电力电子技术实验指导书资料

电器与可编程控制器原理及应用实验指导书

中国矿业大学信电学院

2011年11月

学生实验守则

一、学生进入实验室必须服从管理，遵守实验室的规章制度。保持实验室的安静和整洁，爱护实验室的一切设施，不做与实验无关的事情。

二、实验课前要按照教师要求认真预习实验指导书，复习教材中于实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的在理论知识，同时写出实验预习报告，并经教师批阅后方可进行实验。

三、实验课上要遵守操作规程，线路连接好后，先自行检查，后须经指导教师检查后，才可接通电源进行实验。如果需更改线路，也要经过教师检查后才能接通电源继续实验。

四、学生实验前对实验所用仪器设备要了解其操作规程和使用方法，实验过程中按照要求记录实验数据。实验中有仪器损坏情况，应立即报告指导教师检查处理。凡因不预习或不按照使用方法误操作而造成设备损坏后，除书面检查外，还要按照规定进行赔偿。

五、注意实验安全，不要带电连接、更改或拆除线路。实验中遇到事故应立即关断电源并报告教师处理。

六、实验完成后，实验数据必须经教师签阅后，方可拆除实验线路。并将仪器、设备、凳子等按照规定放好，经教师同意后方可离开实验室。

七、实验室仪器设备不能擅自搬动、调换，更不能擅自带出实验室。

八、因故缺课的同学可以向实验室申请一次补做机会。无故缺课、无故迟到十五分钟以上或者早退的不予补做，该实验无成绩。

第一章电力电子技术实验的基本要求

和安全操作说明

《电子电力技术》是电气工程及其自动化、自动化等专业的三大电子技术基础课程之一，课程涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等。而实验环节是该课程的重要组成部分，通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高动手能力、分析和解决问题的独立工作能力。

1-1 实验的特点和要求

电力电子技术实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。理论教学是实验教学的基础，要求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系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促进理论和实际相结合，使认识不断提高、深化。通过实验，学生应具备以下能力：

（1）掌握电力电子变流装置的主电路、触发和驱动电路的构成及调试方法，能初步设施和应用这些电路；

（2）熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能和使用方法；

（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。

1-2 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。

(4)进行实验分组，一般情况下，电力拖动自动控制系统实验的实验小组为每组2～3人。

1-3 实验实施

在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。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，各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。在进行调速系统实验时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。

(5)完成实验系统接线后，必须进行自查。串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项

检查各仪表、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2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。除作阶跃启动试验外,系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试记录点的分布应均匀；改接线路时，必须断开主电源方可进行。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。

1-4 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如下:

(1)实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。

(2)实验目的、实验线路、实验内容。

(3)实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。

(4)实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。

(5)画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。

(6)用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。

(7)对实验中出现的某些现象、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。

(8)实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。

(9)每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。

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与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：

1、在实验过程时，绝对不允许做实验者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在切断主电源后方可进行。

3、为了提高实验过程中的效率，完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。

4、如果在实验过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。

5、在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，以免损坏仪表、电源或负载。

6、系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。

(8)除作阶跃起动试验外，系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。

第二章DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置简介

2-1 DJK01电源控制屏

电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。

图2-1 主控制屏面板图

1、三相电网电压指示

三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

2、定时器兼报警记录仪

平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。

3、电源控制部分

它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。

4、三相主电路输出

三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。在A、B、C三相电源输出附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定主电源输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。

5、励磁电源

在按下启动按钮后将励磁电源开关拨向“开”侧，则励磁电源输出为220V的直流电压，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A熔丝做短路保护，由于励磁电源的容量有限，仅为直流电机提供励磁电流，不能作为大容量的直流电源使用。

6、面板仪表

面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为可逆调速系统提供电压及电流指示；面板上部设置有500V真有效值交流电压表和5A 真有效值交流电流表，精度为0.5级，供交流调速系统实验时使用。

