電力電子技術實驗指導書88083

電力電子技術實驗指導書編寫:許月霞方海泉審核：杜少武合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院電氣自動化專業(yè)實驗中心2006年2月電力電子實驗室注意事項1.學生進入實驗室必須遵守實驗記律,聽從實驗室老師的安排2.實驗課和課堂教學一樣,應按時進入實驗室,不得無故遲到和早退3.進入實驗室,首先注意人身安全,不要隨意觸摸電源及開關,愛護實驗儀器設備4.實驗前一定要按要求進行預習,了解實驗要求及步驟和方法,畫出實驗接線圖5.實驗結束后，請把儀器設備檢查好歸位，清點導線，讓老師認可后方可離開6.注意實驗室衛(wèi)生,不得隨地吐談,亂仍廢紙及雜物。1編寫說明“電力電子技術實驗指導書”是為配合我院自動化、電氣工程及自動化專業(yè)開設的《電力電子技術》課程而編寫的，是由任課教師和實驗室老師，根據教學大綱要求的實驗課時數共同討論所做的實驗方案。本指導書充分考慮《電力電子技術》課程內容多并體現了其最新發(fā)展的特點，為保證學生在有限的實驗時間內，盡可能地通過實驗能夠熟練掌握電力電子技術中最常用的基本電路、基本器件的原理及應用，能夠舉一反三。所以共安排了三個單元大實驗（實際是六個實驗內容）。2目錄第一章DJDK－1型電力電子技術實驗裝置簡介1－1控制屏介紹及操作說明…………41－2各掛件功能介紹…………………5第二章電力電子實驗的基本要求和安全操作說明……22第三章電力電子技術實驗內容實驗一、三相半波可控整流電路實驗………………25三相半波有源逆變電路實驗………………28實驗二、直流斬波電路的性能研究（六種典型線路）……………30實驗三、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性實驗…………36GTO、MOSFET、GTR、IGBT驅動與保護電路實驗……38單相正弦波脈寬調制SPWM逆變電路驗……40第四章附錄附錄一電源控制屏常見故障的診斷………………44附錄二KC系列集成塊原理說明…………………45附錄三DJK02和DJK02-1插座使用說明…………493第一章實驗裝置簡介1-1控制屏介紹及操作說明一、特點(1)實驗裝置采用掛件結構，可根據不同實驗內容進行自由組合，故結構緊湊、使用方便功能齊全、綜合性能好，能在一套裝置上完成《電力電子技術》、《自動控制系統(tǒng)》、《直流調速系統(tǒng)》、《交流調速系統(tǒng)》、《電機控制》及《控制理論》等課程所開設的主要實驗項目。(2)實驗機組容量小，耗電小，配置齊全；裝置使用的電機經過特殊設計,其參數特性能模擬3KW左右的通用實驗機組。圖1-1DJDK-1電力電子技術及電機控制實驗裝置外形圖(3)裝置布局合理，面板示意圖明確、清晰、直觀；實驗連接線采用強、弱電分開的手槍式插頭，兩者不能互插，避免強電接入弱電設備，造成該設備損壞；電路連接方式安全、可靠、迅速、簡便；除電源控制屏和掛件外，實驗桌上可放置機組、示波器等實驗儀器，操作舒適、方便。電機采用導軌式安裝，更換機組簡捷、方便；實驗臺底部安裝有輪子和不銹鋼固定調節(jié)機構，便于移動和固定。實驗裝置外形如上圖1-1(4)控制屏供電采用三相隔離變壓器隔離，設有電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保4護裝置，可保護教師和學生的人身安全。(5)掛件面板分為三種接線孔，強電、弱電及波形觀測孔，三者有明顯的區(qū)別，不能互插。二、技術參數(1)輸入電壓三相四線制380V±10%50Hz(2)工作環(huán)境環(huán)境溫度范圍為-5—40℃,相對濕度<75%。(3)裝置容量：＜１.5kVA(4)電機輸出功率:＜200W(5)外形尺寸：長×寬×高=1870㎜×730㎜×1600㎜1-2各掛件功能介紹這里只介紹《電力電子技術》實驗所用到的掛件使用方法，并簡單說明其工作原理和單元電路原理圖。一、圖1-2DJK01掛件電源控制屏電源控制屏主要為實驗提供各種電源，如三相交流電源、直流勵磁電源等；同時為實驗提供所需的儀表，如直流電壓、電流表，交流電壓、電流表。屏上還設有定時器兼報警記錄儀，教師可考核學生的實驗時間和質量；在控制屏正面的大凹槽內，設有兩根不銹鋼管，可掛置實驗所需掛件，凹槽底部設有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，從這些插座提供有源掛件的電源；在控制屏兩邊設有單相三極220V電源插座及三相四極380V電源插座，此外還設有供實驗臺照明用40W日光燈。1、三相電網電壓指示三相電網電壓指示主要用于檢測輸入的電網電壓是否有缺相的情況，操作交流電壓表下面的切換開關，觀測三相電網各線間電壓是否平衡。2、定時器兼報警記錄儀平時作為時鐘使用，具有設定實驗時間、定時報警和切斷電源等功能，它還可以自動記錄由于接線操作錯誤所導致的告警次數。3、電源控制部分它的主要功能是控制電源控制屏的各項功能，它由電源總開關、啟動按鈕及停止按鈕組成。當打開電源總開關時，紅燈亮；當按下啟動按鈕后，紅燈滅，綠燈亮，此時控制屏的三相主電路及勵磁電源都有電壓輸出。4、三相主電路輸出三相主電路輸出可提供三相交流200V/3A或240V/3A電源。輸出的電壓大小由“調速電源選擇開關”控制，當開關置于“直流調速”側時，A、B、C輸出線電壓為200V，可完成電力電子實驗以及直流調速實驗；當開關置于“交流調速”側時，A、B、C輸出線電壓為240V，可完成交流電機調壓調速及串級調速等實驗。在A、B、C三相附近裝有黃、綠、紅發(fā)光二極管，用以指示輸出電壓。同時在主電源輸出回路中還裝有電流互感器，電流互感器可測定主電源輸出電流的大小，供電流反饋和過流保護使用，面板上的TA1、TA2、TA3三處觀測點用于觀測三路電流互感器輸出電壓信號。5圖1-2DJK01主控制屏面板圖5、勵磁電源在按下啟動按鈕后將勵磁電源開關撥向“開”側，則勵磁電源輸出為220V的直流電壓，并有發(fā)光二極管指示輸出是否正常，勵磁電源由0.5A熔絲做短路保護，由于勵磁電源的容量有限，僅作為直流電機提供勵磁電流，故一般不能作為大電流的直流電源使用。6、面板儀表面板下部設置有±300V數字式直流電壓表和±5A數字式直流電流表，精度為0.5級，能為可逆調速系統(tǒng)提供電壓及電流指示；面板上部設置有500V真有效值交流電壓表和5A真有效值交流電流表，精度為0.5級，供交流調速系統(tǒng)實驗時使用。二、圖1-3DJK02掛件晶閘管主電路該掛件裝有12只晶閘管、直流電壓和電流表等，其面板如圖1-3所示。1、三相同步信號輸出端同步信號是從電源控制屏內獲得，屏內裝有△/Y接法的三相同步變壓器，和主電源輸出同相，其輸出相電壓幅度為15V左右，供DJK02-1掛件內的KC04集成電路，從而產生移相觸發(fā)脈沖；只要將本掛件的12芯插頭與屏相連接，則輸出相位一一對應的三相同步電壓信號；接口的詳細引腳情況詳見附錄相關內容。2、正、反橋脈沖輸入端從DJK02-1來的正、反橋觸發(fā)脈沖分別通過輸入接口，加到相應的晶閘管電路上；接口的詳細情況詳見附錄相關內容。63、正、反橋鈕子開關從正、反橋脈沖輸入端來的觸發(fā)脈沖信號通過“正、反橋鈕子開關”接至相應晶閘管的門極和陰極。