1、金工目录 2第一章 电力电子技术控制实验概论 11-1 实验的特点和要求 11-2 实验准备工作 21-3 实验实施工作 21-4 实验总结 31-5 实验安全操作规程 4第二章 电力电子技术产品简介 62-1 技术特性 62-2 实验项目 72-3 配置的组件 9第三章 实验装置控制组件(挂箱)介绍 113-1 DL05组件挂箱 三相触发电路及主电路部分 113-2 DL06挂箱 单结晶体管,正弦波,踞齿波 触发电路 153-3 DL07挂箱 电机控制实验箱 233-4 DL08挂箱 带保护的直流斩波电路 313-5 DL09挂箱 可调电容箱 323-6 DL10挂箱 新元器件驱动电路 32
2、3-7 DL11挂箱 新元器件主电路 383-8 DL12持箱：单相正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速系统 3939 DL13持箱：三相正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速系统 41第四章 电力电子实验 45实验一 单相半波可控整流 45实验二 单相桥式全控整流 50实验三 三相半波可控整流 54实验四 单相交流调压器 58第一章 电力电子技术控制实验概论电力电子技术是电气工程及自动化技术及工业自动化等专业的核心课程之一，与此相关课程有电机控制、电力拖动自动控制系统。上述课程涉及面广，内容包括电力、电子控制、计算机技术等，而实验环节是这些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
3、提高实际动手能力、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与电机控制实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。电机控制实验是上述课程理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。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，促使理论和实际相结合，使认识不断提高、深化。具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力：(1) 握电力电子变流装置的主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路；(2) 掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测试和整定方
4、法；(3) 能设计交、直流电机控制系统的具体实验线路，列出实验步骤；(4) 熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能和使用方法；(5) 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；(6) 能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。本实验指导书介绍了20余个电力电子及控制技术类的实验。电力电子技术方面的实验可选做三相全控整流及有源逆变电路、单相整流电路及各类触发电路、交流调压电路、自关断电力电子器件的驱动与保护电路等实验；直流调速系统实验可选择双闭环晶闸管不可逆直流调速系统、逻辑无环流可逆直流调速系统等实验；交流调速系统则可进行双闭环异步电机串级调速系统、正弦脉宽调制
5、(SPWM)变频调速系统等实验。1-2 实验准备工作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；(3) 写出预习和报告，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) 熟悉实验所用的实验装置、测试仪器等；(5) 进行实验分组，一般情况下，电力电子技术实验分组
6、为每组2-3人。 1-3 实验实施工作在完成理论学习、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，方能允许实验开始；(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、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，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
7、。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。自查完成后，须经指导教师复查后方可合闸通电，开始实验。(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。系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；测试点的分布应均匀；改接线路时，必须拉闸，断开电源。实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理
8、，实验结果是否与理论一致。(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。每个实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的书写应持严肃认真、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，而是应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、班级，实验学生姓名、同组者姓