2-2 各挂件功能介绍

以挂件的编号次序分别介绍其使用方法，并简单说明其工作原理和单元电路原理图。

一、DJK02挂件（三相变流桥路）

该挂件装有12只晶闸管、直流电压和电流表等，其面板如图2-2所示。

图2-2 DJK02面板图

1、三相同步信号输出端

同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有?/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出保持同相，其输出相电压幅度为15V左右，供三相晶闸管触发电路(如DJK02-1等挂件)使用，从而产生移相触发脉冲；只要将本挂件的12芯插头与屏相连接，则输出相位一一对应的三相同步电压信号；信号接口的详细引脚情况详见附录相关内容。

2、正、反桥脉冲输入端

从三相晶闸管触发电路(如DJK02-1等挂件)来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上；信号接口的详细情况详见附录相关内容。

3、正、反桥钮子开关

从正、反桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正、反桥钮子开关”接至相应晶闸管的门极和阴极；面板上共设有十二个钮子开关，分为正、反桥两组，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲；开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极；开关打到“断”侧，触发脉冲被切断；通过关闭某几个钮子开关可以模拟晶闸管主电路失去触发脉冲的故障情况。

4、正、反桥主电路

正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管组成；其中由VT1～VT6组成三相正桥元件（一般不可逆、可逆系统的正桥使用正桥元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ组成三相反桥元件（可逆系统的反桥以及需单个或几个晶闸管的实验可使用反桥元件）；所有这些晶闸管元件均配置有阻容吸收及快速熔断丝保护，此外正桥主电路还设有压敏电阻，其内部已经接成三角形接法，起过压吸收。

注意：如果在DZSZ-1型上使用时，调节整流桥输入的相电压值不可超过200V，否则会造成整流桥处的压敏电阻损坏。

5、电抗器

实验主回路中所使用的平波电抗器装在电源控制屏内，其各引出端通过12芯的插座连接到DJK02面板的中间位置，有3档电感量可供选择，分别为lOOmH、2O0mH、700mH（各档在1A电流下能保持线性），可根据实验需要选择合适的电感值。电抗器回路中串有3A熔丝保护，熔丝座装在控制屏内的电抗器旁。

6、直流电压表及直流电流表

面板上装有±300V的带镜面直流电压表、±2A的带镜面直流电流表，均为中零式，精度为1.0级，为可逆调速系统提供电压及电流指示。

二、DJK02-1挂件(三相晶闸管触发电路)

该挂件装有三相晶闸管触发电路和正反桥功放电路等，面板图如图1-4所示。

1、移相控制电压U ct输入及偏移电压U b观测及调节

U ct及U b用于控制触发电路的移相角；在一般的情况下，我们首先将U ct接地，调节U b，从而确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角固定后，在以后的调节中只调节U ct的电压，这样能确保移相角始终不会大于初始位置，防止实验失败；如在逆变实验中初始移相角α=150o 定下后，无论调节U ct，都能保证β>30O，防止在实验过程中出现逆变颠覆的情况。

2、触发脉冲指示

在触发脉冲指示处设有钮子开关用以控制触发电路，当开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、前沿可调的宽脉冲链；当开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生双窄脉冲。

图2-3 DJK02-1面板图

3．三相同步信号输入端

通过专用的十芯扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号；同步信号也可以从其他地方提供，但要注意同步信号的幅度和相序问题；信号接口的详细情况详见附录相关内容。

4、锯齿波斜率调节与观测孔

由外接的三相同步信号经KC04集成触发电路，产生三路锯齿波信号，调节相应的斜率调节电位器，可改变相应的锯齿波斜率，三路锯齿波斜率在调节后应保证基本相同，使六路脉冲间隔基本保持一致，才能使主电路输出的整流波形整齐划一。

5、控制电路

其触发线路原理如图1-5所示。在由原KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60°的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。

在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔。VT1～VT6为单脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)；VT1’～VT6’为双脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)。

