1、电力电子实验报告最终单相半控桥整流电路实验报告书2011年11月3日，我们小组在高压实验楼402实验室做了第一次电力电子实验单相半控桥整流实验。富有经验的肖勇老师用幽默的和启发式的方式给我们生动讲解了基本实验原理，然后仔细地介绍了实验设备的使用。大家在听完讲解后，带着第一次的好奇和跃跃欲试的激动，亲手操作，观测到纯阻性负载、阻感负载和在失控情况下的波形图。在这次实验中，让我们加深了对单相半控桥整流电路的认识，并体会到了对这个学科的趣味性和实用性。以下是我们对这次实验的综合阐述。一、 实验的基本内容1、 实验项目名称：单相半控桥整流电路实验2、 实验完成目标：观察到预期情况下分别带阻性负载、阻感
2、负载和失控条件下的电路波形二、 实验条件描述1、 主要设备名称及型号： MCL-型电力电子及电气传动教学实验台 浙江大学求是公司，容量1.5kV，质量150kg体积 1.60.751.6m TDS 1012型示波器 Tektronix公司 100MHz 1GS/s GDM-8145型数字万用表2、 实验指导：肖勇老师3、 小组人员分工：李世新：电路基本连接，示波器调节，实验报告主要撰写者张轩铭：实验数据记录及处理，数据检查段秦尉：实验波形记录（波形采集），电路连接田 野：电路连接，电路校对，实验安全监督王 乾：万用表调节及数据测量三、 实验过程描述1、 实验步骤及原理图每个导电回路中有一个晶闸
3、管和二极管。其中晶闸管共阴极，二极管共阳极。VT1和VT2在一个周期中交错导通，触发脉冲相差180。在输入电压正半周触发角给VT1加触发脉冲，输入电压经过VT1和VT4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VD3与VT1续流，在下一个VT2的触发脉冲之前输出的电压为0.此时VT2承受正向电压，VT2触发导通以后VT1承受反向电压截止，VT2与VD3向负载供电，输出电压波形与输入电压波形相反，Ud=-U2。在输入电压相同的情况下，调节晶闸管的触发角可以控制输出电压大小。实验平台连线后电路图2、 实现同步（1）从三相交流电源进端曲线电压Uuw（约230V
4、）到降压变压器（MCL-35），输出单相电压（约120V）作为整流输入电压U2；（2）在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管，要实现同步则选择的两只管子脉冲相位需相差180，实验面板提供了两组三相桥式全控整流晶闸管阵列，序号相邻晶闸管相位相差60，两组序号相同的晶闸管脉冲相位相同，选定两只晶闸管VT1和VT4，将两只晶闸管按共阴极连接。（3）将连接好的两只共阴极晶闸管与整流二极管阵列（共6只）中的两只共阳极方式连接二极管组成半控整流桥，保证控制同步，外接纯阻性负载。（4）在负载回路上串联电流表，接入可调纯电阻负载，并把电阻值调到最大。（5）按照原理图
5、将电路接线完毕后。用示波器显示Ud波形为同步。 思考1：接通电源和控制信号后，如何判断移相控制是否同步？答：接通电源和控制信号后，在示波器上得到稳定输出的电压波形，一个周期输出两个正半周波形，且从输出电压波形能观察到明显的从零到非零的跳变，其跳变时刻与最近的前一个电压为零的时刻之差如果相等则移相控制同步。3、 单相半控桥纯电阻负载单相半控桥实验原理图（纯电阻负载）1) 纯电阻负载工作情况：从三相交流电源取线电压Uu（约230v）到降压变压器，输出单相电压作为整流输入电压U2。在U2正半周，若个管子均不导通负载电流id为0，ud也为0。若在触发角处给VT1加脉冲，则VT1和VD4导通，电流从二次
6、绕组上端（假设此时上端为正半周期）经VT1、R、VD4流回绕组下端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也为0，晶闸管VT1关断。在u2负半周，仍在触发角处触发VT3，VT3和VD2导通，电流从二次绕组下端（此时下端为正半周期）流出，经VT3、R、VD2流回绕组上端。到u2过零时，电流又降为0，晶闸管VT3关断。此后重复循环此过程。2) 推算出纯电阻负载下Ud与U2关系式：向负载输出直流电流的平均值为3) 连续改变触发角，测量并记录电路实际最大移相范围，用相机分别记录为最小、90和最大时的输出电压ud的波形（注:负载电路不宜过小，确保当输出电压较大时，Id0.6A）； 4) 实验数据及波形：通过调节