面板上共設有十二個鈕子開關，分為正、反橋兩組，分別控制對應的晶閘管的觸發(fā)脈沖；開關打到“通”側，觸發(fā)脈沖接到晶閘管的門極和陰極；開關打到“斷”側，觸發(fā)脈沖被切斷；通過鈕子開關的切換可以模擬晶閘管失去觸發(fā)脈沖的故障情況。圖1-3三相變流橋路面板圖4、三相正、反橋主電路正橋主電路和反橋主電路分別由六只5A/1000V晶閘管組成；其中由VT1～VT6組成正橋元件（一般不可逆、可逆系統(tǒng)的正橋使用正橋元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ組成反橋元件（可逆系統(tǒng)的反橋以及需單個或幾個晶閘管的實驗可使用反橋元件）；所有這些晶閘管元件均配置有阻容吸收及快速熔斷絲保護，此外正橋還設有壓敏電阻接成三角形，起過壓吸收。圖1-3DJK02三相變流橋路面板圖5、電抗器實驗主回路中所使用的平波電抗器裝在電源控制屏內，其各引出端通過12芯的插座連接到DJK02面板的中間位置，有3檔電感量可供選擇，分別為lOOmH、2O0mH、700mH（各檔在1A電流下能保持線性），可根據實驗需要選擇合適的電感值。電抗器回路中串有3A熔絲保護，熔絲座裝在電抗器旁。6、直流電壓表及直流電流表面板上裝有±300V的帶鏡面直流電壓表、±2A的帶鏡面直流電流表，均為中零式，精度為1.0級，為可逆調速系統(tǒng)提供電壓及電流指示。7三、圖1-4DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路該掛件裝有三相晶閘管觸發(fā)電路和正反橋功放電路等，面板圖如圖1-4。1、移相控制電壓Uct輸入及偏移電壓Ub觀測及調節(jié)Uct及Ub用于控制觸發(fā)電路的移相角；在一般的情況下，我們首先將Uct接地，調節(jié)Ub，以確定觸發(fā)脈沖的初始位置；當初始觸發(fā)角定下后，在以后的調節(jié)中只調節(jié)Uct的電壓，這樣確保移相角不會大于初始位置；如在逆變實驗中初始移相角α=150o定下后，無論調節(jié)Uct，都能保證β>300，防止出現逆變顛覆的情況。2、觸發(fā)脈沖指示在觸發(fā)脈沖指示處設有鈕子開關用以控制觸發(fā)電路，開關撥到左邊，綠色發(fā)光管亮，在觸發(fā)脈沖觀察孔處可觀測到后沿固定、前沿可調的寬脈沖鏈；開關撥到右邊，紅色發(fā)光管亮，觸發(fā)電路產生雙窄脈沖。3．三相同步信號輸入端通過專用的十芯扁平線將DJK02上的“三相同步信號輸出端”與DJK02-1“三相同步信號輸入端”連接，為其內部的觸發(fā)電路提供同步信號；同步信號也可以從其他地方提供，但要注意同步信號的幅度和相序問題；接口的詳細情況詳見附錄相關內容.圖1-4DJK02-1三相觸發(fā)電路面板圖4、鋸齒波斜率調節(jié)與觀測孔8打開掛件的電源開關，由外接同步信號經KC04集成觸發(fā)電路，產生三路鋸齒波信號，調節(jié)相應的斜率調節(jié)電位器，可改變相應的鋸齒波斜率，三路鋸齒波斜率應保證基本相同，使六路雙窄脈沖間隔基本一致，才能使主電路輸出的波形整齊劃一。5、控制電路其線路原理如圖1-6所示。在由原KC04、KC41和KC42三相集成觸發(fā)電路的基礎上，又增加了4066、4069芯片，可產生三相六路互差60°的雙窄脈沖或三相六路后沿固定、前沿可調的寬脈沖鏈，供觸發(fā)晶閘管使用。在面板上設有三相同步信號觀測孔、兩路觸發(fā)脈沖觀測孔。VT1～VT6為單脈沖觀測孔(在觸發(fā)脈沖指示為“窄脈沖”)或寬脈沖觀測孔(在觸發(fā)脈沖指示為“窄脈沖”)；VT1’～VT6’為雙脈沖觀測孔(在觸發(fā)脈沖指示為“窄脈沖”)或寬脈沖觀測孔(在觸發(fā)脈沖指示為“窄脈沖”)。三相同步電壓信號從每個KC04的“8”腳輸入，在其“4”腳相應形成線性增加的鋸齒波，移相控制電壓Uct和偏移電壓Ub經疊加后，從“9”腳輸入。當觸發(fā)脈沖選擇的鈕子開關撥到窄脈沖側時，通過控制4066（電子開關）,使得每個KC04從“1、15”腳輸出相位相差180°的單窄脈沖(可在上面的VT1～VT6脈沖觀測孔觀測到)，窄脈沖經KC41（六路雙脈沖形成器）后，得到六路雙窄脈沖(可在下面的VT1’～VT6’脈沖觀測孔觀測到)。將鈕子開關撥到寬脈沖側時，通過控制4066，使得KC04的“1、15”腳輸出寬脈沖，同時將KC41的控制端“7”腳接高電平，使KC41停止工作，寬脈沖則通過4066的“3、9”兩腳直接輸出。4069為反相器，它將部分控制信號反相，用以控制4066；KC42為調制信號發(fā)生器，對窄脈沖和寬脈沖進行高頻調制。具體有KC04、KC41、KC42的內部電路原理圖，請查閱附錄中的相關內容。6、正、反橋功放電路正、反橋功放電路的原理以正橋的一路為例，如圖1-5所示；由觸發(fā)電路輸出的脈沖信號經功放電路中的V2、V3三極管放大后由脈沖變壓器T1輸出。Ulf即為DJKO2面板上的Ulf,接地才可使V3工作，脈沖變壓器輸出脈沖；正橋共有六路功放電路，其余的五路電路完全與這一路一致；反橋功放和正橋功放線路完全一致，只是控制端不一樣，將Ulf改為Ulr。7、正橋控制端Ulf及反橋控制端Ulr這兩個端子用于控制正反橋功放電路的工作與否，當端子與地短接，表示功放電路工作，觸發(fā)電路產生的脈沖經功放電路從正反橋脈沖輸出端輸出；懸空表示功放不工作；Ulf控制正橋功放電路，Ulr控制反橋。8、正、反橋脈沖輸出端經功放電路放大的觸發(fā)脈沖，通過專用的20芯扁平線將DJK02“正反橋脈沖輸入端”與DJK02-1上的“正反橋脈沖輸出端”連接，為其晶閘管提供相應的觸發(fā)脈沖；接口的詳細情況詳見附錄相關內容。9圖1-5功放電路原理圖圖1-6所示觸發(fā)電路原理圖如下頁：101112四、DJKO6掛件給定及實驗器件該掛件由給定、負載及+24V直流電源等組成。面板示意圖如圖1-7所示。圖1-7DJK06面板圖1、負載:燈泡作為電力電子實驗的電阻性負載。2、給定:作為新器件特性實驗中的給定電平觸發(fā)信號，或提供DJK02-1的移相控制電壓。電壓范圍-15V～0V～+15V。原理圖如下圖1－8:圖1-8給定原理圖電壓給定由兩個電位器RP1、RP2及兩個鈕子開關S1、S2組成。S1為正、負極性切換開關，輸出的正、負電壓的大小分別由RP1、RP2來調節(jié)，其輸出電壓范圍為0～士l5V，S2為輸出控制開關，打到“運行”側，允許電壓輸出，打到“停止”側，則輸出為零。按以下步驟撥動S1、S2，可獲得以下信號：(1)將S2打到“運行”側，S1打到“正給定”側，調節(jié)RP1使給定輸出一定的正電壓，撥動S2到“停止”側，此時可獲得從正電壓突跳到0V的階躍信號，再撥動S2到“運行”側，此時可獲得從0V突跳到正電壓的階躍信號。(2)將S2打到“運行”側，S1打到“負給定”側，調節(jié)RP2使給定輸出一定的負電壓，撥動S2到“停止”側，此時可獲得從負電壓突跳到0V的階躍信號，再撥動S2到“運行”側，此時可獲得從0V突跳到負電壓的階躍信號。(3)將S2打到“運行”側，撥動S1，分別調節(jié)RP1和RP2使輸出一定的正負電壓，當S1從“正給定”側打到“負給定”側，得到從正電壓到負電壓的跳變。當S1從“負給定”側打到“正給定”側，得到從負電壓到正電壓的跳變。