四川大學(xué)電力電子第一次實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、目 錄一、主要內(nèi)容2二、實(shí)驗(yàn)條件描述31、主要儀器設(shè)備32、實(shí)驗(yàn)小組人員分工4三、課前思考：黑板上五個問題的答案4四、實(shí)驗(yàn)過程51、實(shí)現(xiàn)同步52、半控橋純阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)63、半控橋阻-感性負(fù)載（串聯(lián)電感L=200mH）實(shí)驗(yàn)7五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（含原始數(shù)據(jù)記錄單及工程特性曲線，誤差分析）10六、課后思考：討論題及我們的分析12七、實(shí)驗(yàn)綜合評估141、對實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果進(jìn)行可信度分析152、提出可能的優(yōu)化改進(jìn)方案15八、multsim11仿真151帶純阻性負(fù)載仿真162、晶閘管突然失去觸發(fā)脈沖即失控仿真173、帶阻感負(fù)載仿真18一、主要內(nèi)容1、項(xiàng)目名稱：單相半控橋整流電路實(shí)驗(yàn)2、已知條件：（1）單相半控

2、橋整流電路在電阻兩側(cè)接示波器可觀察電流波形。從試驗(yàn)臺流入380V電壓（單相）經(jīng)變壓電路變?yōu)?20V左右的U2. （2）觸發(fā)電路原理圖3、實(shí)驗(yàn)完成目標(biāo) （1） 實(shí)現(xiàn)控制觸發(fā)脈沖與晶閘管同步。（2） 觀測單相半控橋在純阻性負(fù)載時波形，測量最大移相范圍及輸入-輸出特性。（3） 單相半控橋在阻-感性負(fù)載時，測量最大移相范圍，觀測失控現(xiàn)象并討論解決方案。二、實(shí)驗(yàn)條件描述1、主要儀器設(shè)備主要設(shè)備儀器名稱型號主要參數(shù)電力電子及電氣傳動教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺MCL-III型TDS2012（主要包括降壓變壓器、MCL-35、兩只晶閘管，兩只電力二極管，大功率滑動變阻器，可調(diào)電感、導(dǎo)線若干）Tektronic示波器TDS2

3、012帶寬：100MHZ 最高采樣頻率：1GS/s數(shù)字萬用表GDM-81452、實(shí)驗(yàn)小組人員分工姓名 學(xué)號 實(shí)驗(yàn)分工 報(bào)告分工調(diào)所有儀器接線計(jì)算實(shí)驗(yàn)參數(shù)對應(yīng)的理論值，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制工程特性曲線；實(shí)驗(yàn)報(bào)告修改、排版完善。波形糾錯對實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果進(jìn)行可信度分析提出優(yōu)化方案調(diào)示波器接線實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析及ud = f (uct) 靜態(tài)模型建模提出建模算法，并計(jì)算該電源的近似放大系數(shù)Ks照相實(shí)驗(yàn)仿真（電路，仿真波形，表明參數(shù)）并計(jì)算理論參數(shù)提示步驟實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容及條件描述，電路原理圖電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告匯總并完成數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)過程描述以及每個步驟涉及的實(shí)驗(yàn)方法（文字?jǐn)⑹觯┱{(diào)電壓表回

4、答老師上課時提出的黑板上五個問題實(shí)驗(yàn)報(bào)告上的最后討論題1，4三、課前思考：黑板上五個問題的答案1、如何為晶閘管匹配有效的同步移相控制？利用u2產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，首先用整流濾波電路將正弦波u2變?yōu)殇忼X波，再利用直流電壓uct和放大電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，因?yàn)槭抢胾2產(chǎn)生的脈沖，故此觸發(fā)脈沖與u2同步，整流電源為正弦波u2，由此便實(shí)現(xiàn)了晶閘管與觸發(fā)脈沖同步，同時調(diào)節(jié)uct的大小便可實(shí)現(xiàn)對觸發(fā)角的控制。 2、如何測量ud, id,a的大小及瞬態(tài)波形？測量ud用示波器兩端接在負(fù)載R兩端測量，對于電阻，id與ud波形形狀一致，故只需將示波器兩端放在負(fù)載兩端即可得到波形，測量電流id的時候用電流表，串聯(lián)在負(fù)載側(cè)，

