電氣信息學院實驗報告書課程名稱：電力電子技術實驗工程：單相半控橋整流電路實驗專業班組：電氣工程及其自動化105班實驗時間：2023年10月28日成績評定：評閱教師：報告撰寫：學號：同組人員：學號：同組人員：學號：同組人員：學號：電氣信息學院專業中心實驗室目錄實驗內容1.1實驗工程名稱············································31.2實驗完成目標············································31.3實驗內容及條件······································3實驗環境2.1主要設備儀器············································42.2小組人員分工············································5電路分析與仿真3.1根本電路················································53.2電路仿真················································6實驗過程4.1實現同步················································74.2半控橋純阻性負載實驗····································84.3半控橋阻感性負載實驗····································9實驗數據處理與分析5.1理論數據與分析··········································115.2實驗數據與處理··········································115.3誤差分析················································13思考討論與感悟6.1實驗思考題··············································136.2實驗討論題··············································146.3自主思考與討論··········································186.4實驗方案、結果可信度分析································196.5實驗優化改良方案········································206.6實驗感悟················································20附件實驗內容實驗名稱單相半控橋式整流電路實驗實驗完成目標實現控制觸發脈沖與晶閘管同步；觀測單相半控橋在純阻性負載時Ud，Uvt波形，測量最大移相范圍及輸入-輸出特性；單相半控橋在阻-感性負載時，測量最大移相范圍，觀察失控現象并討論解決方案。實驗內容及條件實現同步：從三相交流電源進端取線電壓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；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，與整流二極管陣列〔共6只〕中的兩只二極管組成共陰極方式的半控整流橋，保證控制同步，并外接純阻性負載。思考：接通電源和控制信號后，如何判斷移相控制是否同步？半控橋純阻性負載實驗：連續改變控制角，測量并記錄電路實際的最大移相范圍，用數碼相機記錄α最小、最大和90°時的輸出電壓Ud波形〔注意：負載電阻不宜過小，確保當輸出電壓較大時，Id不超過0.6A〕；思考：如何利用示波器測定移相控制角的大小？在最大移相范圍內，調節不同的控制量，測量控制角、輸入交流電壓U2、控制信號Uct和整流輸出Ud的大小，要求不低于8組數據。