元件RP1、RP2、S1及S2均安裝在掛件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流數字電壓表指示輸出電壓值。要注意的是不允許長時間將輸出端接地，特別是輸出電壓比較高的時候，可能會將RP1、RP2損壞。注意由于該二極管工作頻率不高，故不能將此二極管當快速恢復二極管使用，規(guī)格為：耐壓800V,最大電流3A。圖1-9DJK07面板圖3、+24V電源該+24V直流電源主要提供單相并聯逆變實驗所需的直流電源，輸出最大電流為0.5A。輸出通過一鈕子開關控制，輸出端有0.5A熔絲保護。4、二極管13提供四個二極管可作為普通整流二極管，也可用做為晶閘管實驗帶電感性負載時所需續(xù)流二極管。在回路中有一個鈕子開關對其進行通斷控制。5、壓敏電阻三個壓敏電阻（規(guī)格為：3kA/510V）用于三相反橋主電路(邏輯無環(huán)流直流調速系統(tǒng))的電源輸入端，作為過電壓保護，內部已連成三角形接法。注意不可輸入峰值電壓高于510V，否則造成壓敏電阻損壞。6、電感5mH，額定電流0.5A。用于單相并聯逆變電路實驗。五、DJK07掛件新器件特性實驗該掛件裝有SCR(單向晶閘管)、MOSFET(功率場效應晶體管)、IGBT(絕緣雙極性晶體管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(大功率晶體管)五種功率器件。與DJK06配合使用，可完成SCR、MOSFET、IGBT、GTO、GTR的特性實驗，測定新器件的特性曲線；與DJK12配合使用，可完成MOSFET、IGBT、GTO、GTR的驅動及保護實驗。面板圖如上頁圖1-9六、DJK09掛件單相調壓與可調負載圖1-10JK09面板圖:該掛件由可調電阻、整流與濾波、單相自耦調壓器組成，面板如圖1-10。14可調電阻由兩個同軸90Ω/1.3A瓷盤電阻構成，通過旋轉手柄調節(jié)電阻值的大小，單個電阻回路中有1.5A熔絲保護。整流與濾波的作用是將交流電源通過二極管整流輸出直流電源，供實驗中直流電源使用，交流輸入側輸入最大電壓為250V,有2A熔絲保護。單相自耦調壓器額定輸入交流220V，輸出0～250V可調電壓。七、DJK10掛件變壓器實驗該掛件由三相心式變壓器，逆變變壓器以及三相不控整流橋組成。面板圖如圖1-11。1、三相心式變壓器在繞線式異步電機串級調速系統(tǒng)中作為逆變變壓器使用，在三相橋式、單相橋式有源逆變電路實驗中也要使用該掛箱。該變壓器有2套副邊繞組，原、副邊繞組的相電壓為127V/63.5V/31.8V。(如果Y/Y/Y接法，則線電壓為220V/110V/55V)2、逆變變壓器額定電壓24V，額定電流0.5A，變壓比為1，用于單相并聯逆變實驗。3、三相不控整流橋由六只二極管組成橋式整流，最大電流3A?？捎糜谌鄻蚴?、單相橋式有源逆變電路及直流斬波原理實驗中的高壓直流電源等。圖1-11DJK10面板圖15八、DJK12掛件功率器件驅動電路實驗箱DJKl2掛件是功率器件驅動與保護電路實驗箱，其中包括GTO、GTR、MOSFET、IGBT四種自關斷器件的驅動和保護電路，可拖動直流電機進行調壓調速實驗。掛件由以下幾部分組成：PWM信號發(fā)生電路(PWM)、GTO驅動與保護電路(GTO)、GTR驅動與保護電路(GTR)、MOSFET驅動與保護電(MOSFET)、IGBT驅動與保護電路(IGBT)、穩(wěn)壓電源。面板如圖1-12所示：圖1-12DJK12面板圖1、穩(wěn)壓電源提供±5V、±15V及20V電源，供各個驅動電路使用。2、PWM信號發(fā)生器PWM波形發(fā)生器是為新器件驅動電路提供PWM波形，其工作原理是由SG3525為核心的PWM發(fā)生器，工作原理詳見半橋型開關穩(wěn)壓電源的性能研究。實驗時，把PWM波形發(fā)生器的輸出接至各驅動電路的輸入，用示波器在驅動電路的輸出端觀察相應的驅動波形。用鈕子開關進行切換，可選擇高頻和低頻的PWM波形，高頻檔是為MOSFET和IGBT驅動電路所用，頻率調節(jié)范圍從2～10K，低頻檔是為GTR和GTO驅動電路所用，頻率調節(jié)范圍從200～1000Hz。通過調節(jié)電位器W1，可對頻率進行調節(jié)；輸出PWM波的占空比由電位器W2進行調節(jié)。163、GTO驅動與保護電路GTO的驅動與保護電路如圖1-13所示：電路由±5V直流電源供電，輸入端接PWM發(fā)生器輸出的PWM信號，經過光耦隔離后送入驅動電路。當比較器LM311輸出低電平時，V2、V4截止、V3導通，+5V的電源經R11、R12、R14和C1加速網絡向GTO提供開通電流，GTO導通；當比較器輸出高電平時，V2導通、V3截止、V4導通，-5V的電源經L1、R13、V4、R14提供反向關斷電流，關斷GTO后，再給門極提供反向偏置電壓。圖1-13GTO驅動與保護電路原理圖圖1-14IGBT管的驅動與保護電路4、IGBT驅動與保護電路IGBT管的驅動與保護電路如圖1-14所示，該電路采用富士通公司開發(fā)的IGBT專17用集成觸發(fā)芯片EXB841。它由信號隔離電路、驅動放大器、過流檢測器、低速過流切斷電路和柵極關斷電源等部分組成。EXB841的“6”腳接一高壓快恢復二極管VD1至IGBT的集電極，以完成IGBT的過流保護。正常工作時，RS觸發(fā)器輸出高電平，輸入的PWM信號相與后送入EXB841的輸入端“15”腳。當過流時，驅動電路的保護線路通過VD1檢測到集射極電壓升高，一方面在10us內逐步降低柵極電壓，使IGBT進入軟關斷；另一方面通過“5”腳輸出過流信號，使RS觸發(fā)器動作，從而封鎖與門，使輸入封鎖。5、MOSFET驅動與保護電路MOSFET的驅動與保護電路如圖1-15所示，該電路由±15V電源供電，PWM控制信號經光耦隔離后送入驅動電路，當比較器LM311的“2”腳為低電平時，其輸出端為高電平，三極管V1導通，使MOSFET的柵極接+15V電源，從而使MOSFET管導通。當比較器LM311“2”腳為高電平時，其輸出端為低電平-15V，三極管V1截止，VD1導通，使MOSFET管柵極接-15V電源，迫使MOSFET關斷圖1-15MOSFET管的驅動與保護電路6、GTR驅動與保護電路GTR的驅動與保護電路原理框圖如圖1-16所示：該電路的控制信號經光耦隔離后輸入555，555接成施密特觸發(fā)器形式，其輸出信號用于驅動對管V1和V2，V1和V2分別由正、負電源供電，推挽輸出提供GTR基極開通與關斷的電流。C5、C6為加速電容，可向GTR提供瞬時開關大電流以提高開關速度。VD1～VD4接成貝克鉗位電路，使GTR始終處于準飽和狀態(tài)有利于提高器件的開關速度，其中VD1、VD2、VD3為抗飽和二極管，VD4為反向基極電流提供回路。比較器N2通過監(jiān)測GTR的BE結電壓以判斷是否過電流，并通過門電路控制器在過電流時關斷GTR。當檢測到基極過電流時，通過采樣電阻R11得到的電壓大于比較器N2的基準電壓，則通過與非門使74LS38的6腳輸出為高電平，從而使V1管截止，起到關斷GTR的作用。18圖1-16GTR的驅動與保護電路原理圖九、DJK14掛件(單相交直交變頻原理)該掛件主要完成單相交直交變頻原理實驗。面板圖如下圖1-17：19圖1-17DJK14單相交直交變頻原理面板圖1．