三相同步电压信号从三路KC04的“8”脚输入，在其“4”脚相应形成线性增加的锯齿波，移相控制电压U ct和偏移电压U b经叠加后，从“9”脚输入。当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066（电子开关），使得每个KC04从“1、15”脚输出相位相差180°的单窄脉冲(可在上面的VT1～VT6脉冲观测孔观测到)，窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲(可在下面的VT1’～VT6’脉冲观测孔观测到)。将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04的“1、15”脚输出宽脉冲，同时将KC41的控制端“7”脚接高电平，使KC41停止工作，宽脉冲则通过4066的“3、9”两脚直接输出。4069为反相器，它将部分控制信号反相，用以控制4066；KC42为调制信号发生器，对窄脉冲和宽脉冲进行高频调制。具体有关KC04、KC41、KC42的内部电路原理图。

图2-4 触发电路原理图

6、正、反桥功放电路

正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图2-5所示；由晶闸管触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。U lf即为DJKO2面板上的U lf ,该点接地才可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲；正桥共有六路功放电路，其余的五路电路完全与这一路一致；反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是控制端不一样，将U lf改为U lr。

7、正桥控制端U lf及反桥控制端U lr

这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路最终输出；当端子悬空表示功放不工作；U lf端子控制正桥功放，U lr端子控制反桥功放。

8、正、反桥脉冲输出端

经功放电路放大的触发脉冲，通过专用的20芯扁平线将DJK02“正反桥脉冲输入端”与DJK02-1上的“正反桥脉冲输出端”连接，为其晶闸管提供相应的触发脉冲。

图2-5 功放电路原理图

三、DJK03-1挂件（晶闸管触发电路）

晶闸管装置的正常工作与其触发电路的正确、可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计，为了能可靠触发晶闸管应满足以下几点要求:

(1)触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并保留足够的裕量。

(2)为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲的相位应能在一定的范围内连续可调。

(3)触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。

(4)触发脉冲的波形要符合一定的要求。多数晶闸管电路要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的导通控制。对于电感性负载，由于电感的存在，其回路中的电流不能突变，所以要求其触发脉冲要有一定的宽度，以确保主回路的电流在没有上升到晶闸管擎住电流之前，其门极与阴极始终有触发脉冲存在，保证电路可靠工作。

DJK03-1挂件是晶闸管触发电路专用实验挂箱，面板如图2-6所示。其中有单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路I和II，单相交流调压触发电路以及西门子TCA785集成触发电路。

图2-6 DJK03-1面板图

1、单结晶体管触发电路

利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图2-7所示。

图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。

图2-7 单结晶体管触发电路原理图

图2-8 单结晶体管触发电路各点的电压波形(α=900)

工作原理简述如下：

由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压U P时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压U v，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。单结晶体管触发电路的各点波形如图2-8所示。

电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。

2、正弦波同步移相触发电路

正弦波同步移相触发电路由同步移相、脉冲放大等环节组成，其原理如图2-9所示。

同步信号由同步变压器副边提供，三极管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极综合了同步信号电压U T、偏移电压U b及控制电压U ct（RP1电位器调节U ct，RP2调节U b）。调节RP1及RP2均可改变V1三极管的翻转时刻，从而控制触发角的位置。脉冲形成整形环节是一分立元件的集基耦合单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。

当V1未导通时，R6供给V2足够的基极电流使之饱和导通，V3截止。电源电压通过R9、T1、VD6、V2对C4充电至15V左右，极性为左负右正。

图2-9 正弦波同步移相触发电路原理图

当V1导通的时候，V1的集电极从高电位翻转为低电位，V2截止，V3导通，脉冲变压器输出脉冲。由于设置了C4、RP3阻容正反馈电路，使V3加速导通，提高输出脉冲的前沿陡度。同时V3导通经正反馈耦合，V2的基极保持低电压，V2维持截止状态，电容通过RP3、V3放电到零，再反向充电，当V2的基极升到0.7V后，V2从截止变为导通，V3从导通变为截止。V2的基极电位上升0.7V的时间由其充放电时间常数所决定，改变RP3的阻值就改变了其时间常数，也就改变了输出脉冲的宽度。

正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图2-10所示。

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