5、可讀出id的值，實(shí)驗(yàn)過程中要觀察id的變化，保證Id不超過0.6；測量ud的時候，要將電壓表并聯(lián)在晶閘管B的陰極以及二極管D的陽極，并讀出ud的大小。測量a的時候，先控制示波器定格，把兩條垂直標(biāo)尺移動到整流后的波形的末端到另一個波形的始端，即用標(biāo)尺測量波形缺失的部分的長度t，在從示波器上能夠讀到半波的周期T，3、如何設(shè)定趨勢測量的邊界（值）及取樣點(diǎn)分布的有效性？改變uct的大小調(diào)節(jié)a，分別測量a最大及最小和a為90o時的ud及id值，由此便可確定邊界值，在此范圍內(nèi)均勻取點(diǎn)，并記錄。4、如何變更負(fù)載阻抗角，形成并觀測電流的連續(xù)或斷續(xù)狀態(tài)？固定觸發(fā)導(dǎo)通角a在較大值，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻由最大到最?。ㄗ⒁怆?/p>

6、流不能超過0.6），并非分別觀察電流斷續(xù)到連續(xù)的情況，并記錄臨界的情況。5、如何制造本電路特有的失控現(xiàn)象？調(diào)整控制角a或者負(fù)載電阻，使id 0.6A，突然斷掉晶閘管的觸發(fā)脈沖信號（模擬將a迅速調(diào)到1800），制造失控現(xiàn)象，并記錄失控前后ud的波形。四、實(shí)驗(yàn)過程 1、實(shí)現(xiàn)同步（1）從三相交流電源進(jìn)端取線電壓Uuw（約230v）到降壓變壓器（MCL-35）,輸出單相電壓（約124v）作為整流輸入電壓u2；（2）在（MCL-33）兩組基于三相全控整流橋的晶閘管陣列（共12只）中，選定兩只晶閘管要實(shí)現(xiàn)同步則要選兩只管脈沖相位角相差1800度的，實(shí)驗(yàn)面板提供了兩組三相全控整流橋的晶閘管陣列，序號相鄰晶閘

7、管相位相差600，兩組序號相同的晶閘管相位相同，選定兩只晶閘管VT1和VT4，將兩只二極管組成共陰極連接方式。（3）將連接好的兩只共陰極晶閘管與整流二極管整列（共6只）中的兩只共陽極方式連接的二極管組成半控橋整流保證控制同步，并外接純阻性負(fù)載。（4）在負(fù)載回路上串接電流表、可調(diào)電阻負(fù)載，并把電阻調(diào)到最大。（5）按照原理圖完成接線，檢查電路接線正確后，打開電源開關(guān)，示波器顯示ud波形。（6）用雙蹤示波器觀察ud波形，在示波器上得到穩(wěn)定輸出電壓波形，一個周期輸出兩個正半周波形，并從輸出電壓波形能觀察到明顯的電壓過零跳變，如果每一個過零時刻與前一個電壓過零時刻之差相等，則移相控制同步。同步時會產(chǎn)生穩(wěn)

8、定的頻率正弦波頻率為兩倍的鋸齒波，并且波形隨控制信號連續(xù)變化而變化。試驗(yàn)臺實(shí)際連接圖電壓進(jìn)行衰減后引入比較器，通過改變輸入的比較電壓，形成上下移的鋸齒波。同步移向控制信號產(chǎn)生的原理圖2、半控橋純阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)（1）連續(xù)改變控制角a，測量并記錄電路實(shí)際的最大移相范圍，用數(shù)碼相機(jī)記錄a小、最大和90o時的輸出電壓ud波形（注意：負(fù)載電阻不宜過小，確保當(dāng)輸出電壓較大時， id 不超過0.6A）；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形：通過調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP調(diào)節(jié)觸發(fā)角a ，觀察當(dāng)晶閘管觸發(fā)延遲角a 最小時輸出電壓ud波形，并拍攝此時波形如下圖：再次調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP改變觸發(fā)角a，觀察當(dāng)晶閘管觸發(fā)延遲角a為90度時輸出電

9、壓ud波形，并拍攝此時波形如下圖：再次調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP改變觸發(fā)角a，觀察當(dāng)晶閘管觸發(fā)延遲角a大時輸出電壓ud波形，并拍攝此時波形如下圖：（2）調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP，在最大移相范圍內(nèi)，測量13組不同觸發(fā)延遲角a之下，控制角a、交流輸入電壓u2、控制信號uct和整流輸出ud的大小。 （3）計(jì)算移相控制角原始數(shù)據(jù)t(ms)a (rad)U2UctUdUd0.280.126.3414.81110113.48620.840.126.476.57109111.85281.160.126.854.93107110.41631.520.126.924.02104107.8391.960.126.963

