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1、实验三 三相桥式全控整流及有源逆变电路实验一、实验目的(1)加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。(2)了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形。二、实验所需挂件及附件序号型 号备注1DK01 、DK02电源控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。4DJK06 给定及实验器件包含“给定”等几个模块5DK23、DK24 变压器实验包含“逆变变压器”以及“三相不控整流”6D42三相可调电阻7双踪示波器自备8万用表自备三、预习要求(1)阅读电力电子技术教材中有关三相桥式全控整流电路的
2、有关内容。(2)阅读电力电子技术教材中有关有源逆变电路的有关内容，掌握实现有源逆变的基本条件。(3)学习本实验中有关集成触发电路的内容，掌握该触发电路的工作原理。四、实验线路及原理1主电路1.1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路实验线路如图3-1所示。主电路由三相全控整流电路组成，VT1、VT3、VT5为共阴极组，VT4、VT6、VT2为共阳极组。当DK02“调速电源选择开关”置于“直流调速”侧时，三相电源输出可提供三相交流200V/3A电源（线电压为200V）。同时在三相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、
3、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。 图3-1 三相桥式全控整流电路实验原理图图中的6只晶闸管按VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的顺序触发，相位依次相差60。为了保证电路能正常启动和电流断续后能再触发导通，必须给共阴极组和共阳极组对应的两个管子同时加上触发脉冲（即在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发一个脉冲）。因此对每个管子触发，都是相隔60的双脉冲（或宽度大于60的宽脉冲，常用双脉冲）。1.2 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路实验线路如图3-2所示。主电路由三相全控整流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流电路组成，电感Ld在DJK02面板上
4、，选用700mH。图3-2 三相桥式有源逆变电路实验原理图为实现三相桥式有源逆变，需一反向的直流电源，即三相不控整流的极性为上负下正。同时逆变和整流的区别仅仅是控制角a的不同。0a p/2时，电路工作在整流状态，p /2 a p 时，电路工作在有源逆变状态，因而三相桥式有源逆变电路的触发可沿用整流的办法。2.集成触发电路及功放电路工作原理2.1 集成触发电路工作原理DJKO2-1中的集成触发电路原理如图3-3所示。电路由KCO4、KC4l、KC42等集成芯片组成，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。 图3-3 KC04集成触发电路原理三相同步电压信号从三路KC04的“8”脚输入，在其“4”脚相应形
5、成线性增加的锯齿波，移相控制电压Uct和偏移电压Ub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(VT1VT6为单脉冲观测孔)，窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲(VT1VT6为双脉冲观测孔)。KC42为调制信号发生器，对窄脉冲进行高频调制。1) KC04工作原理国产集成触发器KC04是KC系列触发器中的一个典型代表，其两路相位间隔180的移相脉冲，可方便的构成半控、全控桥式触发线路。该集成电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位值均衡性好、移相范围
6、宽、对同步电压要求不严、有脉冲列调制输入及脉冲封锁控制等优点，在实际线路中有着十分广泛的应用。KC04电路内部原理如图3-4所示， T1T3对同步电压进行检测，在同步电压过零点时T1、T2、T3均截止，从而使T4导通，T4导通则使“4”端外接的积分电容C1放电。当过零结束后，T4恢复截止状态。C1接在T5的集基极，组成密勒积分器，形成线性增大的锯齿波，锯齿波的斜率由“3”端外接的电阻和积分电容C1的数值所决定。T6是比较放大级，锯齿波、外部的移相电压及偏移电压在T6的基极进行综合比较放大，当输入T6基极的电流大于零时，T6导通，外接的R和C将T6集电极的脉冲进行微分，输入T7基极，在T7集电极
7、得到一定宽度的移相脉冲。在T7集电极上得到的脉冲是正负半周都有的相隔180度的脉冲。经过T8和T12分别截去负半周和正半周的脉冲，得到正相和负相的触发脉冲。T9T15是功放极，分别对正、负半周的脉冲作功率放大，使两个输出端都图3-4 KC04电路内部原理图图3-5 KC04各管脚说明及各管脚电压波形引脚号123,456,107功能输出悬空锯齿波形成-VEE悬空地引脚号8911,1213,141516功能同步输入综合比较微分阻容封锁调制输出+VCC有100A的输出能力。13、14端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。KC04各管脚说明及各管脚电压波形图3-5所示。2）三相同步电压三相同步信号是从电