主電路主電路由四個IGBT及LC濾波電路組成，左側為0～200V的直流電壓輸入，右側輸出經LC低通濾波后的正弦波信號。2．驅動電路驅動電路由IGBT專用驅動電路M57962L構成，具有驅動、隔離、保護等功能。3．控制電路控制電路由兩片8038及外圍元器件等組成，其中一片8038產生一路鋸齒波，另一片產生一路頻率可調的正弦波，調節(jié)“正弦波頻率調節(jié)電位器”可調節(jié)正弦波的頻率。為了讓學生能比較清晰的觀測到SPWM信號，鋸齒波的頻率分為兩擋，可通過鈕子開關進行切換；當鈕子開關撥到運行側時，輸出頻率為10kHz左右，可減少輸出諧波分量，當鈕子開關撥到測試側，輸出400Hz左右，方便用普通示波器觀測SPWM信號。十、DJK20掛件(直流斬波實驗)該掛件主要依據西安交通大學王兆安、黃俊編寫的電力電子技術（第四版）教材中的有關斬波電路的六種典型的電路實驗。通過利用主電路元器件的自由組合，可構成降壓斬波電路(BuckChopper)、升壓斬波電路(BoostChopper)、升降壓斬波電路(Boost-BuckChopper)、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路六種電路實驗。1．主電路接線圖包括六種電路實驗詳細接線圖，在實驗過程中按原器件標號進行接線。2．主電路原器件實驗中所用的器件，包括電容、電感、IGBT等。3．整流電路輸入交流電源得到直流電源，要注意輸出的直流電源不能超過50V。直流側有2A熔絲保護。4．控制電路及脈寬調節(jié)電位器PWM發(fā)生器由SG3525構成，具體原理見實驗部分。調節(jié)“PWM脈寬調節(jié)電位器”改變輸出的觸發(fā)信號脈寬。DJK20面板圖如下頁圖1-18。20圖1-18DJK20面板圖。21第二章電力電子實驗的基本要求和安全操作說明《電力電子技術》是電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)的三大電子技術基礎課程之一。本課程涉及面廣，內容包括電力、電子、控制、計算機控制技術等，而實驗環(huán)節(jié)是這些課程的重要組成部分。通過實驗，可以加深對理論的理解，培養(yǎng)和提高學生獨立動手能力和分析、解決問題的能力。1、實驗的特點和要求電力電子技術實驗的內容較多、較新，實驗系統(tǒng)也比較復雜，系統(tǒng)性較強。電力電子技術實驗是《電力電子技術》課程理論教學的重要的補充和繼續(xù)，而理論教學則是實驗教學的基礎。學生在實驗中應學會運用所學的理論知識去分析和解決實際系統(tǒng)中出現的各種問題，提高動手能力；同時通過實驗來驗證理論，促使理論和實踐相結合，使認識不斷提高、深化。具體地說，學生在完成指定的實驗后，應具備以下能力:(1)掌握電力電子變流裝置主電路、觸發(fā)或驅動電路的構成及調試方法，能初步設計和應用這些電路。(2)系統(tǒng)的組成和調試方法，系統(tǒng)參數的測量和整定方法。(3)能設計交、直流電機控制系統(tǒng)的具體實驗線路，列出實驗步驟。(4)熟悉并掌握基本實驗設備、測試儀器的性能及使用方法。(5)能夠運用理論知識對實驗現象、結果進行分析和處理，解決實驗中遇到的問題。(6)能夠綜合實驗數據，解釋實驗現象，編寫實驗報告。2、實驗前的準備實驗準備即為實驗的預習階段，是保證實驗能否順利進行的必要步驟。每次實驗前都應先進行預習，從而提高實驗質量和效率，否則就有可能在實驗時不知如何下手，浪費時間，完不成實驗要求，甚至有可能損壞實驗裝置。因此，實驗前應做到：(1)復習教材中與實驗有關的內容，熟悉與本次實驗相關的理論知識。(2)閱讀本教材中的實驗指導，了解本次實驗的目的和內容；掌握本次實驗系統(tǒng)的工作原理和方法；明確實驗過程中應注意的問題。(3)寫出預習報告，其中應包括實驗系統(tǒng)的詳細接線圖、實驗步驟、數據記錄表格等。(4)進行實驗分組，一般情況下，每組人應與每次的裝置對應。3、實驗實施在完成理論學習、實驗預習等環(huán)節(jié)后，就可進入實驗實施階段。實驗時要做到以下幾點：(1)實驗開始前，學生的預習報告應給任課教師作檢查，要求學生了解本次實驗的目的、內容和方法，只有滿足此要求后，方能允許實驗。(2)認真聽取實驗教師對實驗裝置的介紹，熟悉本次實驗使用的實驗設備、儀器，明確這些設備的功能與使用方法。(3)按實驗小組進行實驗，實驗小組成員應進行明確的分工，以保證實驗操作協(xié)調，記錄數據準確可靠，各人的任務應在實驗進行中實行輪換，以便實驗參加者能全面掌握實驗技術，提高動手能力。22(4)按預習報告上的實驗系統(tǒng)詳細線路圖進行接線，一般情況下，接線次序為先主電路，后控制電路。(5)完成實驗系統(tǒng)接線后，必須進行自查。串聯回路從電源的某一端出發(fā)，按回路逐項檢查各儀表、設備、負載的位置、極性等是否正確;并聯支路則檢查其兩端的連接點是否在指定的位置。距離較遠的兩連接端必須選用長導線直接跨接，不得用2根導線在實驗裝置上的某接線端進行過渡連接。(6)實驗時，應按實驗指導書所提出的要求及步驟，逐項進行實驗和操作。系統(tǒng)啟動前，應使負載電阻值最大，給定電位器處于零位；測試記錄點的分布應均勻；改接線路時，必須斷開主電源方可進行。實驗中應觀察實驗現象是否正常，所得數據是否合理，實驗結果是否與理論相一致。(7)完成本次實驗全部內容后，應請指導教師檢查實驗數據、記錄的波形。經指導教師認可后方可拆除接線，整理好連接線、儀器、工具，使之物歸原位。4、實驗總結實驗的最后階段是實驗總結，即對實驗數據進行整理、繪制波形和圖表、分析實驗現象、撰寫實驗報告。每位實驗參與者都要獨立完成一份實驗報告，實驗報告的編寫應持嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度。如實驗結果與理論有較大出入時，不得隨意修改實驗數據和結果，不得用湊數據的方法來向理論靠攏，而是用理論知識來分析實驗數據和結果，解釋實驗現象，找出引起較大誤差的原因。實驗報告的一般格式如下:(1)實驗名稱、專業(yè)、班級、實驗學生姓名、同組者姓名和實驗時間。(2)實驗目的、實驗線路、實驗內容。(3)實驗設備、儀器、儀表的型號、規(guī)格、銘牌數據及實驗裝置編號。(4)實驗數據的整理、列表、計算，并列出計算所用的計算公式。(5)畫出與實驗數據相對應的特性曲線及記錄的波形。(6)用理論知識對實驗結果進行分析總結，得出明確的結論。(7)對實驗中出現的某些現象、遇到的問題進行分析、討論，寫出心得體會，并對實驗提出自己的建議和改進措施。(8)實驗報告應寫在一定規(guī)格的報告紙上，保持整潔。(9)每次實驗每人獨立完成一份報告，按時送交指導教師批閱。5、實驗安全操作規(guī)程為了順利完成電力電子技術實驗，確保實驗時人身安全與設備可靠運行要嚴格遵守如下安全操作規(guī)程：（1）在實驗過程時，絕對不允許做實驗者雙手同時接到隔離變壓器的兩個輸出端，將人體作為負載使用。（2）任何接線和拆線都必須在切斷主電源后方可進行。（3）為了提高實驗過程中的效率，完成接線或改接線路后，應仔細再次核對線路，并使組內其他同學引起注意后方可接通電源。（4）如果在實驗過程中發(fā)生過流告警，應仔細檢查線路以及電位器的調節(jié)參數，確定23無誤后方能重新進行實驗。