③半控橋阻-感性負載〔串聯L=200mH〕實驗：斷開總電源，將負載電感串入負載回路；連續改變控制角α，記錄α最小、最大和90°時的輸出電壓Ud波形，觀察其特點〔Id不超過0.6A〕；固定控制角α在較大值，調節負載電阻由最大逐步減小〔分別到達電流斷續、臨界連續和連續0.5A三種情況測量。注意Id≤0.6A〕，并記錄電流Id波形，觀察負載阻抗角的變化對電流Id的濾波效果；思考：如何在負載回路獲取負載電流的波形？保持控制角α<90°，適當調整負載電阻，使Id≈0.6A，突然斷掉兩路晶閘管的脈沖信號〔模擬將控制角α快速推到180°〕，制造失控現象，記錄失控前后的ud波形，并提出如何判斷哪一只晶閘管失控的測試方法。二．實驗環境2.1主要設備儀器實驗臺：華緯MCL-Ⅲ型電力電子及電氣傳動教學實驗臺〔浙江大學求是公司〕示波器：TektronixTDS1012示波器〔帶寬：100MHZ最高采樣頻率：1GS/s〕數字萬用表：2.2小組人員分工1.實驗階段線路連接及檢查：移相可調電位器及電阻的調節：數字萬用表的操作及測量：示波器操作的及測量：數據記錄及計算：2.報告撰寫報告主體撰寫：實驗仿真：數據處理分析：特性曲線與擬合：思考題的整理：討論內容整理：圖片整理與使用：討論與拓展思考：三．實驗仿真3.1根本電路1.阻性負載圖3-1所示為帶阻性負載時單相橋式半控整流電路。兩個晶閘管共陰極連接，兩個二極管共陽極連接。二極管共陽極，所以陰極電位低的管子導通。晶閘管觸發導通，整流二極管自然換相。圖3-12.阻感負載圖3-2所示為帶阻感負載時單相橋式半控整流電路。電源電壓U2為負半周時，由于電感存在，VT1將繼續導通，此時a點電位較b點電位低，二極管自然換相，從VD4換至VD2。這樣電流不再經過變壓器繞組，而由VT1，VD2續流，忽略器件導通壓降，Ud=0，整流電路不會輸出負電壓。圖3-23.2電路仿真根據實驗內容，我們先對單相半控橋整流電路帶阻感負載進行仿真。仿真使用mulitism軟件進行。仿真電路阻感負載連接如圖3-3所示。圖3-3仿真電路阻感負載連接圖在圖3-3的根底上去掉電感L1即為阻性負載連接圖，在此不單獨貼出。首先我們再阻性負載情況下對電路模擬運行，用軟件中的模擬示波器記錄α=0°，90°，180°〔失控〕，36°時的輸出電壓Ud波形，如下。注：關于失控現象分析見“思考與討論〞。圖3-4α=0°時輸出電壓Ud波形圖3-5α=90°時輸出電壓Ud波形圖3-6α=180°時輸出電壓Ud波形圖3-7α=36°時輸出電壓Ud波形然后我們對阻感負載電路進行模擬，用軟件中的模擬示波器觀察輸出電壓Ud波形，波形與阻性負載時相似，但是由于電感存在并不為足夠大，波形有輕微震蕩，如下列圖所示。圖3-8α=90°阻感負載時輸出電壓Ud波形四．實驗過程4.1實現同步從三相交流電源進端取線電壓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；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，與整流二極管陣列〔共6只〕中的兩只二極管組成共陰極方式的半控整流橋，保證控制同步，并外接純阻性負載。實驗中，兩只晶閘管共陰極連接，選取第一組晶閘管陣列中的VT1與第二組晶閘管陣列中的VT4’分別作為電路圖中的VT1與VT3。在二極管陣列中任取兩只二極管共陽極接入電路。完成電路連接后，將示波器接在電阻R兩端，觀察輸出波形，確認是否完成同步。注：晶閘管的選擇依據及同步的判斷見“思考與討論〞。4.2半控橋純阻性負載實驗連續改變控制角，測量并記錄電路實際的最大移相范圍，用數碼相機記錄α最小、最大和90°時的輸出電壓Ud波形〔注意：負載電阻不宜過小，確保當輸出電壓較大時，Id不超過0.6A〕；在最大移相范圍內，調節不同的控制量，測量控制角、輸入交流電壓U2、控制信號Uct和整流輸出Ud的大小，要求不低于8組數據。實驗中，調節移相可調電位器，改變觸發延遲角α的大小，移相可調電位器像兩個方向分別不可調時各自取到α的最小與最大時的輸出電壓Ud波形，調節移相可調電位器使換相點出現在波形最高點取到α=90°時的輸出電壓Ud波形。