電力電子技術實驗教案

1、課程教案課程名稱：電力電子技術庭聆任課教師：張振飛所屬院部：電氣與信息工程學院教學班級：由氣1501-1504班、月動化1501-1504白動化卓越1501教學時間：2021-2021學年第一學期湖南工學院課程根本信息課程名稱電力電子技術實驗課程代碼G0100434總計：學時講課：學時實驗：12學時上機：學時課程設計：周學分類別必修課V選修課理論課實驗課,任課教師張振飛職稱高級實驗師授課對象專業(yè)班級：電氣1501-1504班12課時、自動化1501-15048課時、自動化卓越15018課時共9個班課程簡介不超過1000字根本教材和主要參考資料1、課程性質、地位：本課程為實驗課,是自動化、電氣工

2、程及其自動化專業(yè)的專業(yè)根底課程實驗.2、課程目標、本課程目標是提升學生在本課程領域的實踐動手水平,側重培養(yǎng)學生對電力電子技術的認知、分析和調試水平,并在此根底上加深對理論課程的理解.3、主要內容自動化專業(yè)只做實驗一、三、四、五實驗一、SCRGTOMOSFETGTRIGBT特性實驗驗證性實驗二、正弦波同步移相觸發(fā)電路實驗驗證性實驗三、三相交流調壓電路實驗綜合性實驗四、直流斬波電路的性能研究驗證性實驗五、三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗綜合性實驗六、綜合測試1 .教材?電力電子技術實驗指導書?湖南工學院電氣與信息工學院實驗中央編2 .參考資料?DJDK-1型電力電子技術及電機限制實驗指導書?大煌

3、教儀編寫實驗一、SCRGTOMOSFETGTRIGBT特性實驗一、本次課主要內容1、晶閘管SCR特性實驗.2、可關斷晶閘管GTO特性實驗選做.3、功率場效應管MOSFET特性實驗.4、大功率晶體管GTR特性實驗選做.5、絕緣雙極性晶體管IGBT特性實驗.二、教學目的與要求1、掌握各種電力電子器件的工作特性測試方法.2、掌握各器件對觸發(fā)信號的要求.三、教學重點難點1、重點是掌握各種電力電子器件的工作特性測試方法.2、難點是各器件對觸發(fā)信號的要求.四、教學方法和手段課堂講授、提問、討論、演示、實際操作等.五、作業(yè)與習題布置撰寫實驗報告一、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

4、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電源限制屏該限制屏包含“二相電源輸出,“勵磁電源等幾個模塊.2DJK06給定及實驗器件該掛件包含“一極管以及“開關.3DJK07新器件特性實驗4DJK09單相調壓與可調負載5萬用表自備三、實驗線路及原理將電力電子器件包括SCRGTOMOSFETGTRIGBT五種和負載電阻R串聯(lián)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；圖中的電阻R用DJK09上的可調電阻負載,將兩個90Q的電阻接成串聯(lián)形式,最大可通過電流為1.3A;直流電壓和電

5、流表可從DJK01電源限制屏上獲得,五種電力電子器件均在DJK07掛箱上；直流電源從電源限制屏的輸出接DJK09上的單相調壓器,然后調壓器輸出接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.實驗線路的具體接線如以下圖所示:NB單桁調JR器.和電源輸出整流及濾波圖1-1新器件特性實驗原理圖四、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、思考題各種器件對觸發(fā)脈沖要求的異同點？七、實

6、驗方法1、按圖1-1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；翻開DJK06的電源開關,按下限制屏上的“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(shù),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(shù),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U調節(jié)過程中回路電流Id以及器件的管壓降U.UgIduv2、按下限制屏的“停止按鈕,

7、將晶閘管換成可關斷晶閘管GTO,重復上述步驟,并記錄數(shù)據(jù).ugIduv3、按下限制屏的“停止按鈕,換成功率場效應管MOSFET重復上述步驟,并記錄數(shù)據(jù).UgIduv4、按下限制屏的“停止按鈕,換成大功率晶體管GTR,重復上述步驟,并記錄數(shù)據(jù).UgIduv5、按下限制屏的“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(shù)據(jù).ugIduv八、實驗報告根據(jù)得到的數(shù)據(jù),繪出各器件的輸出特性.九、考前須知1、為保證功率器件在實驗過程中預防功率擊穿,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8W2、為使GT噴性實驗更典型,其電流限制在0.4A以下.3、在本實驗中,完成的是