7、移相可调电位器RP调节触发角，观察当晶闸管触发脉冲的触发角最小时输出电压ud波形，并拍摄此时数字示波器显示波形如上图再次调节移相可调电位器RP来调节触发角，观察当晶闸管触发脉冲的触发角为90时输出电压ud波形，并拍摄此时数字示波器显示波形如上图。再次调节移相可调电位器RP和触发角，观察当晶闸管触发脉冲的触发角最大时输出电压ud波形，并拍摄此时数字示波器显示波形如上图。v 实验测得数据（数字万用表选择范围：20V/200V; 触发角为数格子换算后所得数据）： 输入触发角范围输出电压Ud触发角()最大Ud=17.57V135=90Ud=56.00V86最小Ud=107.00V6 思考题：如何利用示
8、波器测定移相控制角的大小？答：先控制示波器定格，把两条垂直标尺移动到整流后波形的始末两端，得到整流后波形的长度t，再用同样方法得到原正弦半波周期T，用算出控制角。5) 调节移相可调电位器RP，在最大移相范围之内，测量8组在不同触发角之下，整流输出电压u2、控制信号Uct、和整流输出Ud的数值，共测量9组数据。（原始数据单见后）4、 半控桥阻-感性负载（串联L=200mH）实验：单相半控桥实验原理图（阻感负载）1) 带阻感负载工作情况：在u2正半周期，触发角出给晶闸管VT1加触发脉冲使其导通，Ud=U2。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用（若电感很大，负载电流id连续其
9、波形将近似为一条直线）。当u2过零变负时，由于电感作用晶闸管VT1和VD4中仍通过电流id并不关断。至t=+时刻，给VT2加触发脉冲，因VT2本已承受正向电压，故导通，此时，u2则向VT1施加反压而使其关断，引起换相。此后重复循环此过程。2) 推算出阻感负载下Ud与U2关系式3) 断开总电源，将负载电感L=200mH串入负载回路；接通电源，连续改变触发角（注意电流表指针变化），记录最小、最大和90时的输出电压Ud波形，观察其特点。（Id 不超过0.6A）4) 调节移相可调电位器RP，观察接入阻感性负载情况下，当晶闸管触发脉冲的触发角最大时输出电压ud波形。拍摄示波器显示波形如上图。 （注意：此
10、时波形中每周期均出现了干扰信号，经分析，这一现象是由于电路中电感L的存在，是电路产生积分环节所致。）5) 调节移相可调电位器RP，观察接入阻感性负载情况下，当晶闸管触发脉冲的触发角=90时输出电压Ud波形，拍摄示波器显示波形如上图。6) 调节移相可调电位器RP，观察接入阻感性负载情况下，当晶闸管触发脉冲的触发角最小时输出电压Ud波形，拍摄示波器显示波形如上图。 带阻感性负载时输出波形特点：在U2正半周，触发角处给晶闸管VT1施加触发脉冲，U2经VT1和VD4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此阶段若忽略器件的通态压降则负载压降Ud不会出
11、现负的情况。在U2负半周触发角时刻，VT2与VD3触发导通，同时向VT1施加反向电压并使之关断，U2经VT2和VD3向负载供电。U2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT1和VD4续流，负载压降Ud又变为零。 因此，带阻感性负载的单相半控桥整流电路的输出波形不会出现负的情况，且较纯阻性负载的输出电压平均值更大。7) 固定触发角在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续Id接近0.6A时测量。注意 Id 0.6A），并记录电流Id波形，观察负载阻抗角的变化对电流Id的滤波效果；8) 调节触发角在较大值（便于观察到电流断续），保持不变，调节负载电阻值由最大逐步减小，同
12、时观察电流表指针，直到输出波形出现明显电流断续时，停止调节电阻。拍摄输出电压波形图如上图。 （注意：电流在趋近于零时突然减小到零，波形出现陡坡，原因为此时电流已经小于晶闸管的擎住电流，晶闸管自动关闭。）9) 继续减小负载电阻值，直到观测到输出波形出现临界断续时，停止调节电阻。拍摄输出电压波形图如上图所示。10) 继续减小负载电阻值（依然保持Id0.6A），直到示波器上出现连续电流波形时，停止调节电阻。拍摄输出波形图如上图所示。 思考：如何在负载回路获取负载电流的波形？答：阻性负载存在于负载回路上，可以通过示波器显示阻性负载的电压波形，由于电流和电压只存在倍数关系，所以电流波形和电压波形一致，从