圖4-1α最小時輸出電壓Ud波形圖4-2α最大時輸出電壓Ud波形圖4-3α=90°時輸出電壓Ud波形利用示波器縱向光標一與光標二測量周期水平時間差為10ms，觸發延遲角最小時α水平時間差1.20ms，觸發延遲角最大時α水平時間差8.76ms，為得到八組數據，我們分別再取α水平時間差Δt為2.28ms，3.36ms，4.44ms，5.52ms，6.60ms，7.68ms六組數據。求出α=〔Δt/10〕*180°，用數字萬用表交流檔測量輸入交流電壓U2，控制信號Uct的大小；用數字萬用表直流檔測量整流輸出電壓Ud的大小。記錄數據如下表：α〔°〕U2(V)Uct〔V〕Ud〔V〕21.60125.410.8010941.04125.83.109860.48126.42.008579.92127.21.306899.36127.80.7351118.80128.60.4332138.24129.40.1814155.52129.70.00134注：如何利用示波器測定移相控制角的大小見“思考與討論〞。實驗原始記錄單見附件一。4.3半控橋阻感性負載實驗斷開總電源，將負載電感串入負載回路；連續改變控制角α，記錄α最小、最大和90°時的輸出電壓Ud波形，觀察其特點〔Id不超過0.6A〕；固定控制角α在較大值，調節負載電阻由最大逐步減小〔分別到達電流斷續、臨界連續和連續0.5A三種情況測量。注意Id≤0.6A〕，并記錄電流Id波形，觀察負載阻抗角的變化對電流Id的濾波效果；保持控制角α<90°，適當調整負載電阻，使Id≈0.6A，突然斷掉兩路晶閘管的脈沖信號〔模擬將控制角α快速推到180°〕，制造失控現象，記錄失控前后的ud波形，并提出如何判斷哪一只晶閘管失控的測試方法。實驗中，如半控橋純阻性負載實驗一樣，調節移相可調電位器，改變觸發延遲角α的大小，移相可調電位器像兩個方向分別不可調時各自取到α的最小與最大時的輸出電壓Ud波形，調節移相可調電位器使換相點出現在波形最高點取到α=90°時的輸出電壓Ud波形，使用相機記錄如下：圖4-4α最小時輸出電壓Ud波形圖4-5α最大時輸出電壓Ud波形圖4-6α=90°時輸出電壓Ud波形然后固定控制角α在較大值，我們調節α是它在在大于90°的某個較大值，觀察輸出電壓Ud波形同時注意電流Id。分別使用相機記錄了電流斷續、臨界連續和連續0.5A三種情況的輸出電流Id的波形。圖4-7電流斷續的輸出電流Id的波形圖4-8電流連續的輸出電流Id的波形圖4-9電流0.5A的輸出電流Id的波形接著,我們保持控制角α<90°，適當調整負載電阻，使Id≈0.6A，然后突然斷掉兩路晶閘管的脈沖信號〔模擬將控制角α快速推到180°〕，制造失控現象，記錄下失控前后的Ud波形如下:注：如何在負載回路獲取負載電流的波形,如何判斷哪一只晶閘管失控的測試方法見“思考與討論〞。五．實驗數據處理與分析5.1理論數據與分析在單相半控橋式整流電路中,純阻性負載與阻感性負載的輸出直流電壓平均值完全相同,為Ud=1παπ2sinwtd(wt)=0.9U21+cosα2。實驗中理論三相交流電的單相電壓U2為124V，理論上Ud=5.2實驗數據與處理在實驗過程中已記錄實驗數據如下：α〔°〕U2(V)Uct〔V〕Ud〔V〕21.60125.410.8010941.04125.83.109860.48126.42.008579.92127.21.306899.36127.80.7351118.80128.60.4332138.24129.40.1814155.52129.70.00134表5-1實驗原始數據記錄表我們先根據Ud=0.9U21+cosα2分別計算出取不同α值與實際單相電壓U2時理論輸出α〔°〕U2(V)理論Ud〔V〕實際Ud〔V〕21.60125.4108.910941.04125.899.39860.48126.484.98579.92127.267.36899.36127.848.251118.80128.630.032138.24129.414.814155.52129.75.24表5-2取不同α值與實際單相電壓U2時理論輸出Ud的值與實驗所測實際Ud的值比擬觀察取不同α值與實際單相電壓U2時理論輸出Ud的值與實驗所測實際Ud的值，比擬發現結果相近。接下來我們根據實驗結果之間的關系畫出實驗Ud=f〔α〕特性曲線于圖5-1中，與純理論Ud=f〔α〕特性曲線進行直觀比照。