信號與控制綜合實驗

1、電氣學(xué)科大類 2010 級信號與控制綜合實驗課程實 驗 報 告(基本實驗四: 電力電子基本實驗)姓 名 學(xué) 號 專業(yè)班號 同組者1 學(xué) 號 專業(yè)班號 同組者2 學(xué) 號 專業(yè)班號 指導(dǎo)教師 日 期 2013年5月28日 實驗成績 評 閱 人 實驗評分表基本實驗實驗編號名稱/內(nèi)容實驗分值評分PWM信號的生成和PWM控制的實現(xiàn)DC/DC PWM升壓降壓變換電路性能的研究三相橋式相控整流電路性能的研究DC/AC單相橋式SPWM逆變電路性能的研究設(shè)計性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分教師評價意見總分目 錄實驗二十八 PWM信號的生成和PWM控制的實現(xiàn)4實驗二十九 DC/DCPWM 升壓、降壓變換電路性能研

2、究17實驗三十 三相橋式相控整流電路性能的研究25實驗三十一 DC/AC單相橋式SPWM逆變電路性能的研究43實驗心得及體會53參考文獻54實驗二十八 PWM信號的生成和PWM控制的實現(xiàn)一、 實驗原理1. PWM控制是電力電子電路控制中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，通過改變脈沖寬度控制開關(guān)通斷，從而得到不同幅值的輸出電壓，而且可以利用負(fù)反饋控制來穩(wěn)定輸出電壓。2. 直流直流降壓變換電路（Buck電路）圖28-1 DC-DC降壓變換電路（Buck電路 圖28-1 Buck電路二極管有續(xù)流作用，LC電路濾波，由于開關(guān)頻率高，諧波頻率高，濾波器比較容易設(shè)計。3. PWM控制應(yīng)具備的條件A 有三角波或階梯波這樣具有

3、斜邊坡的信號作為調(diào)節(jié)寬度的調(diào)制基礎(chǔ)信號；B 有比較器，以便將調(diào)制信號和反饋電壓信號進行比較；C 對反饋電壓幅值的限制門檻電壓；D 有反饋環(huán)節(jié)（即恒定的電壓給定、誤差放大器及調(diào)節(jié)器、功率放大電路）；E 有按照一定的邏輯關(guān)系開放脈沖的邏輯控制電路。二、 設(shè)計要求電路要求具有PWM控制的幾個基本功能，可選擇單路輸出、雙路推挽輸出，開關(guān)頻率設(shè)計為10kHz或20kHz；具有根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)脈寬功能、軟啟動功能、保護封鎖脈沖功能，以及限流控制功能。設(shè)計方案盡量簡單、可靠。三、 實驗任務(wù)1. 熟悉PWM集成芯片TL494的基本功能和使用；2. 基于PWM芯片的控制電路設(shè)計；3. 調(diào)試驗證電路的正確性和功能

4、。四、 實驗?zāi)康姆治霾Ⅱ炞C基于集成PWM芯片TL494的PWM控制電路的基本功能，從而掌握PWM控制芯片的工作原理和外圍電路設(shè)計方法。五、 控制電路分析圖28-2給出了TL494控制芯片內(nèi)部電路的原理框圖，圖28-4為基于該芯片所搭建的PWM控制電路。1. 軟啟動功能設(shè)鋸齒波幅值為VCTm，則當(dāng)電路處于單路輸出狀態(tài)時，電路啟動過程如下： 根據(jù)圖28-2，電路啟動前，死區(qū)電壓比較器輸出高電平，G1、G2輸出低電平，S1、S2截止。電路啟動后，利用圖2中所示的繼電器將R21電阻斷開，5V 電源對電容C21進行充電使V4逐漸降低，當(dāng) 時，與鋸齒波存在交點，在交點上方有，此時比較器輸出低電平，G1，G

5、2輸出高電平，S1、S2導(dǎo)通，電路有脈沖輸出。隨著V4降低，的時間漸長，占空比變大，直至V4穩(wěn)定為止，此后占空比保持不變。圖28-3給出了軟啟動過程中的脈寬變化趨勢，從中還可以看出，輸出脈沖并非與V4的下降同時發(fā)生，而是需要經(jīng)過一段時間，至后才出現(xiàn)。圖28-2 PWM集成電路芯片TL494原理框圖當(dāng)V4穩(wěn)定后，由其幾何關(guān)系可以看出： 其中，V為V4的穩(wěn)定值。圖28-3 電路的軟啟動過程2. 穩(wěn)壓控制方式由圖28-2可知，電路啟動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，除V4外，占空比D還與PWM同相端電壓V3有關(guān)：圖中2號端口輸入電位Vg為定值，若接入1端口的反饋電壓Vf<Vg，則V3=VA,恒定不變；若Vf&