8、關于器件的伏安特性的實驗工程,老師可以根據(jù)自己的實際需要調整實驗工程,如可增加測量器件的導通時間等實驗工程.實驗后記:實驗二正弦波同步移相觸發(fā)電路實驗、本次課主要內容1、正弦波同步移相觸發(fā)電路的調試.2、正弦波同步移相觸發(fā)電路中各點波形的觀察.、教學目的與要求1、熟悉正弦波同步移相觸發(fā)電路的工作原理和各元件的作用三、教學重點難點1、重點是正弦波同步移相觸發(fā)電路的調試步驟和方法.2、難點是正弦波同步移相觸發(fā)電路的工作原理和各元件的作用四、教學方法和手段課堂講授、提問、討論、演示、實際操作等.五、作業(yè)與習題布置撰寫實驗報告一、實驗目的1、熟悉正弦波同步移相觸發(fā)電路的工作原理和各元件的作用2、掌握正

9、弦波同步移相觸發(fā)電路的調試步驟和方法.二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源限制屏該限制屏包含“二相電源輸出等幾個模塊.2DJK03-1晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“正弦波同步移相觸發(fā)電路等模塊.3雙蹤小波器自備三、實驗線路及原理正弦波同步移相觸發(fā)電路的原理在13節(jié)已作介紹.電路分脈沖形成、同步移相、脈沖放大等幾個環(huán)節(jié),具體工作原理可參見電力電子技術教材的有關內容.四、實驗內容1、正弦波同步移相觸發(fā)電路的調試.2、正弦波同步移相觸發(fā)電路中各點波形的觀察.五、預習要求1、閱讀本教材1-3節(jié)及電力電子技術教材中有關正弦波同步移相觸發(fā)電路的內容,弄清正弦波同步移相觸發(fā)電路的工作原理2、掌握脈

10、沖初始相位的調整方法.六、思考題1、正弦波同步移相觸發(fā)電路由哪些主要環(huán)節(jié)組成？2、正弦波同步移相觸發(fā)電路的移相范圍能否到達180?七、實驗方法1、將DJK0飽源限制屏的電源選擇開關打到“直流調速側,使輸出線電壓為200V不能打到“交流調速側工作,由于DJK03-1的正常工作電源電壓為220V10%而“交流調速側輸出的線電壓為240V.如果輸入電壓超出其標準工作范圍,掛件的使用壽命將減少,甚至會導致掛件的損壞.在“DZSZ-通電機及自動限制實驗裝置上使用時,通過操作限制屏左側的自藕調壓器,將輸出的線電壓調到220體右,然后才能將電源接入掛件,用兩根導線將200收流電壓接到DJK03勺“外接220

11、V端,按下“啟動按鈕,翻開DJK03-1電源開關,這時掛件中所有的觸發(fā)電路都開始工作,用雙蹤示波器觀察正弦波觸發(fā)電路各觀察點的電壓波形,并與圖2-1中各點波形相比擬.圖2-1正弦波同步移相觸發(fā)電路的各點電壓波形a=002、確定脈沖的初始相位當Ut=0時將RPK位器順時針旋到底,調節(jié)Ub調RP2,使U波形與圖2-2中的U波形相同,這時正好有脈沖輸出,此時的接近于180o3、保持RP電位器不變,逆時針旋轉RP1即逐ft增大Ut,用示波器觀察同步電壓信號及輸出脈沖“5點的波形,注意Ut增加時脈沖的移動情況,并估計移相范圍.4、調節(jié)以t調RP1,使0c=60,觀察并記錄面板上觀察點“1“5及輸出脈沖“

12、G1、“K1的電壓波形及其幅值.調節(jié)RP3觀測“5點脈沖寬度的變化.八、實驗報告1、畫出口=60時,觀察點“1“5及輸出脈沖電壓的波形.2、指出UCt增加時,0c應如何變化？移相范圍大約等于多少度？指出同步電壓的哪一段為脈沖移相范圍.3、分析RP3寸輸出脈沖寬度的影響.a)ai,輸出電壓高于電源電壓,故稱該電路為升壓斬波電路(a)電路圖UGEUDUO(b)波形圖圖4-2升壓斬波電路的原理圖及波形、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4-3所示.電路的根本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時,電源Ui經(jīng)V向電

