电力电子技术实验报告(单相半控桥式)

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实验原理图如下所示
id
VT1
T
i2
VT3
L
a
u2
b
VD2
V
VD4
ud
R
A
阻感负载时电路的工作情况: 当 t 时刻,晶闸管 VT1 和二极管 VD4 导通,晶闸管 VT3
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和二极管 VD2 承受反相电压截止。负载电压 Ud=U2,由于电感的存在 使电路中电流不能突变,电感起了平波的作用,id 波形为直线。 当 t 180 时刻,因电感中产生反电动势将使 VT1 和 VD4 仍承 受正向压降而继续导通, 则 Ud 波形中出现负值部分, 此时晶闸管 VT3 和二极管 VD2 也承受正向电压,但由于未加触发脉冲,所以出于正向 阻断状态,负载电压 Ud=U2。 当 t 180 + 时刻,给 VT3 加触发脉冲,VT3 和 VD2 立即导 通,从而使 VT1 和 VD4 承受反相电压而关断,负载电流从 VT1、VD4 转到 VT3、VD2 上,这个过程叫换相。VT3 和 VD2 导通后,负载电压 Ud=-U2,负载电流大小不变,波形仍为直线。 到下一个周期重复上述过程。 利用上述过程,我们可以推出阻感负载下电路的基本数量关系 整流输出电压的平均值
U2
125.6 126.3 126.9 127.7 128.6 129.3 130.3 131.0 132 132.9 133.6
U ct
11.6 3.482 2.413 1.841 1.444 1.13 0.858 0.638 0.435 0.255 0.073
2)半控桥阻 -感性负载(串联 L=200mH)实验
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实验基本内容
实验项目名称:单相半控桥整流电路实验 实验目标: 1. 实现控制触发脉冲与晶闸管同步; 2. 观测单相半控桥在纯阻性负载时 ud , uvt 波形,测量最大移相范围及输入-输出特性; 3. 单相半控桥在阻-感性负载时,测量最大移相范围,观察失控现象并讨论解决方案。
二、人员分工 项目 实验操作 辅助操作 试验阶段 仪表读数 数据记录 波形记录 数据处理 电路仿真 条件描述 过程描述 报告阶段 思考题 讨论发散 综合评估 讨论过程 总揽全局 成员
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实验电路 Multisim 仿真
利用 Multis im 仿真软件实验的电路进行仿真有助于实验前发现规律。事先得到理论 上的实验数据和实验波形。这对做实验的效率和准确性都有一定的指导作用。 一、Multisim 搭建仿真电路 1. 搭建的仿真电路图如下图所示。
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=180时的阻性负载电压波形
三、半控桥阻-感性负载的仿真 此时,断开开关 J1,即把电感 L=200mH 接入电路。 1. =0 此时闭合开关 J2,J3。同时设置 VT1 触发时间为 0ms ,VT3 触发时间为 10ms 得到整流输 出波形。


2. =90 此时闭合开关 J2,J3。同时设置 VT1 触发时间为 5ms ,VT3 触发时间为 15ms 得到整流输 出波形。
实验条件
一、实验仪器: MCL-Ⅲ型电力电子及电气传动教学试验台 厂商:浙江大学求是公司 性能指标:整机容量:≤1.5kV A;工作电源:~3N/380V/50HZ/3A
本次试验用到:MCL-32 电源控制器、MCL-35 三相变压器、直流电压表、直流电流表、 三相可调电阻器、电容器、触发电路及晶闸管主回路(包括触发脉冲回路,两组晶闸管及一 组二极管)

延迟时间 360 脉冲周期
CHUFA2. 的触发时间(delay time)比 CHUFA1 滞后 10ms
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二、半控桥纯电阻负载的仿真 1.
=0
闭合开关 J1,闭合 J2,J3。同时设置 VT1 触发时间为 0ms ,VT2 为 10ms 。得到整流输
出波形。
2.
=90

=0时的阻性负载电压波形
闭合开关 J1,闭合 J2,J3。同时设置 VT1 触发时间为 5ms ,VT2 为 15ms 。得到整流输 出波形。
=90时的阻性负载电压波形
3.
=180
闭合开关 J1,闭合 J2,J3。同时设置 VT1 触发时间为 10ms ,VT2 为 20ms 。得到整流输 出波形。如下图所示。