（5）在實驗中應注意所接儀表的最大量程，選擇合適的負載完成實驗，以免損壞儀表、電源或負載。（6）系統(tǒng)起動前負載電阻必須放在最大阻值，給定電位器必須退回至零位后，才允許合閘起動并慢慢增加給定，以免元件和設備過載損壞。24第三章實驗內容實驗一三相半波可控整流和三相半波有源逆變電路實驗實驗1、三相半波可控整流電路實驗一、實驗目的了解三相半波可控整流電路的工作原理，研究可控整流電路在電阻負載和電阻電感性負載時的工作情況。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK02晶閘管主電路3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路包含觸發(fā)電路、正反橋功放等幾個模塊4DJK06給定及實驗器件包含二極管、開關等模塊5D42三相可調電阻6雙蹤示波器圖3-1三相半波可控整流電路實驗原理圖25三、實驗線路及原理圖3-1中晶閘管用DJK02正橋組的三個(共陰極)，電阻R用D42三相可調電阻，將兩個900Ω接成并聯形式，Ld電感用DJK02面板上的700mH，其三相觸發(fā)信號由DJK02-1內部提供，只需在其外加一個給定電壓接到Uct端即可。直流電壓、電流表由DJK02獲得。四、實驗內容1、研究三相半波可控整流電路帶電阻性負載。2、研究三相半波可控整流電路帶電阻電感性負載。五、實驗方法與步驟1、DJK02和DJK02-1上的“觸發(fā)電路”調試①打開DJK01總電源開關，操作“電源控制屏”上的“三相電網電壓指示”開關，觀察輸入的三相電網電壓是否平衡。②將DJK01“電源控制屏”上“調速電源選擇開關”撥至“直流調速”側。③用10芯的扁平電纜，將DJK02的“三相同步信號輸出”端和DJK02-1“三相同步信號輸入”端相連,打開DJK02-1電源開關，撥動“觸發(fā)脈沖指示”鈕子開關，使“寬”的發(fā)光管亮。④觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調節(jié)A、B、C三相鋸齒波斜率調節(jié)電位器（在各觀測孔左側），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。⑤將DJK06上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開關S2撥到接地位置（即Uct=0），調節(jié)DJK02-1上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔”VT1的輸出波形。⑥適當增加給定Ug的正電壓輸出，觀測DJK02-1上“脈沖觀察孔”的波形，此時應觀測到脈沖變化（移相）。⑦將DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將DJK02-1的“正橋觸發(fā)脈沖輸出”端和DJK02“正橋觸發(fā)脈沖輸入”端相連，并將DJK02“正橋觸發(fā)脈沖”的三個開關撥至“通”，觀察正橋VT1、TV3、VT5晶閘管門極和陰極之間的觸發(fā)脈沖是否正常。2、三相半波可控整流電路帶電阻性負載按圖3-1接線，將電阻器放在最大阻值處，按下“啟動”按鈕，DJK06上的“給定”從零開始，慢慢增加移相電壓，使α能從0°到150°范圍內調節(jié)，用示波器觀察并紀錄α=0°、30°、60°、90°、120°時整流輸出電壓Ud和晶閘管兩端電壓UVT的波形，并紀錄相應的電源電壓U2及Ud的數值于下表中α0O30O60O90O120OUd（計算值）Ud（記錄值）Ud/U2U226計算公式:Ud＝1.17U2cosα(0～30O)Ud=0.675U2[1+cos(α+6/π)](30O～150O)3、三相半波整流帶電阻電感性負載將DJK02上700mH的電抗器與負載電阻R串聯后接入主電路，觀察不同移相角α時Ud、Id的輸出波形，并記錄相應的電源電壓U2及Ud值，畫出α＝90O時的Ud及Id波形圖。α0O30O60O90O120OUd（計算值）Ud（記錄值）Ud/U2U2六、實驗報告根據實驗所測數據作出以下關系曲線：1)電阻性負載、電阻電感性負載時Ud=f(α)、Ud/U2=f(α)2)繪出當α＝90O時，整流電路供電給電阻性負載、電阻電感性負載時的Ud、UVT及Id的波形，并進行分析討論。七、預習要求閱讀電力電子技術教材中有關三相半波整流電路的內容。八、注意事項(1)雙蹤示波器有兩個探頭，可同時觀測兩路信號，但這兩探頭的地線都與示波器的外殼相連，所以兩個探頭的地線不能同時接在同一電路的不同電位的兩個點上，否則這兩點會通過示波器外殼發(fā)生電氣短路。為此，為了保證測量的順利進行，可將其中一根探頭的地線取下或外包絕緣，只使用其中一路的地線，這樣從根本上解決了這個問題。當需要同時觀察兩個信號時，必須在被測電路上找到這兩個信號的公共點，將探頭的地線接于此處，探頭各接至被測信號，只有這樣才能在示波器上同時觀察到兩個信號，而不發(fā)生意外。(2)整流電路與三相電源連接時,一定要注意相序,必須一一對應.27實驗2、三相半波有源逆變電路實驗一、實驗目的研究三相半波有源逆變電路的工作，驗證可控整流電路在有源逆變時的工作條件，并比較與整流工作時的區(qū)別。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK02晶閘管主電路3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路包含觸發(fā)電路、正反橋功放等幾個模塊4DJK06給定及實驗器件包含二極管、開關等模塊5DJK10變壓器實驗器件包含變變壓器、三相不控整流等6D42三相可調電阻7雙蹤示波器三、實驗線路及原理其工作原理詳見電力電子技術教材中的有關內容。晶閘管可選用DJK02上的正橋，電感用DJK02上的Ld=700mH，電阻R選用D42三相可調電阻，將兩個900Ω接成串聯形式，直流電源用DJK01上的勵磁電源，其中DJK10中的心式變壓器用作升壓變壓器使用，變壓器接成Y/Y接法，逆變輸出的電壓接心式變壓器的中壓端Am、Bm、Cm,返回電網的電壓從高壓端A、B、C輸出。直流電壓、電流表均在DJK02上。四、實驗內容三相半波整流電路在有源逆變狀態(tài)工作下帶電阻電感性負載的研究。五、實驗方法及步驟1、DJK02和DJK02-1上的“觸發(fā)電路”調試（與整流電路步驟相同）2、三相半波整流及有源逆變電路①按圖3-2接線，將負載電阻放在最大阻值處，使輸出給定調到零。②按下“啟動”按鈕，此時三相半波處于逆變狀態(tài)，理論值α=150O（即β=30O），實際調到βmin即可，用示波器觀察電路輸出電壓Ud波形，緩慢調節(jié)給定電位器，升高輸出給定電壓。觀察電壓表的指示，其值由負的電壓值向零靠近，當到零電壓的時候，也就是α=90O（即β=90O），記錄β=βmin、45O、60O、75O、90O時的電壓值以及波形。ββmin45O60O75O90OUd（計算值）Ud（實測值）28圖3-2三相半波有源逆變電路實驗原理圖六、實驗報告(1)畫出實驗所得的各特性曲線與波形圖。(2)對可控整流電路在整流狀態(tài)與逆變狀態(tài)的工作特點作比較。