8、源控制屏内获得，屏内装有D/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。只要将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连，即可引入三相同步电压。（当KC04用于三相桥式变流电路时，要求选用滞后主电路电压300的同步信号电压。由于三相同步信号经滞后移相300的阻容滤波电路送至各相KC04的8端，使得同步信号电压与主电路电压同步）。3）触发角调节偏移电压和移相控制电压叠加确定触发脉冲的位置。当偏移电压（目的是为了确定移相控制电压为零时，触发脉冲的初始相位）为定值时，增加移相控制电压，触发角前移（减小）；减小移相控制电压，触发角后移（
9、增大）。4）KC41 和KC42工作原理KC41六路双脉冲形成器是脉冲逻辑电路，内部电路原理图如图3-6所示，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成二种功能。当把移相触发器输出的触发脉冲输入到KC41电路的“1”“6”端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1T6进行电流放大分六路输出。补脉冲按21，32，43，54，65，16顺序排列组合。T7是电子开关，当控制“7”端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制“7”端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各路无输出。图3-6KC41电路内部原理图 图3-7 KC42电路内部原理图KC42为脉冲列调制形成器，具有脉冲占空比可
10、调性好，频率调节范围宽，触发脉冲上升沿可与调制信号同步等优点。KC42电路内部原理图如图3-7所示。以三相全控桥式电路为例，来自三块触发器（KC04）的“13”端的触发脉冲信号分别送入KC42电路的“2”，“4”，“12”端，由T1、T2、T3进行节点逻辑或组合。T5、T6、T8组成一个环形振荡器，由T4的集电极输出来控制环形振荡器的起振和停振，当没有输入脉冲时，T4导通振荡器停振。反之T4截止振荡器起振。T6集电极输出是一系列与来自三相六个触发脉冲的前沿同步间隙60的脉冲。经T7倒相放大分别输入三块触发器（KC04）的“14”端。此时从KC04电路的“1”和“15”端输出是调制后的脉冲列触发
11、脉冲。4066为电子开关。当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066，使得每个KC04输出窄脉冲。将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04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。图2-8 功放电路原理图2.2 正、反桥功放电路及脉冲输出正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图3-8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。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。
12、Ulf即为DJKO2面板上的Ulf ,该点接地才可使V3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；Ulf端子控制正桥功放，Ulr端子控制反桥功放。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。五、实验内容与实验步骤1DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 1）打开DK01总电源开关，观察输入的三相电网电压是否平衡（即是否有缺相、过压指示，相序是否为正相序）。2）将DK02“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。3）用10芯的扁平电缆
13、将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连，打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。4）适当调节A相锯齿波斜率电位器，用双踪示波器观察A相锯齿波斜率和VT1的输出波形，使VT1的脉冲出现在A相锯齿波斜率150位置。以A相的锯齿波为基准，调节B、C相锯齿波斜率调节电位器，使B、C相锯齿波斜率与A相相同。注意：示波器基准线接移相控制电压的接地端。5）打开DJK06的电源开关，将DJK06的接地与DJK02-1共地（即将DJK06的给定地与DJK02-1的移相控制电压接地相连）。将DJK06上的“给定”输出Ug直接与DJK0
14、2-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S1拨到正给定，开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器Rp，用双踪示波器观察A相同步电压信号和VT1的输出波形，使=150。6）保持偏移电压电位器Rp不变，将给定Ug的正电压调至最小（逆时针旋转到底），给定开关S2拨到给定状态。7）适当增加给定Ug的正电压输出，测量VT1VT66个双窄脉冲是否互差60。8）用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。9）将DJK02-1面板上正桥功放的Ulf端接地。用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触