13、而间接测得电流波形。5、 失控情况1) 描述：调整控制角或负载电阻，使Id0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角快速推到180），制造失控现象，记录失控前后的Ud波形。2) 调整控制角或负载电阻，使Id0.6A，拍摄晶闸管失控前波形图如下图所示。3) 断掉两路晶闸管的脉冲信号，拍摄晶闸管失控后波形图如下图所示。 思考题：1) 失控现象及原因分析单相桥式半控整流电路带阻感负载，失控前，通过控制触发角a来控制整流输出电压的大小，失控后，晶闸管失去脉冲信号，输出电压波形为整流前输入电压波形的正半波，而与a角大小无关。原因在于电路正常工作时，依靠晶闸管在脉冲信号的触发下交替导通，进而实现
14、整流的效果。而失控后，由于储能元件电感的存在，而使得一个晶闸管一直导通，另一个不能正常开通，两个二极管交替导通，所以输出电压波形为输入电压波形的正半波。不能达到整流的目的。2) 判断哪知晶闸管失控的方法利用示波器的双通道，将输入电压信号通过CH2通道接入示波器，失控后输出电压信号通过CH1接入示波器，在示波器上同时显示两通道信号波形。a) 如果输出电压波头和输入电压正半周同相位，则是因为VT2晶闸管的触发控制脉冲失控导致VT2无法正常导通而电路失控。b) 如果输出电压和输入电压负半周同相位，则是因为VT1晶闸管的触发控制脉冲失控导致VT1无法正常导通而电路失控。3) 如何防止失控方案一 增加续
15、流二极管方案一 带有续流二极管的单相半控桥整流电路优点：有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。缺点：管子数目增加，增加能耗。方案二 改变晶闸管VT2、二极管VD3连接顺序方案二 优化后单相半控桥整流电路优点：省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。缺点：触发电路较为复杂。四、 实验数据处理1、 原始数据记录单及计算结果2、 工程特性曲线1) 用Mat lab绘制Ud=f（）关系曲线其程序清单如下：a=6,22,38,54,70,86,102,118,135; %原始
16、数据中用时间表示的反映触发角的值 Ud=107,103,96,85,72,56,46,30,18; %Ud的原始值c=a/100*180; %通过计算公式算出真正的触发角pp=interp1(c,Ud,spline,pp); %求取Uct的插值函数数据tt=0:c(9); %从原始数据的最小到最大范围内取值yy=ppval(pp,tt); %根据插值函数数据计算插值结果plot(c,Ud,o,tt,yy,b) %绘制插值函数的曲线2) 用Mat lab绘制Ud=f（Uct）关系曲线其程序清单如下：Ud=6,22,38,54,70,86,102,118,135; %输入原始数据中Ud的数值 Uc
17、=9.94,4.53,2.83,1.72,1.14,0.69,0.47,0.20,0.01; %Uct的原始值pp=interp1(Ud,Uc,spline,pp); %求取Uct的插值函数数据tt=0:110; %从原始数据的最小到最大范围内取值yy=ppval(pp,tt); %根据插值函数数据计算插值结果plot(Ud,Uc,o,tt,yy,b) %绘制插值函数的曲线3) 用Mat lab进行实际曲线与理论特性曲线的比较：其Mat lab程序清单如下：=6,22,38,54,70,86,102,118,135; %原始数据中用时间表示的反映触发角的值c=a/100*180; %通过计算公
18、式算出真正的触发角aUd1=107,103,96,85,72,56,46,30,18; %Ud的原始值Ud2=54*(1+cos(c./180.*pi); %Ud的理论值pp=interp1(c,Ud1,spline,pp); %求取Ud1的插值函数数据qq=interp1(c,Ud2,spline,pp); %求取Ud2的插值函数数据tt=0:180; %从原始数据的最小到最大范围内取值 rr=0:180; %从原始数据的最小到最大范围内取值 yy=ppval(pp,tt); %根据插值函数数据计算插值结果zz=ppval(qq,tt); %根据插值函数数据计算插值结果plot(c,Ud1,
19、o-,tt,yy) %绘制Ud的实测值拟合曲线axis(0 180 0 120)hold onplot(c,Ud2,tt,zz) %绘制Ud的理论值拟合曲线legend(Ud实测值,Ud理论值);五、 实验综合评估： 实验可信度分析：这次单相半控桥整流电路实验，通过大家的亲手操作和完成实验内容，实现了控制触发脉冲和晶闸管的同步，观察到了单相半控桥在纯阻性负载时的Ud，Uct以及在晶闸管失控时的波形；通过观测，也求得最大移相范围，并测得其输入输出特性；单相半控桥在阻感负载时，测量了最大移相范围，同时观测了失控现象以及讨论其的解决方法。 注意的问题及实验结果可信度分析：在实验中我们发现了单相半控整