七、注意事項(1)參照本實驗1的注意事項(1)(2)電阻調節(jié)要緩慢進行,以防主電路電流過大,損壞晶閘管.29實驗二直流斬波電路的性能研究（六種典型線路）一、實驗目的(1)熟悉直流斬波電路的工作原理。(2)熟悉各種直流斬波電路的組成及其工作特點。(3)了解PWM控制與驅動電路的原理及其常用的集成芯片。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK09單相調壓與可調負載3DJK20直流斬波電路4D42三相可調負載5雙蹤示波器三、實驗線路及原理1、主電路①、降壓斬波電路(BuckChopper)降壓斬波電路(BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖3-3所示。圖中V為全控型器件，選用IGBT。D為續(xù)流二極管。由圖3-3b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向負載供電，UD=Ui。當V處于斷態(tài)時，負載電流經二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。負載電壓的平均值為：式中ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，α為導通占空比，簡稱占空比或導通比(α=ton/T)。由此可知，輸出到負載的電壓平均值U0最大為Ui，若減小占空比α，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。圖3-3降壓斬波電路的原理圖及波形30②、升壓斬波電路(BoostChopper)升壓斬波電路(BoostChopper)的原理圖及工作波形如圖3-4所示。電路也使用一個全控型器件V。由圖3-4b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒定為I1,同時電容C1上的電壓向負載供電，因C1值很大，基本保持輸出電壓UO為恒值。設V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L1上積蓄的能量為UiI1ton。當V處于斷態(tài)時Ui和L1共同向電容C1充電，并向負載提供能量。設V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為(UO-Ui)I1ton。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：上式中的T/toff≥1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。圖3-4升壓斬波電路的原理圖及波形③、升降壓斬波電路(Boost-BuckChopper)升降壓斬波電路(Boost-BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖3-5所示。圖3-5升降壓斬波電路的原理圖及波形電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時，電源Ui經V向電感L1供電使其貯存能量，同時C1維持輸出電壓UO基本恒定并向負載供電。此后，V關斷，電感L1中貯存的能量向負載釋放?？梢?負載電壓為上負下正，與電源電壓極性相反。若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。輸出電壓為：31④、Cuk斬波電路Cuk斬波電路的原理圖如圖3-6所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時，Ui—L1—V回路和負載R—L2—C2—V回路分別流過電流。當V處于斷態(tài)時，Ui—L1—C2—D回路和負載R—L2—D回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓為：若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。圖3-6Cuk斬波電路原理圖⑤、Sepic斬波電路Sepic斬波電路的原理圖如圖3-7所示。圖3-7Sepic斬波電路原理圖電路的基本工作原理是：可控開關V處于通態(tài)時，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同時導電，L1和L2貯能。當V處于斷態(tài)時，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同時導電，此階段Ui和L1既向R供電，同時也向C2充電，C2貯存的能量在V處通態(tài)時向L2轉移。輸出電壓為：32若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。⑥、Zeta斬波電路Zeta斬波電路的原理圖如圖3-8所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時，電源Ui經開關V向電感L1貯能。當V處于斷態(tài)后，L1經D與C2構成振蕩回路，其貯存的能量轉至C2，至振蕩回路電流過零，L1上的能量全部轉移至C2上之后，D關斷，C2經L2向負載R供電。輸出電壓為：圖3-8Zeta斬波電路原理圖若改變導通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓。2、控制與驅動電路控制電路以SG3525為核心構成，SG3525為美國SiliconGeneral公司生產的專用PWM控制集成電路，其內部電路結構及各引腳功能如圖3-9所示，它采用恒頻脈寬調制控制方案，內部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相差、占空比可調的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關電源、斬波器的控制。詳細的工作原理與性能指標可參閱相關的資料。圖3-9SG3525芯片的內部結構與所需的外部組件33四、實驗內容1、控制與驅動電路的測試2、六種直流斬波器的測試五、實驗方法1、控制與驅動電路的測試(1)啟動實驗裝置電源，開啟DJK20控制電路電源開關。(3)調節(jié)PWM脈寬調節(jié)電位器改變Ur，用雙蹤示波器分別觀測SG3525的第11腳與第14腳的波形，觀測輸出PWM信號的變化情況，并填入下表。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.511(A)占空比(%)14(B)占空比(%)PWM占空比(%)(3)用示波器分別觀測A、B和PWM信號的波形，記錄其波形、頻率和幅值，并填入下表。觀測點A(11腳)B(14腳)PWM波形類型幅值A(V)頻率f(HZ)(4)用雙蹤示波器的兩個探頭同時觀測11腳和14腳的輸出波形，調節(jié)PWM脈寬調節(jié)電位器，觀測兩路輸出的PWM信號。2、直流斬波器的測試(使用一個探頭觀測波形)斬波電路的輸入直流電壓Ui由三相調壓器輸出的單相交流電經DJK20掛箱上的單相橋式整流及電容濾波后得到。