10、.28101103.77112.40.127.132.719698.911732.960.127.252.169091.500073.61.127.71.628081.932464.21.128.161.37072.014515.21.128.80.765254.320746.041.89752129.50.563639.57218.62.130.670.2145.注：Ud為在a下由公式算得的理論值3、半控橋阻-感性負(fù)載（串聯(lián)電感L=200mH）實(shí)驗(yàn)（1）斷開總電源，將負(fù)載電感串入負(fù)載回路；（2）連續(xù)改變控制角a，記錄a最小、最大和90o時的輸出電壓ud波形，（注意電流表指針的變化）觀察其特點(diǎn)

11、（id不超過0.6A）；通過調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角a ，觀察接入阻感性負(fù)載情況下當(dāng)晶閘管觸發(fā)脈沖角a最小時輸出電壓ud波形，并拍攝此時示波器上波形如下圖：再次調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角a ，觀察接入阻感性負(fù)載情況下當(dāng)晶閘管觸發(fā)延遲角a為900時輸出電壓ud波形，并拍攝此時示波器上波形如下圖：再次調(diào)節(jié)移相可調(diào)電位器RP調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角a ，觀察接入阻感性負(fù)載情況下當(dāng)晶閘管觸發(fā)延遲角a最大時輸出電壓ud波形，并拍攝此時示波器上波形如下圖：（3）固定觸發(fā)延遲角a在較大值，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻由最大逐步減?。ǚ謩e達(dá)到電流斷續(xù)、臨界連續(xù)和連續(xù)0.5A三種情況測量。注意id 0.6），并記錄

12、電流id波形，觀察負(fù)載阻抗角的變化對電流id的濾波效果；調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角a在較大值，保持a 不變，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻值有最大值逐步減小，同時觀察電流表指針，直至輸出波形明顯電流出現(xiàn)斷續(xù)，停止調(diào)節(jié)電阻，拍攝示波器輸出電壓波形如下：繼續(xù)減小負(fù)載電阻值，同時觀察電流表指針，直至電流出現(xiàn)臨界連續(xù)，停止調(diào)節(jié)電阻，拍攝示波器輸出電壓波形如下： 繼續(xù)減小負(fù)載電阻值，同時觀察電流表指針，直至示波器上出現(xiàn)連續(xù)電流波形，停止調(diào)節(jié)電阻，拍攝示波器輸出電壓波形如下：（4）保持觸發(fā)延遲角a90o，適當(dāng)調(diào)整負(fù)載電阻，使id0.6，突然斷掉兩路晶閘管的脈沖信號（模擬將控制角a快速推到180o），制造失控現(xiàn)象，記錄失控前后的ud波形

13、，并提出如何判斷哪一只晶閘管失控的測試方法。調(diào)整負(fù)載電阻，使id0.6，拍攝晶閘管失控前波形如下：斷掉兩路晶閘管的脈沖信號，拍攝失控后波形如下：五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（含原始數(shù)據(jù)記錄單及工程特性曲線，誤差分析）1、Ud=f（a） （注：a (rd)取弧度制）a (rad)UdUd0.110113.48620.109111.85280.107110.41630.104107.8390.101103.77110.9698.911730.9091.500071.8081.932461.7072.014511.5254.320741.897523639.57212.145.2、Ud=f（uct） UctUd

14、14.811106.571094.931074.021043.281012.71962.16901.62801.3700.76520.56360.2143、Uct=f（a）a (rad)Uct0.14.810.6.570.4.930.4.020.3.280.2.710.2.161.1.621.1.31.0.761.897520.562.0.2我們認(rèn)為這里Uct與a應(yīng)該呈線性關(guān)系（即下圖所示），而實(shí)驗(yàn)所測與所想的有出入，下面將重點(diǎn)分析。理論中Uct=f()曲線的線性關(guān)系通過比較兩圖可知，可能是a (rad)= 0.，Uct=14.81這一組數(shù)據(jù)測量不當(dāng)，與其他組測量數(shù)據(jù)相差太大，如果重測或忽略這