9、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分式；(5) 画出与实验数据相对方兴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。1-5 实验安全操作规程为了顺利完成电力电子技术及电机控制实验，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，绝对不允许实验人员双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体
10、作为负载使用。2、为了提高学生的安全用电常识，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，学生独立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、电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是经我们反复实验选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。7、在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。在完成实验时，要先关电枢电压
11、，再关励磁电源。第二章 电力电子技术产品简介2-1 技术特性一、特点（1）装置采用组件挂箱式结构，可根据不同的实验内容进行组合，结构紧凑使用方便，功能齐全，综合性好；（2）所用电路均采用成熟的电子线路，结合现代电子技术的发展，具有集成度高，外围电路简单的特点；（3）控制电路全部采用MCU等微处理器集成芯片，可靠性强。数码显示采用数字显示方式，具有显示数据直观，精确，响应快的特点。装置具有完善的保护功能和抗干扰能力，提高了设备运行的可靠性；(4) 单相与三相SPWM变频调速系统采用最新的数字化变频调速技术，保证了控制的准确性和精确性，设计上采用MITEL最新的集成电路，具有过载，短路保护功能；(
12、5) 新增了新元器件GTO,GTR,IGBT，MOSFET的驱动电路研究，使本实验装置能跟踪科学前沿，反映电力电子器件方面最新研究成果；(6) 装置布局合理，外形美观，面板示意图明确，直观。电路连线采用插接件方式，迅速简便。除实验控制屏，组件挂箱，还设置有实验用台，内可放置机组，实验仪，实验仪表等。并有可抽动的加长板，使实验操作舒服，方便。电机采用导轨式安装，更换方便简捷，实验台底部安有轮子，移动方便；二、技术参数（1）输入交流380伏，三相四线，误差10%,(501)Hz；（2）装置容量：1KVA；（3）工作环境的条件：环境温度范围为-540；相对温度75%; 海拔1000米；（4）电机容量
13、：20KW；2-2 实验项目1 电力电子技术实验：（1） 单结晶体管同移相触发电路；（2） 正弦波同步移相触发电路；（3） 锯齿波同步移相触发电路；（4） 单相半波可控整流电路；（5） 单相桥式半控整流电路；（6） 单相桥式全控整流电路；（7） 单相有源逆变电路；（8） 三相半波可控整流电路；（9） 三相桥式半控整流电路；（10） 三相桥式全控整流电路；（11） 三相有源逆变电路；（12） 三相交流调压电路；（13） 直流斩波电路；（14） 单相交流调压电路；（15） 单相并联逆变电路；2 现代电力电子器件特性及驱动研究实验（1） 单向晶闸管(SCR)特性研究；（2） 可关断晶闸管(GTO)特
14、性研究；（3） 电力晶体管(GTR)特性研究；（4） 功率场效应管(MOSFET)特性的研究；（5） 绝缘栅双极性晶体管(IGBT)特性的研究；（6） 可关断晶闸管(GTO)驱动电路研究；（7） 功率场效管(MOSFET)驱动电路研究；（8） 绝缘栅双极性晶体管(IGBT)驱动电路研究；（9） 电力晶体管(GTR)驱动电路研究；3 电力电子器件典型线路(1) 直流斩波实验电路的研究；(2) 采用自关断器件的单相交流调压实验；(3) 单相正弦波脉宽调制(SPWM)逆变实验线路；4. 直流调速实验项目(1) 晶闸管直流调速系统和环节特性的测定与研究；(2) 晶闸管直流调速系统各主要单元的研究；(3
15、) 单闭环不可逆直流调速系统静特性的研究；(4) 逻辑无环流可逆直流调速系统；5. 交流调速实验项目(1) 双闭环三相异步电动机串级调速；(2) 双闭环异步电动机调压调速；6. 变频调速 (1) 正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速系统； （2）三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验2-3 配置的组件1、实验机组（1） 直流复励电动机；（2） 直流并励电动机；（3） 三相鼠笼式异步电动机；（4） 三相绕线式异步电动机；（5） 单相异步电动机 ；（6） 直流发电机；2、实验组件及挂箱（7） DL01电源控制屏；（8） 实验桌；（9） 电机导轨，测速电机及转速表；（10） 滑线变阻器；（11）
16、 DLO5挂箱:三相触发电路(I桥主电路，II桥主电路，I桥触发电路，II触发电路)；（12） DLO6挂箱:晶闸触发电路实验（单结晶体管同步移相触发电路，正弦波同步移相触发电路，锯齿波同步移相触发电路）；（13） DL07挂箱：电机调速挂箱（G:给定器，FBC+FA:电流反馈及过流保护，FBS:转速变换器，ASR:速度调节器，ACR:电流调节器，AR反号器，DPT:转矩极性鉴别器,DPZ:零电流检测器，DLC:逻辑控制器）（14） DL08挂箱：直流斩波触发电路；（15） DL09挂箱：可调电容箱；（16） DL10挂箱：新器件驱动电路（GTO驱动电路,GTR驱动电路,IGBT驱动电路,MO