接通交流電源，觀測Ui波形，記錄其平均值(注：本裝置限定直流輸出最大值為50V，輸入交流電壓的大小由調壓器調節(jié)輸出)。六、按下列實驗步驟依次對六種典型的直流斬波電路進行測試。(1)切斷電源，根據DJK20上的主電路圖，利用面板上的元器件連接好相應的斬波實驗線路，并接上電阻負載，負載電流最大值限制在200mA以內。將控制與驅動電路“V-G”“V-E”分別接至V的G和E端。(2)檢查接線正確，尤其是電解電容的極性是否接反后，接通主電路和控制電路的電源。(3)用示波器觀測PWM信號的波形、UGE的電壓波形、UCE的電壓波形及輸出電壓Uo和二極管兩端電壓UD的波形，注意各波形間的相位關系。(4)調節(jié)PWM脈寬調節(jié)電位器改變Ur，觀測在不同占空比(α)時，記錄Ui、UO和α的數值于下表中，從而畫出UO=f(α)的關系曲線。七、實驗報告(1)分析圖3-9中產生PWM信號的工作原理。(2)整理各組實驗數據繪制各直流斬波電路的Ui/UO-α曲線并作比較與分析。(3)討論、分析實驗中出現的各種現象。34各種直流斬波電路的Ui/UO-α比較表斬波種類Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比α(%)Ui(V)降壓電路BuckChopperU0(V)占空比α(%)Ui(V)升壓電路BoostChopperU0(V)占空比α(%)Ui(V)升降壓電路Boost-BuckChopperU0(V)占空比α(%)Ui(V)Cuk斬波電路U0(V)占空比α(%)Ui(V)Sepic斬波電路U0(V)占空比α(%)Ui(V)Zeta斬波電路U0(V)35實驗三電力電子器件特性、驅動與保護電路實驗和單相正弦波脈寬調制（SPWM）逆變電路實驗實驗1、SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性實驗一、實驗目的(1)掌握各種電力電子器件的工作特性。(2)掌握各器件對觸發(fā)信號的要求。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK06給定及實驗器件包含二極管、開關等模塊3DJK07新器件特性試驗4DJK09單相調壓與可調負載5萬用表三、實驗線路及原理實驗線路的具體接線如下圖所示：圖3-10新器件特性實驗原理圖將電力電子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五種)和負載電阻R串聯后接至直流電源的兩端，由DJK06上的給定為新器件提供觸發(fā)電壓信號，給定電壓從零開始調節(jié)，直至器件觸發(fā)導通，從而可測得在上述過程中器件的V/A特性；圖3-10中的電阻R用DJK09上的可調電阻負載，將兩個90Ω的電阻接成串聯形式，最大可通過電流為1.3A；直流電壓和電流表可從DJK01電源控制屏上獲得，五種電力電子器件均在DJK07掛箱上；直流電源從電源控制屏的輸出接DJK09上的單相調壓器，然后調36壓器輸出接DJK09上整流及濾波電路，從而得到一個輸出可以由調壓器調節(jié)的直流電壓源。四、實驗內容1、晶閘管（SCR）特性實驗。2、可關斷晶閘管（GTO）特性實驗。3、功率場效應管（MOSFET）特性實驗。4、大功率晶體管（GTR）特性實驗。5、絕緣雙極性晶體管（IGBT）特性實驗。五、預習要求閱讀電力電子技術教材中有關電力電子器件的章節(jié)。六、實驗方法1、按圖3-10接線，首先將晶閘管（SCR）接入主電路，在實驗開始時，將DJK06上的給定電位器RP1沿逆時針旋到底，S1撥到“正給定”側，S2撥到“給定”側，單相調壓器逆時針調到底，DJK09上的可調電阻調到阻值為最大的位置；打開DJK06的電源開關，按下控制屏上的“啟動”按鈕，然后緩慢調節(jié)調壓器，同時監(jiān)視電壓表的讀數，當直流電壓升到40V時，停止調節(jié)單相調壓器(在以后的其他實驗中，均不用調節(jié))；調節(jié)給定電位器RP1，逐步增加給定電壓，監(jiān)視電壓表、電流表的讀數，當電壓表指示接近零（表示管子完全導通），停止調節(jié)，記錄給定電壓Ug調節(jié)過程中回路電流Id以及器件的管壓降Uv。UgIdUv2、按下控制屏的“停止”按鈕，將晶閘管換成可關斷晶閘管（GTO），重復上述步驟，并記錄數據。UgIdUv3、按下控制屏的“停止”按鈕，換成功率場效應管（MOSFET），重復上述步驟，并記錄數據。UgIdUv4、按下控制屏的“停止”按鈕，換成大功率晶體管（GTR），重復上述步驟，并記錄數據。UgIdUv375、按下控制屏的“停止”按鈕，換成絕緣雙極性晶體管（IGBT），重復上述步驟，并記錄數據。UgIdUv七、實驗報告根據得到的數據，繪出各器件的輸出特性。八、注意事項(1)參照本實驗1的注意事項(1)(2)為保證功率器件在實驗過程中避免功率擊穿，應保證管子的功率損耗(即功率器件的管壓降與器件流過的電流乘積)小于8W。(3)為使GTR特性實驗更典型，其電流控制在0.4A以下。(4)在本實驗中，完成的是關于器件的伏安特性的實驗項目，同學可以根據自己的實際需要調整實驗項目，如可增加測量器件的導通時間等實驗項目。實驗2、GTO、MOSFET、GTR、IGBT驅動與保護電路實驗一、實驗目的(1)理解各種自關斷器件對驅動與保護電路的要求。(2)熟悉各種自關斷器件的驅動與保護電路的結構及特點。(3)掌握由自關斷器件構成PWM直流斬波電路原理與方法。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK06給定及實驗器件包含二極管、開關等模塊3DJK07新器件特性試驗4DJK12功率器件驅動電路實驗箱5雙蹤示波器三、實驗線路及原理自關斷器件的實驗接線及實驗原理圖如圖3-11所示，圖中直流電源可由控制屏上的勵磁電壓提供，或由控制屏上三相電源中的兩相經整流濾波后輸出，接線時，應從直流電源的正極出發(fā)，經過限流電阻、自關斷器件及保護電路、直流電流表、再回到直流電源的負端，構成實驗主電路。四、實驗內容自關斷器件及其驅動、保護電路的研究（可根據需要選擇一種或幾種自關斷器件）。五、實驗方法1、GTR的驅動與保護電路實驗在本實驗中，把DJK12實驗掛箱中的頻率選擇開關撥至“低頻檔”。然后調節(jié)頻率按鈕，使PWM波輸出頻率在“1KHz”左右。38圖3-11自關斷器件的實驗接線及原理圖在主電路中，直流電源由控制屏上的勵磁電源輸出，負載電阻R用DJK06上的燈泡負載，直流電壓、電流表均在控制屏上。驅動與保護電路接線時，要注意控制電源及接地的正確連接。對于GTR器件，采用±5V電源驅動。接線時，PWM波形的輸出端接GTR驅動模塊的輸入端，±5V電源分別接GTR電源的輸入端。實驗時應先檢查驅動電路的工作情況。在未接通主電路的情況下，接通驅動模塊的電源，此時可在驅動模塊的輸出端觀察到相應的波形，調節(jié)PWM波形發(fā)生器的頻率及占空比，觀測PWM波形的變化規(guī)律。在驅動電路正常工作后，將占空比調小，然后合上主電路電源開關，再調節(jié)占空比，用示波器觀測、記錄不同占空比時基極的驅動電壓、GTR管壓降及負載上的波形。測定并記錄不同占空比α時負載的電壓平均值Ua于下表中：αUa2、GTO的驅動與保護電路實驗將DJK12實驗掛箱上的頻率選擇開關撥至“低頻檔”，調節(jié)頻率調節(jié)電位器，使方波的輸出頻率在“1KHz”左右，然后再按實驗原理圖接好驅動與保護電路。