15、組數(shù)據(jù)可得到Uct=f（a）的線性關(guān)系。4、誤差分析t(ms)a (rad)U2UctUdUd誤差0.280.126.3414.81110113.4862-3.17%0.840.126.476.57109111.8528-2.62%1.160.126.854.93107110.4163-3.19%1.520.126.924.02104107.839-3.69%1.960.126.963.28101103.7711-2.74%2.40.127.132.719698.91173-3.03%2.960.127.252.169091.50007-1.67%3.61.127.71.628081.9324

16、6-2.41%4.21.128.161.37072.01451-2.88%5.21.128.80.765254.32074-4.46%6.041.89752129.50.563639.5721-9.92%8.62.130.670.2145.6.01%誤差分析：由于該實(shí)驗(yàn)中用到晶閘管和二極管，由于晶閘管和二極管有導(dǎo)通壓降，故一定會存在誤差；實(shí)驗(yàn)過程中，存在操作誤差、儀器誤差和讀數(shù)誤差等；導(dǎo)通角接近180時誤差比較大，原因在于此時輸出電壓比較小，波形易出現(xiàn)脈動，以致波形不穩(wěn)定甚至失真。輸出電壓的理論值與實(shí)際值的誤差可以看出，當(dāng)導(dǎo)通角的值在50左右誤差最小，在接近0和180時誤差比較大六、課后思考：

17、討論題及我們的分析1、闡述選擇實(shí)驗(yàn)面板晶閘管序號構(gòu)成半控橋的依據(jù)在實(shí)驗(yàn)原理圖中，VT1、VT2的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)該互差180o，然而在實(shí)驗(yàn)面板上的兩組晶閘管陣列，每組陣列中相鄰的兩只晶閘管（例如VTI與VT4）互差180o，但是兩只晶閘管之間是互聯(lián)的，并且無法改變，因此討論后發(fā)現(xiàn)，第一組的VT1和第二組的VT4，相位互差180o，并且之間不相連接，而且觸發(fā)電壓相同，也即觸發(fā)都是同步的，從而選用這兩只管子接入電路。2、分析同樣的阻感負(fù)載時，本電路與單相全控橋電路的輸出電壓ud特征差異，說明原因當(dāng)阻抗角比較大時，改變a使單相半控電路電流斷續(xù)，在同樣的條件下，單相全控電流不會出現(xiàn)斷續(xù)的情況，并且波形會

18、出現(xiàn)負(fù)的部分，而單相半控電路產(chǎn)生的波形沒有負(fù)的部分，且有斷續(xù)。對于單相半控電路：電源電壓u2的正半周，觸發(fā)導(dǎo)通時，VT1、VD4導(dǎo)通，電流從電源流出來經(jīng)VT1、負(fù)載、VT4流回電源，負(fù)載電壓ud= u2。當(dāng)u2變?yōu)樨?fù)時，由于電感的存在，VT1將持續(xù)導(dǎo)通，此時a點(diǎn)比b點(diǎn)電位低，故二極管自然換相，從VD4到VD2續(xù)流，這樣電流不再經(jīng)過變壓器繞組，忽略器件壓降，則u2=0，整流電路不會輸出負(fù)的電壓。對于單相全控：電源電壓正半周時，觸發(fā)導(dǎo)通后VT1、VT4導(dǎo)通，負(fù)載電壓等于u2；當(dāng)u2變?yōu)樨?fù)的時候，由于電感中的感應(yīng)電動勢使得VT1、VT4繼續(xù)導(dǎo)通，此時ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，負(fù)載電壓ud= u2。3、

19、思考：部分波形理論分析(1).阻感負(fù)載時波形出現(xiàn)負(fù)電壓過沖理想情況下阻感負(fù)載時當(dāng)時間在之間時，晶閘管由于電感電流不能突變會繼續(xù)導(dǎo)通，二極管D關(guān)斷換為C導(dǎo)通形成如圖中紅色線所示的通路，由電感對電阻供電。 電流在回路中流動，輸出電壓V，所以輸出電壓在之間應(yīng)為0 而實(shí)驗(yàn)中示波器測出的阻感負(fù)載時的波形為下圖，而且如果把電阻調(diào)小就不會出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象?，F(xiàn)對該情況進(jìn)行分析：取電壓為參考向量計(jì)為則在之間電流 電流相位滯后電壓相位,在電壓相位為也就是電流相位為之后電流開始衰減所以帶阻感負(fù)載時電流連續(xù)時的的波形從處開始呈指數(shù)衰減如照片所示在 之間電流 電流呈指數(shù)規(guī)律衰減，當(dāng)電流在下一個晶閘管觸發(fā)之前（即之前）降