15、发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”。2. 三相桥式全控整流电路 1）电阻性负载 关闭主电路电源，按图3-1接线。R选用D42三相可调电阻，将两个900接成并联形式（尽量用带保险丝的A1A3或B相、C相电阻构成），直流电压、电流表由DJK02获得。 将DJK06上的 “给定”输出调到零(正给定Rp1逆时针旋到底)，且将负载电阻调至最大阻值处（电阻接入电路之前用万用表测量后确认）。 按下“启动”按钮，调节给定电位器，使示波器显示整流电压六个波头。若波形不整齐，则调节DJK02-1上的三相锯齿波斜率调节电位器使波形整齐。 调节给定
16、电位器，用示波器观察并记录=0、30、60及90时整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录相应的Ud数值于表3-1中。表3-1 不同触发角时电压的波形与数值负载性质Ud（记录）Ud（计算）须测量U2相电压ud波形uVT波形整流电路电阻性负载0306090120阻感性负载0306090(=90)有源逆变电路120(=60)150(=30)2）电阻电感性负载 关闭主电路电源，将“给定”输出调到零（正给定Rp1逆时针旋到底）。 将电感串入负载电路中，电感Ld在DJK02面板上，选用700mH。 按“启动”按钮，调节给定电位器，记录=0、30、60及90时整流电压Ud、晶闸管两端电压Uvt的波
17、形，并记录相应的Ud数值于表2-1中。 3三相桥式有源逆变电路关闭主电路电源，按图3-2接线，图中电阻、电感与整流电路一致，三相不控整流及三相心式变压器在DJK10挂件上，其中心式变压器接成Y/Y接法，三相电源输出接心式变压器的高压端A、B、C，心式变压器的中压端Am、Bm、Cm接三相桥式有源逆变电路的主电路。 将DJK06上的 “给定”输出调到零(正给定Rp1逆时针旋到底)，将电阻器放在最大阻值处。 按下“启动”按钮，调节给定电位器，使角在3090（即在15090）范围内调节。用示波器观察并记录=30、60、90时整流电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形，并记录相应的Ud数值于表2-1中。六
18、、实验报告(1)画出电路的移相特性Ud =f()。(2)画出=0、30、60、90、120、150时，整流电压Ud、晶闸管两端电压UVT的波形。（3）分析如何解决主电路和触发电路的同步问题？在本实验中，主电路三相电源的相序可任意设定吗?(4)在本实验的整流及逆变时，对角有什么要求?为什么?七、注意事项1.本实验主电路输出直流电压可以达到300V左右，要注意用电安全。2.示波器两个探头的基准线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的基准线不能同时接在同一电路的不同点位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路中找到这两个信号的公共点，将一个探头的基准
19、线接于此处（另一个探头的基准线不接），两探头分别接至被测信号，这样才能在示波器同时观测两个信号时，不发生意外。3.在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到最小（正给定Rp1逆时针旋转到底），且将负载电阻调至最大阻值处（电阻接入电路之前用万用表测量后确认）；接通主电路后，逐渐增加控制电压，避免过流（注意Id不得超过0.65A）。4.U2相电压的测量由DK01交流电压表获得。实验五 直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）一、 实验性质综合性试验二、实验目的1熟悉直流斩波电路的工作原理。2熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。3了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。4. 掌握脉冲调制
20、电路的测试及负载电压波形的分析。三、实验设备1天煌DJDK-2型电力电子技术及电机控制实验装置2万用表3.双踪示波器四、实验电路及原理1、主电路降压斩波电路(Buck Chopper)降压斩波电路的原理图及工作波形如图5-1所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图5-1b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：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，为导通占空比，简称占空比或导
21、通比(=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，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。(a)电路图 (b)波形图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形升压斩波电路(Boost Chopper)升压斩波电路的原理图及工作波形如图5-2所示。电路也使用一个全控型器件V。由图5-2b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
22、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上式中的T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。(a)电路图 (b)波形图图5-2 升压斩波电路的原理图及波形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5-7所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有