其基本的實驗方法與GTR的驅動與保護電路及斬波調速實驗相同。3、MOSFET的驅動與保護電路實驗將DJK12實驗掛箱上的頻率選擇開關撥至“高頻檔”，調節(jié)頻率調節(jié)電位器，使方波的輸出頻率在“8KHz～10KHz”范圍內，然后再按實驗原理圖接好驅動與保護電路的實驗線路，其基本的實驗方法與GTR的驅動與保護電路實驗一致。4、IGBT的驅動與保護電路實驗39在本實驗中，DJK12實驗掛箱中的頻率選擇開關撥至“高頻檔”，改變頻率調節(jié)電位器，使方波的輸出頻率在“8KHz～10KHz”范圍內，然后再按實驗原理圖接好驅動與保護電路的實驗線路，其基本的實驗方法與GTR的驅動與保護電路實驗一致。六、實驗報告(1)整理并畫出不同自關斷器件的基極（或控制極）驅動電壓、驅動電流、元件管壓降的波形。(2)畫出Ua=f（α）的曲線。(3)討論并分析實驗中出現的問題。七、注意事項(1)可參考本實驗1的注意事項(1)。(2)連接驅動電路時必須注意各器件不同的接地方式。(3)不同的自關斷器件需接不同的控制電壓，接線時應注意正確選擇。(5)實驗開始前，必須先加上自關斷器件的控制電壓，然后再加主回路的電源；實驗結束時，必須先切斷主回路電源，然后再切斷控制電源。實驗3、單相正弦波脈寬調制（SPWM）逆變電路實驗一、實驗目的(1)熟悉單相交直交變頻電路原理及電路組成。(2)熟悉ICL8038的功能。(3)掌握SPWM波產生的基理。(4)分析交直交變頻電路在不同負載時的工作情況和波形，并研究工作頻率對電路工作波形的影響。二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源控制屏該控制屏包含三相電源輸出等幾個模塊2DJK06給定及實驗器件包含二極管、開關等模塊3DJK09單相調壓與可調負載4DJK14單相交直交變頻原理5雙蹤示波器6萬用表三、實驗線路及原理采用SPWM正弦波脈寬調制，通過改變調制頻率，實現交直交變頻的目的。實驗電路由三部分組成：即主電路,驅動電路和控制電路。(1)主電路部分:AC/DC(整流)DC/AC(逆變)如圖3-12所示,交直流變換部分（AC/DC）為不可控整流電路（由實驗掛箱DJK09提供）；逆變部分（DC/AC）由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調制方式。輸出經LC低通濾波器，濾除高次諧波，得到頻率可調的正弦波（基波）交流輸出。本實驗設計的負載為電阻性或電阻電感性負載.40圖3-12主電路結構原理圖(2)驅動電路:如本圖3-13（以其中一路為例）所示，采用IGBT管專用驅動芯片M57962L，圖3-13驅動電路結構原理圖其輸入端接控制電路產生的SPWM信號，其輸出可用以直接驅動IGBT管。其特點如下：①采用快速型的光藕實現電氣隔離。②具有過流保護功能，通過檢測IGBT管的飽和壓降來判斷IGBT是否過流,過流時IGBT管CE結之間的飽和壓降升到某一定值，使8腳輸出低電平，在光藕TLP521的輸出端OC1呈現高電平，經過流保護電路（見圖3-14），使4013的輸出Q端呈現低電平，送控制電路，起到了封鎖保護作用。41圖3-14保護電路結構原理圖:(3)控制電路:控制電路結構框圖如下圖3－16控制電路結構原理圖控制電路如圖3-16所示，它是由兩片集成函數信號發(fā)生器ICL8038為核心組成，42其中一片8038產生正弦調制波Ur，另一片用以產生三角載波Uc，將此兩路信號經比較電路LM311異步調制后，產生一系列等幅，不等寬的矩形波Um，即SPWM波。Um經反相器后，生成兩路相位相差180度的±PWM波，再經觸發(fā)器CD4528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波，作為主電路中兩對開關管IGBT的控制信號。各波形的觀測點均已引到面板上，可通過示波器進行觀測。為了便于觀察SPWM波，面板上設置了“測試”和“運行”選擇開關，在“測試”狀態(tài)下，三角載波Uc的頻率為180HZ左右,此時可較清楚地觀察到異步調制的SPWM波，通過示波器可比較清晰地觀測SPWM波，但在此狀態(tài)下不能帶載運行，因載波比N太低，不利于設備的正常運行。在“運行”狀態(tài)下，三角載波Uc頻率為10KHZ左右,因波形的寬窄快速變化致使無法用普通示波器觀察到SPWM波形，通過帶儲存的數字示波器的存儲功能也可較清晰地觀測SPWM波形。正弦調制波Ur頻率的調節(jié)范圍設定為5-60Hz?？刂齐娐愤€設置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT關斷，起到保護作用。四、實驗內容1、控制信號的觀測。2、帶電阻及電阻電感性負載。五、實驗方法1、控制信號的觀測:在主電路不接直流電源時，打開控制電源開關，并將DJK14掛箱左側的鈕子開關撥到“測試”位置。①觀察正弦調制波信號Ur的波形，測試其頻率可調范圍；②觀察三角載波Uc的波形，測試其頻率；③比較“PWM+”，“PWM-”和“SPWM1”，“SPWM2”的區(qū)別.2、帶電阻及電阻電感性負載在實驗步驟1之后，將DJK14掛箱面板左側的鈕子開關撥到“運行”位置，將正弦調制波信號Ur的頻率調到最小，選擇負載種類：①將輸出接燈泡負載，然后將主電路接通由控制屏左下側的直流電源(通過調節(jié)單相交流自藕調壓器，使整流后輸出直流電壓保持為200V)接入主電路，由小到大調節(jié)正弦調制波信號Ur的頻率，觀測負載電壓的波形，記錄其波形參數（幅值、頻率）。②接入實驗器件和DJK02上的100mH電感串聯組成的電阻電感性負載，然后將主電路接通由DJK09提供的直流電源(通過調節(jié)交流側的自藕調壓器，使輸出直流電壓保持為200V)，由小到大調節(jié)正弦調制波信號Ur的頻率觀測負載電壓的波形，記錄其波形參數（幅值、頻率）。六、注意事項(1)在“測試”狀態(tài)下，請勿帶負載運行。(2)面板上的“過流保護”指示燈亮，表明過流保護動作，此時應檢查負載是否短路，若要繼續(xù)實驗，應先關機后，再重新開機。(3)當做交流電機變頻調速時，通常是與調壓一起進行的，以保持V/F＝常數,本裝置是采用手動調節(jié)輸入的交流電壓。43第四章附錄附錄一電源控制屏常見故障的診斷本部分內容中，主要介紹設備在使用過程中最容易遇見的問題，供同學們在實驗時參考。當設備出現以下問題后，可參考以下的步驟解決，如仍無法解決請向老師提出幫忙。1．插上三相四線的電源后電源控制屏上沒有任何反映檢查的輸入電源是否正常？-→控制屏上的空氣開關是否合上？2．控制屏上的交流電源沒有電源輸出檢查的輸入電源是否正常？-→控制屏面板上的主面板上的“電源總開關”是否打開？-→是否將控制屏啟動？3．打開控制屏上的直流電源開關，但沒有電壓輸出檢查的輸入電源是否正常？-→控制屏面板上的主面板上的“電源總開關”是否打開？-→是否將控制屏啟動？4．三相主電路有一路或幾路沒有輸出檢查的輸入電源是否有缺相現象？-→主面板上的8A保險絲是否正常？5．控制屏上的日光燈不亮了檢查的輸入電源是否正常？-→控制屏面板上的主面板上的“電源總開關”是否打開？-→檢查面板上1.5A保險絲是否正常？-→啟輝器是否正常？-→日光燈是否正常？6．控