20、到晶閘管的維持電流以下時，晶閘管的電流放大系數(shù)迅速下降晶閘管關(guān)斷，迅速降為0，由于負(fù)載中有電感會在電感中感應(yīng)出上負(fù)下正(按照以上所示電路中的位置來說)的感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢對晶閘管產(chǎn)生反向電壓，使的反向偏置的PN結(jié)空間電荷層厚度增加，導(dǎo)致反向恢復(fù)電流產(chǎn)生，由于負(fù)載中電感的作用，反向恢復(fù)電流逐步增大達(dá)到峰值后才減小。增大的反向電流在電阻上形成負(fù)的壓降，在電感上感應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電勢，所以出現(xiàn)負(fù)向的沖擊。負(fù)載電阻的大小對此沖擊的產(chǎn)生有影響。因?yàn)槿鬜越大，由，可知越小，負(fù)載阻抗角越小電流衰減的起始值就越小，使負(fù)載電流（即晶閘管的陽極電流）更易降到以下，就會產(chǎn)生負(fù)向電壓沖擊。所以實(shí)驗(yàn)中把負(fù)載電阻阻值

21、調(diào)小后該波形中的電壓過沖就不會出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中失控現(xiàn)象是在電路正常運(yùn)行且的情況下突然斷掉晶閘管的脈沖信號后出現(xiàn)的，若負(fù)載電流就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。其原因分析如下：正如上面所說，若衰減的起始電流太小會使在下一個晶閘管觸發(fā)之前低于使晶閘管關(guān)斷。當(dāng)時由于電流較小晶閘管關(guān)斷便不會出現(xiàn)某一晶閘管連續(xù)導(dǎo)通的失控現(xiàn)象。4.為該直流控制電源靜態(tài)建模根據(jù)電路帶純阻性負(fù)載時測得的和的值畫出關(guān)系曲線并用matlab對該曲線進(jìn)行擬合,擬合圖像如下所示圖中的點(diǎn)是測量的數(shù)據(jù)，處理時發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時在非線性區(qū)(較小的區(qū)域)測得的點(diǎn)比較多，就只能用前面幾個點(diǎn)用直線擬合，后面的用曲線擬合了。線性擬合：1.取前五個點(diǎn)綠色直線：ud=45.5

22、176uct+9.9804; 2.取前六個點(diǎn)紅色直線：ud =38.2016uct +14.9783; 3.取第三個到第六個點(diǎn)藍(lán)色直線：ud = 27.3468uct +33.0737; 后面的點(diǎn)都處在非線性區(qū)了,不能用直線畫出來非線性擬合：圖中黃色曲線就是用四次方程擬合的曲線，方程為ud =-0.2445 uct 4+4.2904 uct 3-28.1560 uct 2+86.0354 uct -2.0610;在線性區(qū)綠色直線和實(shí)際曲線(黃色線)最接近,所以該電源的近似放大系數(shù)七、實(shí)驗(yàn)綜合評估1、對實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果進(jìn)行可信度分析實(shí)驗(yàn)方案的可信度分析：該實(shí)驗(yàn)方案在內(nèi)容上綜合結(jié)合實(shí)驗(yàn)講義內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)

23、過程中充分結(jié)合課本教學(xué)內(nèi)容，具有理論依據(jù)，并且組員之間進(jìn)行大量的討論和交流，所用方案為全體通過的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過后對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和了解，通過網(wǎng)絡(luò)及圖書查詢搜集更豐富的內(nèi)容。在曲線描繪時運(yùn)用excel作圖，并使用multsim仿真,用理想波形與試驗(yàn)中的實(shí)際波形作比較，所得數(shù)據(jù)讀取規(guī)范，一定程度上保證曲線的正確性以及精度，另所用試驗(yàn)臺（雙電源）及示波器（100MHZ）都在這個實(shí)驗(yàn)所要求的標(biāo)準(zhǔn)之上。所以，本次實(shí)驗(yàn)方案可信度較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度分析：本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過excel作圖之后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測得輸出電壓與理論值基本接近。分段進(jìn)行觀察，數(shù)據(jù)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)所在的中段與理論值曲線幾乎重合，可信度很高。在首段和尾段由于觀測誤差，系統(tǒng)以及電路自身損耗所帶來的一定影響（如電流較大時電感的影響較為明顯，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)電流的震蕩現(xiàn)象）但都在可