圖5-1電阻負載時ud=f(α)的實驗與理論特性曲線比擬5.3誤差分析除了存在儀用誤差和人為誤差外，Ud與α的關系式為Ud=1παπ2sinwtd(wt)=0.9U21+思考與討論6.1實驗思考題1.如何判斷移相控制是否同步？答：理論上，可以使用實驗提供的雙通道示波器來進行檢測判斷，將電源信號和控制信號分別接入示波器CH1和CH2通道，觀察比擬二者的波形相位關系，從而判斷他們是否同步。實驗中，我們通過觀察示波器波形，利用示波器測量每個周期的觸發延遲角水平位移，比擬得水平位移大致相同，認為觸發延遲角相同，實現同步。2.如何利用示波器測定移相控制角的大小？答：利用示波器時間軸測距功能，測出時間軸零點與波形出現點的時間差Δt，根據工頻為50Hz，可知波形周期T=0.02s，由計算式α=Δt*360°/T可以算出移相控制角α的大小。3．如何在負載回路獲取負載電流的波形？答：示波器是測量電壓波形的儀器，所以不能用示波器直接測得電流波形。但由歐姆定律I=U/R可知回路中電流與電壓是成正比例關系的，因此用示波器測得的電壓波形與我們需要的電流波形一樣的，只不過二者之間相差一個比例1/R。6.2實驗討論題1.闡述選擇實驗面板晶閘管序號構成半控橋的依據。選擇不同序號的晶閘管構成單相橋半控電路，前提要保證移相控制同步。根據實驗要求，在〔MCL-33〕兩組基于三相全控整流橋的晶閘管陣列中〔共12只〕選定兩只晶閘管，與整流二極管陣列中〔共6只〕的兩只二極管組成共陰極方式的單相半控橋整流電路，保證控制同步，并外接純阻性負載。實驗面板上每組晶閘管陣列中的6個晶閘管已與三相橋式整流電路實現同步控制，其觸發脈沖依次滯后60°，兩組中序號相同的晶閘管的觸發脈沖是相同的，這些是已經設計好且不能改變的。在一個周期中要觸發兩次，正、負半周各一次，故兩次脈沖應相差180°，故只能選擇序號“1和4〞或“2和5〞或“3和6〞的兩只晶閘管。由于兩只晶閘管要組成共陰極電路，所以不能選擇同一面板的“1和4〞或“2和5〞或“3和6〞。我們選擇了第一個面板的1與第二個面板的4’組成共陰極接入電路。2.測繪電阻負載時ud=f(α)和ud=f(Uct)的實驗特性曲線〔注：由數據處理軟件自動生成〕，其中將實驗ud=f(α)與理論推算ud=f(α)特性曲線比擬〔在同一坐標系內〕，假設存在誤差，分析成因。課下我們根據實驗數據與理論數據，使用繪圖軟件MATLAB進行繪圖。首先用MATLAB進行擬合，畫出電阻負載時ud=f(α)的實驗特性曲線如下，由軟件計算出模擬曲線方程，并根據數學建模知識對以下數學模型及殘差分析，如圖6-1所示。圖6-1電阻負載時ud=f(α)的實驗特性曲線及殘差分析將實驗ud=f(α)與理論推算ud=f(α)特性曲線比擬〔在同一坐標系內〕如下：圖6-2電阻負載時ud=f(α)的實驗與理論特性曲線比擬曲線圖像根本吻合，在誤差允許范圍內成立。誤差成因分析：除了存在儀用誤差和人為誤差外，Ud與α的關系式為Ud=1παπ2sinwtd(wt)=0.9U21+注：ud=f(Uct)的實驗特性曲線在本節第5題中具體分析。3.分析阻-感性負載時，為什么電流波形與教材上的有差異？電路能否接純感性負載〔如果有較大的感抗值〕工作，為什么？單相半控橋整流電路阻-感性負載時，電流波形與教材上的有差異，這是因為：教材上的波形是假定電感很大，遠大于電阻時，電流連續且保持不變而得到的。實驗中使用的電感不可能很大很大，接在電路中有儲存能量和釋放能量的過程，儲能時i_d迅速增大，放能時i_d逐漸衰減，從而得到實測的波形。故實測波形和教材上的有差異。對于單相半控橋整流電路，電路不能接純感性負載〔如果有較大的感抗值〕工作，這是因為：假設電路中只接存感性負載，那么時間常數τ=L/R那么趨近于無窮大，也就是說電感始終在儲存能量而不會釋放，電路中電流會不斷增大從而使電路中各設備損壞。4.分析同樣的阻感負載時，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。同樣的阻感負載時，單相半控橋整流電路與單相全控橋電路的電路圖如下：圖6-3半控橋電路圖6-4全控橋電路由于一個是全控電路，一個是半控電路，故二者的輸出電壓Ud特征必然會有差異。