=0时的阻感负载电压波形
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放大阻感负载在 90 度时的波形可见,在晶闸管关断过后,输出的电压出现了 幅度逐渐变小的振荡。 (如下图示)
出现幅度渐小的振荡
3.
=180
此时闭合开关 J2, J3。同时设置 VT1 触发时间为 10ms,VT3 触发时间为 20ms 得到整流
0

(, 180 ) 当 t 时,晶闸管 VT1 和二极管 VD4 导通,电流经过
VT1,R,VD4 形成回路,此时负载电压为 U d U 2 / R 。
( 180 , 180 +) 当 t 时,晶闸管 VT1 和二极管 VD4 承受反相
电压,处于截止状态,晶闸管 VT3 和二极管 VD2 虽然承受正向电压, 但是由于未加触发信号,处于正向阻断状态,所以此阶段所有晶闸管 和二极管均未导通,负载电压
最小时
0
=90 时 最大时
90
144
纯阻性负载时测量与相关电压
调节移相可调电位器 RP,在最大移相范围之内,测量几组在不同 触发角 α 之下, 整流输出电压 U2、 控制信号 Uc t 整流输出 Ud 的 数值,共测量 1 1 组数据,整理如下:
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序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪
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实验过程描述
T
线电压
VT1
VT3
L
a
V
b
VD2
VD4
R
A
触发电路1 触发电路1
G1
K1
G2
K2
图中晶闸管 VT1 和电力二极管 VD4 构成一个桥臂,VT3 和 VD2 构成一 个桥臂,每个桥臂中有一个晶闸管和二极管,其中晶闸管共阴极,二 极管共阳极, VT1 和 VT3 在一个周期中交错导通, 触发脉冲相差 180 度。在输入电压正半周,VT1 加触发延迟角为ɑ的触发脉冲,输入电 压经过 VT1 和 VD4 向负载供电, 此时输出的电压波形与输入的电压 波形相同,即 Ud=U2; 当输入电压过零时,VD2 与 VT1 续流,在下一个 VT3 的触发脉 冲之前输出的电压为 0,此时 VT3 承受正向电压, VT3 触发脉冲一 到来便导通, 导通后 VT1 承受反向电压截止, 电源经 VT3 与 VD2 向负载供电,输出电压波形与输入电压波形相反,即 Ud=U2 。在输入 电压相同的情况下, 调节晶闸管的触发角ɑ便可以控制输出电压大小。
输出波形。
嘿嘿
=180时的整流输出电压波形
四、失控波形仿真 保持触发控制角小于 90 度,适当的调节电阻,使整流输出的电流较大。当电路正常整流 时,闭合开关 J2,J3。打开开关 J1。得到失控前输出波形。
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若此时突然断开开关 J3。 (即 VT3 失去触发信号)得到失控的波形如下图所示。
触发时间 t 0 2ms 2.96ms 3.6ms 4.24ms 4.8ms 5.4ms 6ms 6.6ms 7.3ms 8.1ms
触发角α 0° 36° 53.28° 64.8° 76.32° 86.4° 97.2° 108° 118.8° 131.4° 144.0°
Ud
108 98 88 78 68 58 48 38 28 18 8
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1)单相半控桥纯阻性负载实验 实验原理图如下所示
id
VT1
T
i2
VT3
a
u2
b
VD2
V
VD4
ud
R
A
(0 ,) 当 t 时,VD2 和 VT3 承受反向压降处于截止状态。
虽然 VT1 和 VD4 承受正向阳极电压, 但是由于 VT1 门极未加触发信号, 处于正向阻断状态,所以此阶段晶闸管和二极管全部都未导通, 负载 电压 Ud
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2.
电流 I d 临界连续:
此时的触发角为 90 度,电位器的接入电阻约为 50 。得到如上图示的电流 I d 临界连续波 形。 3. 电流 I d 连续:
电路接通时刻,电流上升