23、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。 图5-7 SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件四、实验内容（1）控制与驱动电路的测试（2）六种直流斩波器的测试五、思考题(1)直流斩波电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？(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DJK20控制电路电源开
24、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)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。观测点A(11脚)B(14脚)PWM波形类型幅值A (V)频率f (Hz)(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
25、、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由三相调压器输出的单相交流电经DJK20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50V，输入交流电压的大小由调压器调节输出)。按下列实验步骤依次对六种典型的直流斩波电路进行测试。(1)切断电源，根据DJK20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”、“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
26、。(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()时，记录Ui、UO和的数值于下表中，从而画出UO=f()的关系曲线。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比(%)Ui(V)Uo(V)七、实验报告(1)分析图4-20中产生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-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
27、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。实验六 单相并联逆变电路一、实验性质综合性试验二、实验目的1熟悉由GTR组成的单相并联逆变电路的工作原理。2了解GTR的驱动和保护。3掌握无源逆变电路的调试及负载电压、电流参数和波形测量。三、实验设备1高自EADI型电力电子与自控系统实验装置2万用表3双踪示波器四、实验电路及工作原理实验电路如图6.1所示。电路分为两部分，分别为脉冲发生电路（控制电路）和逆变电路（主回路）两部分构成。1.脉冲发生电路由555定时器构成的电路是一
28、个多谐振荡器。调节电位器RP，即可调节输出方波信号的频率。此电路改变频率时，占空比也会改变。图4.2 JK触发器的真值表图6.1中JK触发器的工作原理是 在时钟信号CLK下降沿处翻转，其输出端Q的信号与输入端J、K信号的关系由图4.2中的真值表给出。试验中，由JK触发器构成整形电路，以保证V3和V4中，只能有一个处于导通状态，防止逆变失败(如果V3和V4同时都导通，那么在变压器二次侧就没有交流电压输出，即为逆变失败，它不同于有源逆变中的逆变失败)。由V3和V4组成放大电路，它的输出信号作为V1、V2的控制信号。2.逆变电路由功率晶体管V1、V2和变压器T构成单相（无源）逆变电路。V1、V2轮流
29、工作，通过带有中心抽头的变压器就可以把12V的直流电变成交流电输出给负载灯泡。与V1、V2并联的阻容及快速恢复二极管为耗能式关断缓冲电路，以缓解V1、V2突然关断时承受的冲击。电路中的R为保护电阻，以防止逆变失败时，形成过大的电流，电路正常后，将R短接。五、实验内容和步骤 1接入电源：控制电路接上+15V和+5V电源，用万用表测量电源是否正常。2用示波器观察控制电路中9、11、12、13、14各点相对于10点的电压信号的数值和波形。 1）调节RP，555定时器输出频率是否连续可调，读出此时频率为多少？频率改变时，脉宽有无变化？2）11、12点的频率是否是9的一半，11、12两点波形是否正好反相
30、。 3）11、12的波形与幅值与13、14是否相同。3将主回路中的+12V电源，电压表，电流表和负载（白炽灯）全部接上，并将主回路与控制电路接通。4用示波器测量负载上的电压波形，观察逆变电路是否正常。1）7、8点间的电压波形。 2）电压表和电流表的读数。3）负载（白炽灯）上的电压波形。 5若逆变电路工作正常，将R短接，调节RP，记录下RP为零（f=f0）和RP为最大（f=fn）时负载电压U0数值和波形、逆变电路输入电流的数值。六、实验注意事项1用双踪示波器测量各点波形并进行比较时，其探头的公共端均接电路的零点（G）端。2限流电阻R，待电路正常后才可去掉（短接）。七、实验报告要求1 记录下某一频率下的U9、U11、U12 、U13 和U14的波形，并进行比较（以U9为参考电压，波形竖排）。将数据填入表6.1中。2 记录并比较f=f0、f=fn时的U0和 的数值和波形，为什么？将数据填入表4.1中。表6.1 实验数据表ff=f0f=fnU90 tU110 tU120 U13 0U140 U00 0 U00 0 U0U0