針調到底，合主電源開關，慢慢增大調壓器輸出電壓，使U21=100V；3) 增大移相控制電壓Ug，用示波器觀察負載兩端的電壓ud，及晶閘管電壓uT。4) 調節(jié)Ug，觀察=60、90時的ud波形。2. 電阻電感性負載1) 將開關2撥向左側，成為電阻電感性負載。2) 用雙蹤示波器觀察ud和負載電流id的波形；并測出對應的ud、Id值。3) 改變和R，觀察ud、id的變化情況。圖2-1 單相交流調壓電路七、 實驗報告1. 繪制實驗電路圖；2. 整理實驗中記錄的各種波形，包括ud、uT波形；3. 分析電阻電感負載時的ud、id波形；4. 根據(jù)實測的Ud、Id值，求對應的負載阻值Rd；5. 該電路的移相范圍多大？6. 體會。2-2 三相交流調壓電路實驗一、 目的1. 了解三相交流調壓電路的結構原理；2. 掌握晶閘管的導通規(guī)律及觸發(fā)要求；3. 負載波形觀察。二、 實驗線路如圖2-2所示。負載電阻采用三個可調變阻器連接成星形接法，即為三相三線制電路。若無中線，則每相電流須與另一相構成通路，因此，每一瞬間需有二個晶閘管導通，每相的負載電壓為二分之一的線電壓，為保證電路正常工作，應采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)。三、 儀器設備1. MCL系列教學實驗臺主控屏；2. MCL-18B掛箱；3. MEL-0掛箱；4. MEL-03掛箱；5. MCL-33掛箱；6. 虛擬示波器；7. 導線。四、 內容1. 接線；2. 三相三線制接法實驗；3. 三相四線制接法實驗。五、 注意事項1. 每個負載電阻須用二個900電阻并聯(lián)，最大電流不得超過0.8。2. 改變阻值時，須三個電阻一同改變，并在其中的一組串接交流電流表及并接電壓表。3. 三相四線接法實驗時，從三相負載的點與變壓器副邊中點連一條線，不得將線連到原邊中點。六、 方法1. 按圖-連線。2. 檢查連線，無誤后可通電實驗。3. 合主電源，調節(jié)調壓器使主控屏輸出電壓為V線電壓。4. 用示波器分別觀察負載電壓ud及uT波形。5. 用雙線觀察任意兩相負載電壓的相位，以確定負載電壓的相序。6. 三相負載中點加上零線，觀察負載電壓ud波形的變化。7. 在某-值下，測出對應的Ud、Id。圖2-2 三相交流調壓電路七、 實驗報告1. 繪出實驗線路圖；2. 整理所測波形；3. 為何要采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)？4. 增加中線后，晶閘管的導電過程有否改變，移相范圍是否變化？5. 負載上的電壓為線電壓還是相電壓（無中線時）？6. 設計一個三角形接法的交流調壓線路。7. 體會。第三章 全控型電力電子器件電路實驗晶閘管是一種導通可控，關斷不可控的器件，要使晶閘管關斷，只能在其陽極施加反向電壓。因此采用晶閘管的整流電路交流側的電壓與電流相位差會隨控制角的增大而增加，致使電路的功率因數(shù)很低。因此，GTR、MOSFET等全控型器件已用于變流電路，并取得了較好的效果。本章的實驗電路采用功率場效應晶體管，即MOSFET器件作為功率電子器件實現(xiàn)變流，有關全控型器件的性能請參閱講義。3-1 采用MOSFET的單相調壓實驗一、 目的1. 了解MOSFET器件的工作原理；2. 熟悉PWM專用集成電路SG3525的組成，功能、工作原理及使用方法。3. 掌握全控型器件的單相交流調壓電路的工作原理、特點、波形分析。圖3-1 采用自關斷器件的單相交流調壓電路二、 實驗線路及原理實驗電路如圖3-1所示。該電路由脈寬調制波產生電路，同步信號產生電路，驅動電路及主電路四個部分組成。