六、判断出失控调管晶闸管的方法提出与仿真 1. 分析:在单相半控桥整流电路中,当某晶闸管出现失控时。另一只晶闸管始终处于导 通状态,输出整流波形为半波波形。 2. 判断方法:始终导通的晶闸管Biblioteka Baidu端电压应为晶闸管的导通压降。而失控的晶闸管两端 电压应为电源的电压,即正弦波。
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3.Multisim 电路仿真:用示波器测量两只晶闸管的两端电压的波形。 失控的晶闸管,两端电压为管压降(5V/Div)
正常工作晶闸管,端电压为正弦波(100V/Div)
仿真中所遇到的问题和感悟: 1. 晶闸管和二极管的选取,显得十分重要。只有一定特性范围内的晶闸管和二极管。才能仿 真出理论上的波形。 2. 仿真中有时会遇到“timestep too small”报错。此时,只要加大仿真中的周期。比如,适 当提高信号源的上升时间和下降时间。 也可考虑加入一个周期较大的信号源, 该信号源不接 入主电路。即可解决该问题。 3. 在仿真电流连续过河断续的时候。在电路的时间常数大的情况下才容易实现。此时电位器 电阻约为 50 。
VT1 连续导通,出现半波输出
断开 J3 VT3 没有导通
嘿嘿
由失控后的波形可见:当 J3 断开时,VT1 原来的 导通角 变为 180 度。即为半波输出。
五、观察阻抗角的变化对电流的滤波效果 接入阻感性负载,断开 J1,闭合 J2,J3。固定晶闸管的控制角在较大的一个值。缓慢 的调节电位器的阻值。得到电流变化的波形,如下图。 用示波器观测电阻上的电压的波形,得到电流 I d 的波形。 1. 电流 I d 断续:
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此时由于电压灵敏度比较小, 所以调节电压灵敏度,可以得到更清晰 的图像
2)调节移相可调电位器 RP ,使 触发角ɑ=90°,可以得到输出电 压 Ud 的波形
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3)当波形不稳定时, 此时 触发延迟角ɑ为最大值 , 用数字示波器记 录如下所示
由上述步骤,可以得到 触发延迟角ɑ的移相范围,如下表所示 触发角延迟角 测得的延迟时间 t/ms 0 5 8.1 换算过后的角度
Ud 0 。
( 180 +, 360 ) 当 t 时,晶闸管 VT3 和二极管 VD2 导通,电
流经过 VT3、R、VD2 形成回路,此时负载电压为U d U 2 / R 。 此后均重复上述过程
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由上述分析可以退出纯电阻负载下 Ud 和 U2 的关系式
Ud
2. 各元件的参数设定和选择: J2,J3 的设置是方便断掉触发信号, 制造失控。 电源: 采用有效值为 120V 的交流电压 源。 触发脉冲电压源 CHUFA1 的设置如图 所示: 电压脉冲的基值为 0V 电压的幅值为 5V 脉冲的宽度为 1ms 周期同电源周期为 20ms 延迟时间确定了晶闸管的触发时 间 触发角:
1



2U 2 sin td t 0.9U 2
Ud U 1 cos 0.9 2 R R 2
1 cos 2
负载输出电流的平均值为
Id
移相范围及波形观察 (ɑ最小时,ɑ=90°,ɑ最大时) 将数字示波器的一个通道接至电阻两端,连续改变触发角α的大小, 输出电压 ud 的波形也随之变化, 测量并记录电路实际最大移相范 围, 用相机分别记录α为最小、 90° 和最大时的输出电压 ud 的波 形。 (负载不宜过小,因为当电流过大时,会烧坏实验用的电流表。 为确保当输出电压较大时,Id<0.6A,为确保安全,我们专门安排同 学监控电流表。 ) 1)通过调节移相可调电位器 RP 调节触发角α, 观察当晶闸管触发脉 冲的 触发角α最小时 输出电压 Ud 波形, 并拍摄此时数字示波器显 示波形如下图:
Tektronix TDS 1012 示波器
带宽: 100MHZ 最 高 采 样 频 率 : 1GS/s 记录长度:2.5K
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GDM-8145 数字万用表 测量交流电压 ( AC 或 AC + DC 真有效值) 电压档位:200mV , 2V , 20V , 200V , 1000V 共 5 档 输入阻抗 10MΩ
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