13、感Li供電使其貯存能量,同時Ci維持輸出電壓Uo根本恒定并向負載供電.此后,V關斷,電感Li中貯存的能量向負載釋放.可見,負載電壓為上負下正,與電源電壓極性相反.輸出電壓為：Uo墟5UiUitoffTton1a0假設改變導通比a,那么輸出電壓可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低.當a1/2時為降壓,當1/2a1時為升壓.+UGEUDUO電路圖(b)波形圖圖4-3升降壓斬波電路的原理圖及波形、Cuk斬波電路Cuk斬波電路的原理圖如圖4-4所示.電路的根本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時,UiL1V回路和負載RL2C2V回路分別流過電流.當V處于斷態(tài)時,UiLiC2D回路和負載RL2D回路分別流

14、過電流,輸出電壓的極性與電源電壓極性相反.輸出電壓為：墟UiUitoffTton1a0假設改變導通比a,那么輸出電壓可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低.當a1/2時為降壓,當1/2a1時為升壓.+圖4-4Cuk斬波電路原理圖、Sepic斬波電路Sepic斬波電路的原理圖如圖4-5所示.電路的根本工作原理是：可控開關V處于通態(tài)時,UiL1V回路和C2VL2回路同時導電,Li和L2貯能.當V處于斷態(tài)時,UiLiC2CR回路及L2AR回路同時導電,此階段Ui和Li既向R供電,同時也向C2充電,C2貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉移.輸出電壓為：ttaUo里UiJUiUitoffTtonia假設改變

15、導通比a,那么輸出電壓可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低.當0a1/2時為降壓,當1/2a1時為升壓.圖4-5Sepic斬波電路原理圖、Zeta斬波電路Zeta斬波電路的原理圖如圖4-6所示.電路的根本工作原理是：當可控開關V處于通態(tài)時,電源Ui經(jīng)開關V向電感L1貯能.當V處于斷態(tài)后,L1經(jīng)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(jīng)L2向負載R供電.輸出電壓為:Uo工5圖4-6Zeta斬波電路原理圖假設改變導通比a,那么輸出電壓可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低.當0a1/2時為降壓,當1/2a1時為升壓.2、限制與驅動

16、電路限制電路以SG3525為核心構成,SG3525為美國SiliconGeneral公司生產的專用PWM限制集成電路,具內部電路結構及各引腳功能如圖4-7所示,它采用恒頻脈寬調制限制方案,內部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、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、斬波器的限制.詳細的工作原理與性能指標可參閱相關的資料.圖4-7SG3525芯片的內部結構與所需的外部組件四、實驗內容1、限制與驅動電路的測試2、六種直流斬波器的測試五、思考題1、直流斬波電路的工作原理是什么？有哪些

17、結構形式和主要元器件？2、為什么在主電路工作時不能用示波器的雙蹤探頭同時對兩處波形進行觀測？六、實驗方法1、限制與驅動電路的測試(1)啟動實驗裝置電源,開啟DJK20限制電路電源開關.(2)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

18、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,測出兩路信號的相位差,并測出兩路PWM信號之間最小的“死區(qū)時間.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(jīng)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).按以下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(jù)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

19、最大值限制在200mA以內.將限制與驅動電路的輸出“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,接通主電路和限制電路的電源.(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(a)時,記錄Ui、Uo和a的數(shù)值于下表中,從而畫出Uo=f(a)的關系曲線.Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比a(%)Ui(V)Uo(V)七、實驗報告1、分析圖4-7中產生PWM信號的工作原理.2、整理各組實驗數(shù)

20、據(jù)繪制各直流斬波電路的Ui/Uo-a曲線,并作比擬與分析3、討論、分析實驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象.八、考前須知1、在主電路通電后,不能用示波器的兩個探頭同時觀測主電路元器件之間的波形,否那么會造成短路.2、用示波器兩探頭同時觀測兩處波形時,要注意共地問題,否那么會造成短路,在觀測高壓時應衰減10倍,在做直流斬波器測試實驗時,最好使用一個探頭實驗后記:實驗五三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗一、本次課主要內容1、三相橋式全控整流電路性能測試.2、三相橋式有源逆變電路性能測試選做.二、教學目的與要求1、加深理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理.2、了解KC系列集成觸發(fā)器的調整方法和各點的波形.三