負載為燈泡。其中VT1、VT2為MOSFET器件，連接成交流開關形式，L與C為濾波環(huán)節(jié)。隨著自關斷器件的迅速發(fā)展，晶閘管移相控制的交流調壓電路，已逐漸被自關斷、即全控型器件的交流斬波調壓所代替，與移相控制相比，斬波調壓具有下列優(yōu)點：(1) 諧波幅值小，最低次諧波頻率高，故可采用小容量濾波元件。(2) 功率因數(shù)高，經(jīng)濾波后，功率因數(shù)接近于1。(3) 對其他用電設備的干擾少。因此，斬波調壓是一種很有發(fā)展前途的調壓方法，可用于馬達調速、調溫、調光等設備。本實驗以調光為例，進行斬波調壓研究。斬波調壓的主回路由MOSFET及其反并聯(lián)的二極管組成雙向全控電子斬波開關。當MOS管分別由脈寬調制信號控制其通斷時，則負載電阻RL上的電壓波形如圖3-2b所示（輸出端不帶濾波環(huán)節(jié)時），顯然，負載上的電壓有效值隨脈寬信號的占空比而變，當輸出端帶有濾波環(huán)節(jié)時的負載端電壓波形如圖3-2c所示。脈寬調制信號由專用集成芯片SG3525產生，該芯片又美國硅通用公司生產，為第二代產品?？刂葡到y(tǒng)中由變壓器T、比較器和與或非等組成同步控制電路以確保交流電源的2端為正時，MOS管VT1導通；而當交流電源的1端為正時，MOS管的VT2導通。電位器RP用來調節(jié)18端鋸齒波的周期。 圖3-2三、 儀器設備1. MCL教學實驗臺主控屏；2. MCL-11掛箱；3. 示波器；4. 萬用表；5. 導線。四、 內容1. PWM專用集成電路SG3525波形觀察。2. 控制電路與驅動波形觀察。3. 主電路波形觀察。4. 濾波環(huán)節(jié)作用測試。五、 注意事項1. 1、2兩端輸入交流電壓不得超過220V。2. 3或6端不得與8端相短接，以免發(fā)生短路事故。六、 方法1. 接線1) MCL-11掛箱的交流電壓1、2端與MCL-18B的U、V、W中任兩端相連。2) 將MCL-18B的L1、L2、L3端的任兩端點與主控屏左側上部的交流電壓表相連，用以監(jiān)視交流電壓值。3) 將主電路3、6兩端點用導線相連。2. SG3525芯片波形觀察1) 測量18端，觀察鋸齒波周期與幅值（分開關S2合上與通斷兩種情況）。2) 測量16端，觀察芯片輸出端最大與最小占空比。3. 控制電路相序與驅動波形測量1) 將電位器RP逆時針旋轉到底。2) 主電路通電，并使AC為220V。3) 用示波器分別觀察下列各點波形。(1) 13、14兩點與地端波形。(2) 12、15兩點與地端波形。(3) 9與10、11與10端間波形。4. 不帶濾波環(huán)節(jié)時主電路各點波形1) 主電路3與6端相連，開關S2放在斷開位置，電位器RP順時針調到中間位置。2) 用示波器觀察燈泡兩端電壓波形。3) MOS管VT1、VT2的兩端波形。4) 用萬用表電壓檔檢測燈泡兩端的電壓值。5. 帶濾波環(huán)節(jié)時主電路各點波形1) 將主電路3與4、5與6端相連，即電路帶上L、C濾波環(huán)節(jié)。2) 用示波器分別觀察負載電壓波形，VT1、VT2的兩端波形。3) 測燈泡兩端交流電壓值。6. 在S2合上與斷開兩種情況下，觀察負載兩端波形變化情況。七、 實驗報告1. 列出實驗目的、儀器、內容及接線圖。2. 畫出控制電路各點波形。3. 畫出主電路各點波形，并作說明。4. 說明濾波環(huán)節(jié)的作用。5. 簡述電路的工作原理。6. 若同步變壓器T原副邊極性接反了，系統(tǒng)能否正常工作？為什么？7. 簡述脈寬調制調壓與相控調壓的優(yōu)缺點