17、SFET驱动电路）；（17） DL11挂箱：新器件主电路（GTO主电路,GTR主电路,IGBT主电路,MOSFET主电路）；（18） DL12挂箱：单相异步电动机SPWM变频调速实验；（19） DL13挂箱：三相异步电动机SPWM变频调速实验；（20） DL14挂箱：变压器实验；（21） DL15挂箱：给定负载及吸收电路；（22） 高可靠性实验连线及配件（23） 合理的电源设计第三章 实验装置控制组件(挂箱)介绍3-1 DL05组件挂箱 三相触发电路及主电路部分该面板部分装有12个晶闸管，6只整流二极管，同步电压观孔，锯齿波观察孔，移相电压显示，外给定移相电压，移相电压输入，I桥脉冲观察孔，I
18、I桥脉冲观察孔，I桥主电路，II桥主电路电抗器等，面板图略。（1）功率半导体器件：VT1VT6为正组桥（I桥），一般不可逆,可逆系统的正桥，交直交变频的整流部分均使用正组桥元件；由VT1VT6组成反组桥（II桥），可逆系统的反桥，交直交变频器的逆变部分使用反组元件。同时还配备了6只整流二极管VD1VD6，可用作串联二极管式逆变器中的二极管。也可构成不可控整流桥作为直流电源，所有这些元件均有RC吸收回路，压敏电阻等电压保护装置。（2）同步电压观察孔，内部已经连好，可在观察孔中观察同步电源的相位。（3）电抗器，主电路中使用的平波器件。共有四档，分别为50mH,100mH,200mH,700mH.可
19、根据需要选择电感值。（4）触发电路各部分原理图如下所示：1. 电源部分图3.1 电源电路图 b) 控制电路部分图3.2控制电路C)触发电路部分图3.3 触发电路 d)后级驱动部分图3.4 后级驱动电路该触发电路用先进的集成触发器TC787，有关该芯片的详细结构请查阅有关资料，还到相关网站查询，如盛明零件电子网http/。如果在该芯片的4脚加一移相电压，芯片内部的触发脉冲相位就要发生相应的移动，移相电压范围为0-VDD，移相范围为0-180，应用本触发电路电路板应注意：（1）面板上的“偏移电压Ub”与挂箱内触发电路相连接，调节电位器PR可调节Ub的大小，进而调节移相角的大小。“移相电压Uct”为
20、外部移相信号与挂箱内触发板的接口端，如果没有外部移相信号，则该端应接地，否则，没有触发脉冲产生。（2）I桥和II桥的六个晶闸管中，K2,K4,K6和K2,K4,K6为触发板上同步电压输入端，在做实验时一定要把这三端加上三相同步电压，具体的联接已在内部连好，在做实验时只需将I桥中VT4,VT6,VT2或II桥中的VT4,VT6,VT2的阴极加上三相交流同步电压，虽然触发电路具有相序识别功能，但接线时最好将三相交流电按顺序接。触发电路分为两部分，一部分为I桥触发电路，另一部分为II桥触发电路，两部分电路的功能一样，可通过不同的控制方式实现不同的功能。I桥和II桥都可通过外部给定（不一定要用电位器，
21、也可以是其它电路的输出），作为一个独立的工作单元，没有主次之分。当做某些实验时可通过控制电路实现对这两组桥路的控制。这两组触发电路中的每一组都可以完成，三相全控桥式整流，三相半控整流，交流调压等实验。3-2 DL06挂箱 单结晶体管,正弦波,踞齿波 触发电路DL06组件挂箱为晶闸管触发电路专用挂箱，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。以及单相交流调压触发电路、单相并联逆变触发电路。（1）单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路由单结晶体管VT3、整流稳压环节及由VTI、VT2等组成的等效可变电阻组成，其原理图如图3.5所示。图是单结晶体管触发电路的原理图,由
22、同步变压器副边输出60V的交流同步电压Ur，经VDl半波整流，再由稳压管VSTl、VST2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R4、VT2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管VT3导通，从而通过脉冲变压器和T1输出脉冲。同时C2经VT3放电，由于时间常数很小，UC2很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，VT3重新关断，C2再次充电每个梯形波周期内，VT3可能导通、关断多次，但只有第一个输出脉冲起作用。电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，由RPl来调节。单结晶体管触发电路的各点波形如图3.6所示。其中,元件RPl已装在面
23、板上，同步信号已在内部接好。图3.5 单结晶体管触发电路图3.6 触发电路的各点波形（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、脉冲形成与放大等环节组成，其原理图如图3.7所示。图3.7是正弦波同步移相触发电路的原理图。同步信号Ur由同步变压器副边提供。晶体管VTl左边部分为同步移相环节，在VTl的基极综合了同步信号电压Ut、偏移电压Ub及控制电压Uct，RPl可调节Uct，RP2调节Ub。调节Uct可改变触发电路的控制角。脉冲形成环节是一集基耦合单稳态脉冲电路，VT2的集电极耦合到VT3的基极，VT3的集电极通过C7、RP3耦合到VT2的基极。当同步移相环节送出负脉冲时，使
24、单稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图所示。其中,元件RP1、RP2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。 图正弦波同步移相触发电路的各点电压波形图3.7 正弦波同步移相触发电路（3）锯齿波同步移相触发电路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，其原理图如图3.8所示。图3.8是锯齿波同步移相触发电路的原理图由VTI、VDI、VD2、C5等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压Ut来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由VTl等元件组成的恒流源电路及VT2、VT3、C6等组成锯齿波形