20、流电路有很多特点，首先是电路原理和结构简单，让同学们容更易上手；其次是电路的干扰较少，使得波形明显清晰，便于数据的得到和处理。实验实验虽然干扰较少，但不代表没有干扰。例如是实验台的震动，示波器的接触不良，晶闸管等器件的老化等等都会带来或多或少的误差或干扰。因此，我们要细心处理这次实验的波形和数据，否则可能会使实验得到的数据和结果产生更大的误差。所以在实验室应注意以下几个问题：在实验之前要预热示波器以及机器；当我们读表时应该眼睛正视表盘同时表中反光镜上的指针影子和指针重合；当调节负载电阻的大小时，要时刻观察电流表，不要超过规定所允许的电流值；在每次测量一组数据前要记得调零等等。但是我们注意了应该
21、注意的事项，得出的数据结果也用科学的方法进行了分析处理，并用Mat lab实验平台进行了曲线拟合和比较。可以肯定地说，这个结果是可信的。只要在更多的细节上在加以优化改进，尽量减小一些微小误差，其可信度仍然可以有一定提升，实验会更加趋于完美。六、 思考题1、 阐述选择实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据答：通过对实验原理的分析可以知道，本实验需要两只触发角度相差180的晶闸管，但在一组基于三项全控整流桥的晶闸管（12只）阵列，三对满足条件的管子首尾相接，无法改变其顺序，所以可以利用第一组的和第二组的，利用它们分别触发电源Uc正负输出，触发脉冲相差180的特点，从而在U2的正负半周分别触发两只晶闸管
22、。这两支管子没有首尾相接，可以接入电路。2、 测绘电阻负载时=f()和=f()实验性曲线，其中将实验=f()与理论推算=f()特性曲线比较（在同一坐标系内），若存在误差，分析成因。答：理论推算所得Ud= f ()：1) 40时，Ud的实测值比理论值低，在比较小时，对的观测不是很准确，带来一定观测误差而且整流电路输出功率较大，电路中的各种损耗也比较明显。负载电阻以及变压器漏感都会对实验结果带来一定的影响。2) 40120时，两曲线吻合较好。容易观测且读值较准确，电路平稳运行。3) 140后，U2的测量值急剧下降，这是由于脉冲触发电路不能提供大于150左右的触发脉冲，在后面工作状态下示波器变化较快
23、不稳定，不易准确观测。3、 分析阻-感性负载时，为什么减小负载电阻输出电流的波形越趋平稳？基于有较大的感抗值，电路能否接纯感性负载工作，为什么？答：阻感负载中的感性部分对电流的瞬时突变有一定的抑制作用，越接近感性负载这种抑制能力越明显，故电流突变越不明显，即曲线越平滑。较大的感抗值，在纯感性负载工作时，由于其储存很大的能量，在回路中会产生很大的电流，有可能损坏器件。因此基于有较大的感抗值，电阻不能接纯感性负载。4、 分析同样的阻感负载时，本电路与单相全控桥电路的输出电压Ud特征差异，说明原因。答：a) 全控桥会出现Ud为负，单相半控桥式整流电路不会出现这种情况，分析如下：在半控桥中U2过零变负
24、时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通，此时由于VD2阴极电压低于VD4阴极点位，所以VD4关断，由VT1与VD2续流，Ud=0。b） 单相半控桥式整流电路会出现失控现象，分析如下：当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定。七、 实验总结这次单相半控桥整流电路实验让我们了解到很多，学到了很多，明白了在出现问题时应该怎么处理。虽然这是一个简单的实验，但是却是一个有意义有激情的实验，给了我们大家极其多的启发和思考，同时对课本上枯燥的文字内容有了更深的理解，增加了对电力电子这门课程的兴趣。我们很希望多参与这样的实验，以培养了我们的思考能力，动手能力和解决问题的能力，更多的是增强了我们的团队合作能力。这次实验给了我们将课堂上学习到的理论知识运用到实践中的机会，加深了对单相半控整流电路工作原理的理解，熟悉了判断晶闸管哪只晶闸管失控的方法及避免电路失控的方法，总之，我们很高兴参加这次实验，高兴的事它不仅让我们学习到了电力电子的知识，同时也让我们感悟到了对待实验课题时应该有的严谨的科学态度。我们很希望多参加有关实验来进行自我的锻炼和提高。