21、、教學重點難點1、重點是三相橋式全控整流電路性能測試和三相橋式有源逆變電路性能測試.2、難點是理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理四、教學方法和手段課堂講授、提問、討論、演示、實際操作等.五、作業(yè)與習題布置撰寫實驗報告一、實驗目的1、加深理解三相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理2、了解KCg列集成觸發(fā)器的調整方法和各點的波形.二、實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01電源限制屏該限制屏包含“二相電源輸出,“勵磁電源等幾個模塊.2DJK02晶閘管主電路3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“觸發(fā)電路,“正橋功放,“反橋功放等幾個模塊.4DJK06給定及實驗器件該掛件包含“一

22、極管以及“開關等幾個模塊.5DJK10變壓器實驗該掛件包含“逆變變壓器以及“二相不控整流.6D42二相可調電阻7雙蹤示波器自備8萬用表自備三、實驗線路及原理實驗線路如圖5-1及圖5-2所示.主電路由三相全控整流電路及作為逆變直流電源的三相不控整流電路組成,觸發(fā)電路為DJKO2-仲的集成觸發(fā)電路,由KCO4KC4l、KC4等集成芯片組成,可輸出經(jīng)高頻調制后的雙窄脈沖鏈.集成觸發(fā)電路的原理可參考1-3節(jié)中的有關內容,三相橋式整流及逆變電路的工作原理可參見電力電子技術教材的有關內容.圖中的所D42E相可調電阻,將兩個900Q接成并聯(lián)形式；電感Ld在DJK02M板上,選用700mH直流電壓、電流表由D

23、JK0玳得.在三相橋式有源逆變電路中,電阻、電感與整流的一致,而三相不控整流及心式變壓器均在DJK1娃件上,其中央式變壓器用作升壓變壓器,逆變輸出的電壓接心式變壓器的中壓端AmBmCm返回電網(wǎng)的電壓從高壓端A、B、C輸出,變壓器接成Y/Y接法.圖5-1三相橋式全控整流電路實驗原理圖四、實驗內容1、三相橋式全控整流電路性能測試.2、三相橋式有源逆變電路性能測試.五、預習要求1、閱讀電力電子技術教材中有關三相橋式全控整流電路的有關內容.2、閱讀電力電子技術教材中有關有源逆變電路的有關內容,掌握實現(xiàn)有源逆變的根本條件.3、學習本教材1-3節(jié)中有關集成觸發(fā)電路的內容,掌握該觸發(fā)電路的工作原理.JJ22

24、33445566GKGKGKGKGKGK六、思考題1、如何解決主電路和觸發(fā)電路的同步問題？在本實驗中,主電路三相電源的相序可任意設定嗎？2、在本實驗的整流及逆變時,對0c角有什么要求？為什么？七、實驗方法1、DJK02F口DJK02-1上的“觸發(fā)電路調試翻開DJK01總電源開關,操作“電源限制屏上的“三相電網(wǎng)電壓指示開關,觀察輸入的三相電網(wǎng)電壓是否平衡.將DJK01電源限制屏上“調速電源選擇開關撥至“直流調速側.用10芯的扁平電纜,將DJK0涉“三相同步信號輸出端和DJK02-1三相同步信號輸入端相連,翻開DJK02-1電源開關,撥動“觸發(fā)脈沖指示鈕子開關,使“窄的發(fā)光管亮.觀察A、B、C三相

25、的鋸齒波,并調節(jié)A、EkC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.將DJK06k的“給定輸出Ug直接與DJK02-1上的移相限制電壓Ut相接,將給定開關4撥到接地位置即Ut=0,調節(jié)DJK02-1上的偏移電VT1壓電位器,用雙蹤示波器觀察傳目同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔的輸出波形,使=150.適當增加給定U的正電壓輸出,觀測DJK02-1上“脈沖觀察孔的波形,此時應觀測到單窄脈沖和雙窄脈沖.將DJK02-1面板上的Uf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)脈沖的六個開關撥至“通,觀察正橋VT1VT牖閘管門極和陰極之間的觸發(fā)脈沖是否正常.2、三相橋式全控整流電路按圖5-1接線,將DJK0社的“給定輸出調到零逆時針旋到底,使電阻器放在最大阻值處,按下“啟動按鈕,調節(jié)給定電位器,增加移相電壓