對于半控橋電路:當U2經零變負時，由于電感的存在，VT1將繼續導通，而a點的電壓較b點低，VD2搶先于VD4導通，二極管自然換相，此時，電流不再經過變壓器繞組，而由VT1和VD2續流，假設忽略器件導通壓降，那么Ud=0，整流電路不會輸出負電壓。對于全控橋電路:當U2經零變負時，同樣因電感作用回路中存在電流，這使得VT1、VT4繼續導通，那么Ud波形中存在負值局部，此時晶閘管VT2、VT3也承受正向電壓，但由于未加觸發脈沖而不能導通，負載電壓Ud=U2。5.假設以Ud=f(Uct)的實驗特性曲線作為該直流控制電源的靜態數學模型建模依據——直流電壓放大器，試提出建模算法，并核定該模型的近似放大系數Ks≈？根據得到的數據，在坐標圖中描繪出對應的〔Ud，Uct〕點，使用MATLAB進行初步擬合，得到下列圖：圖6-5Ud=f(Uct)的實驗特性曲線的初步擬合及殘差分析從擬合得到的結果來看，一次擬合和二次擬合得到的曲線殘差較大，不符合擬合要求。三次擬合殘差比擬小，但是在橫坐標Uct：〔3V~11V〕內擬合曲線有一個先下降再上升的過程，這顯然與電子元件的實際特性是不符合的。在經過對相關資料的查閱后，我們知道了直流電壓放大器的放大區間是有范圍的，所以采用分段一次擬合的方法重新擬合得到如下列圖：圖6-6Ud=f(Uct)的實驗特性曲線的擬合從擬合圖來看，擬合曲線與坐標點根本重合，無需進行殘差檢驗。故該電路條件下直流放大器的數學模型為：其中直流放大局部為段，Ks≈41。6.3自主思考與討論1.什么叫做觸發脈沖和晶閘管同步？答：要使整流電路輸出直流電壓穩定，那么要求每個周期中晶閘管的延遲觸發角α都相同，所以要求觸發脈沖信號與電源電壓在頻率和相位上要協調配合，這種相互配合的關系稱之為同步。2.什么叫做電路的移相？答：改變延遲觸發角α的大小，即改變觸發脈沖電壓出現的相位，稱為移相。3.單相半控橋整流電路的阻性負載和阻—感負載有什么區別？答：電路為阻性負載時，當輸入電壓由零變為負，晶閘管VT1那么會關斷。電路為阻—感負載時，當輸入電壓由零變為負，由于電路中電感的存在，晶閘管VT1會繼續導通。這就造成了兩個電路特點、輸出特性等的不同。4.什么是失控？如何調出失控現象？如何判斷是哪個晶閘管失控？如何防止失控現象的發生？答：a、關于失控：單相半空橋整流電路的失控可以歸結為負載原因和觸發電路的原因。①負載原因：電感是一種儲能元件，它的特點是當回路中電流增長是開始儲存能量，當回路電流減小時電感開始釋放能量，企圖使回路電流保持不變。當單相單相半控橋整流電路帶較大電感負載時，由于晶閘管只有在陽極電流極小時才能關斷。因此電感能量的釋放會使晶閘管在陽極電壓減為零或者變為負壓時其陽極電流仍大于維持電流，造成晶閘管關斷延遲或者不能關斷的現象。假設關斷時間延遲輸出電壓出現負的波形，使輸出電壓平均值下降，同時造成晶閘管開關時間增大而功耗增大，使晶閘管發熱嚴重極易受損。假設是晶閘管不能關斷，電路就會發生正在導通的晶閘管一直導通而整流二極管不斷輪流導通而失控的現場。②觸發電路原因：單相半空橋整流電路在實際運行中，當突然把控制角α增大到180°以上或突然切斷觸發電路時也會發生正在導通的晶閘管一直導通，兩個二極管輪流導通的現象，此時觸發信號對輸出電壓失去了控制作用，也為失控現象。b、關于調出失控：根據上述電路失控的兩個成因，我們便可以通過負載電感的層面或者觸發電路的層面去調出失控現場。c、關于判斷到底是哪個晶閘管失控：有兩個方法：①方法1：用數字萬用表測量兩只晶閘管兩端的電壓，如果其中一只的測量結果在1v左右且根本保持不變，那么可以判斷是這只晶閘管發生失控。

②方法2：在發生失控時分別將兩只晶閘管中的一只接線取下，觀察輸出電壓Ud是否變化，假設Ud不發生變化那么說明另一只晶閘管發生了失控。d、關于防止電路失控的措施：我們可以在負載側并聯一個續流二極管，這是因為：在負載電流續流階段，晶閘管不再導通，而是續流二極管導通，故不存在后續晶閘管導通后才能關斷已導通晶閘管的問題，不會出現“失控〞。線路圖如右圖：6.4實驗方案、結果可信度分析從實驗原理來看，本實驗是