25、成环节。控制电压Uct、偏移压Ub和锯齿波电压Ut在T1变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图3.9所示.图3.8 锯齿波同步移相触发电路图 3.9 锯齿波同步移相触发电路各点电压波形（4）单相并联逆变器触发电路单相并联逆变器触发电路以LM555集成时基电路为基础振荡电路，通过JK触发器(4095)二分频后得到相位相差180的触发脉冲，经VT2、VT3功率放大后交替触发主电路中的两个晶闸管。其原理图如图3.10所示。图 3.10 单相并联逆变器触发电路 振荡电路的振荡频率由电位器RP1调节，频率可在30160Hz之间变化。LM555的输出“3”端接VT1，使信号放大，并将LM555的5V电
26、源过渡到4095芯片的15V电源系统。JK触发器输出的Q、Q非为相位相差180的脉冲。（5）单相触发电路单相触发电路是由单相电路触发板及四路末级板组成的,其原理图分别如图3.11和3.12所示，单相电路触发板的核心是专门单相触发脉冲的集成块TCA785,它的11脚是移相控制端,通过一个外接电阻Rg来调节,5脚是同步电压输入端,14、15脚能产生两个相位互差180的脉冲,经N2,N3放大后得g1、g2，g1、g2输出到四路末级板的首端,其中一、三两路接g1,二、四两路接g2,经脉冲变压器后输出四路脉冲K1、G1，K2、G2，K3、G3，K4、G4。可用作单相调压实验,单相全桥,半桥,半波等电路的
27、触发脉冲。图3.11 单相电路触发板图3.12 四路末级板3-3 DL07挂箱 电机控制实验箱一、给定器（G）给定器(G)的原理图如图3.13所示。 电压给定器由两个电位器Wl、W2及两个钮子开关Sl、S2组成。Sl为正负极性转换开关 输出正负电压的大小分别由Wl、W2来调节，其最大输出电压为12V；S2为输出控制开关。元件Wl、W2、S1和S2均安装在组件挂箱的面板上。图3.13 电压给定与运行指令原理图二、电流反馈与过流保护(FBC+FA) 图3.14 电流变换与过流保护原理图本单元有两种功能，一是检测电流反馈信号；二是发出过流信号，其原理图如图3.14所示。1、电流变换器(FBC)的输入
28、端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至W1、W2及R9、R10、D13，组成的3条支路上，其中：（1）R2与D7并联后再与R1串联，在其中点取零电流检测信号；（2）将Wl的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由W1进行调节；（3）将W2的可动触点与过流保护电路相连，输出过流信号，W2可调节过流动作电流的大小。2、当主电路电流超过某一数值后，由W2_仁取得的过流信号电压超过稳压管D1的稳压值，使三极管T1导通，从而使继电器K动作，关闭主电路电源开关，并使发光二极管发亮，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节W2的动触点，可得到不同数
29、值的过电流倍数。过流时，T2由导通变为截止，在集电极输出一个高电平至电流调节器(ACR)的输入端，作为推信号。复位为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下复位以解除记忆，恢复正常工作。元件Wl、W2、复位、发光二极管均安装在组件挂箱的面板上，以方便操作。三、速度变换器(FBS)速度变换器(FBS)用于有转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压作为速度反馈，图3.15为其原理图。图3.15 速度变换器使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。测速发电机已与数字式转速表相连，直接显示电动机的转速。调节电位器
30、RP可改变速度变换器输出电压的大小。四、速度调节器(ASR)速度调节器(ASR)的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成，其原理如图3.16所示。速度调节器(ASR)也可当作电压调节器(AVR)使用。在图3-13中，由二极管D3、D4，和电位器W2、W3组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R2组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R4、C3组成速度环串联校正环节。W4为放大系数调节电位器，W1为调零电位器。元件Wl、W2、W3、W4均安装面板上。电容C3两端在面板上装有接线
31、柱，电容C1两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。图3.16 速度调节器原理图五、反号器(AR) 反号器(AR)由运算放大器及有关电阻组成，如图3.17所示，反号器用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由运算放大器的反相输入端接入，故输出电压为 Usc=-(RP1+R2)/R1Usr调节RPl的可动触点，可改变RPl的数值，使RP1+R2=R1，则Usc=-Usr成倒相关系，元件RPl装在面板上。图3.17 反号器原理图六、电流调节器(ACR)电流调节器(ACR)有运算放大器，二极管限幅器、互补输出；输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器(ASR)相同，其原理图如图3.18所示。元件W1、W2、W3、W4均装在面板上，C1、C3的数值可根据需要，由外接电容来改变。 图3.18 电流调节器原理七、转矩极性鉴别器(DPT)转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它