6、gt;Vg，則V3=K(Vf-Vg)，隨Vf的增大而增大。圖28-5給出了占空比D與V3、V4的關(guān)系，得：圖28-4 穩(wěn)壓控制下占空比D的計算 從公式（28-1）可知，V3越大，占空比D越小，從而使主電路中的輸出電壓減小，導(dǎo)致反饋電壓Vf減小，V3下降，D增大，如此往復(fù)，最終Vf、V3與D均穩(wěn)定在某個值上，其中Vf=Vg，V3=VA，。若VA=2.5V,則D=0.42。3. 限流控制和脈沖封鎖限流控制與脈沖鎖閉既有聯(lián)系，又有區(qū)別。從控制對象與目的上看，兩者檢測的均是反饋電流，當(dāng)其超過設(shè)定閾值時，通過使圖28-2中邏輯參數(shù)C=1，使G1、G2輸出低電平，S1、S2截止，從而關(guān)斷較大的反饋電流。從

7、控制手段上看，限流控制是通過芯片內(nèi)部的15，16端口，將反饋電流If與閾值電流IM進行比較，使，進而使圖28-1中PWM比較器的輸出低電平，C=1，實現(xiàn)停止輸出；而脈沖鎖閉則是通過在芯片外部布設(shè)如下圖28-6所示的電流檢測模塊，比較If與IM使得，圖28-1中死區(qū)電壓比較器輸出低電平，C=1，實現(xiàn)鎖閉輸出。另外，脈沖鎖閉功能在過流情況下，能通過二極管HL1或HL2的發(fā)光對操作者進行提示，而限流控制除了使輸出脈沖為零外，并無其他提示信號。圖28-5 電流檢測模塊的部分電路六、 實驗步驟1. 軟啟動選擇JP1=1&2,JP3=1&2,JP4=1&2；選擇JP2=5&

8、6，啟動電路，記錄Vg1與TP3的波形，再JP2=3&4、1&2分別觀察。2. 反饋電壓Vf對D的影響JP2=5&6，將可調(diào)直流電壓接到V1端，調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)電壓，觀察輸出脈寬并記錄；再JP2=3&4,1&2。3. 反饋電流If對D的影響JP2=5&6，將大電流接到I2端，TP2電位變化，觀察并記錄脈寬。4. JP2=5&6,I1接電壓源，觀察TP3與Vg1的變化，直至HL1發(fā)光。5. 死區(qū)電壓對脈寬的影響JP2=5&6，啟動電路，Vf=0，調(diào)節(jié)R24，觀察TP3和Vg1的變化，關(guān)閉電路。七、 實驗結(jié)果1. 軟啟動A 驗證鋸齒波的

9、產(chǎn)生，f=20kHz圖28-6 鋸齒波波形結(jié)果分析：實際得到的鋸齒波頻率為17.167kHz，幅值為2.9V，這與由公式 f=1.1/(RtCt)計算得到的結(jié)果f=1.11000pF*(13+51)k=17.188kHz很接近。B 改變JP2，啟動PWM控制電路，觀察TP3軟啟動波形（a）JP2=1&2,初始電壓4.4V，穩(wěn)態(tài)0.4V（b）JP2=3&4，初始電壓4.4V，穩(wěn)態(tài)1.0V（c） JP2=5&6，初始電壓4.4V，穩(wěn)態(tài)0.8V圖28-7 軟啟動波形結(jié)果分析：JP2處于不同位置，初始電壓和穩(wěn)態(tài)電壓不同，從圖中可以看到，啟動后芯片脈沖封鎖端4端的電位變化緩慢，從

10、最大逐漸降到最小。起初電壓大于鋸齒波幅值，芯片輸出驅(qū)動信號脈寬時間為0，之后脈寬時間逐漸變寬，到穩(wěn)態(tài)時4端電壓不為0，引起死區(qū)時間。驅(qū)動信號的這種變化有利于電力電子變換器的起動，防止較大的沖擊電流。2. 反饋電壓Vf對輸出脈寬的影響(實驗數(shù)據(jù))f=17.15kHz,Ts=58.31usD=tonTs表28-1 反饋電壓Vf對脈寬的影響TP1電位/V脈寬/us占空比D2.2150.32.4528.50.572.49380.77各電位對應(yīng)的波形為：TP1電壓為2.2VTP1電壓為2.45VTP1電壓為2.49V圖28-8反饋電壓Vf對脈寬的影響結(jié)果分析：從表28-1可以看到當(dāng)反饋電壓逐漸變大時，占

11、空比也逐漸變大，一直增大到1。3. 反饋電流If對D的影響由于實驗室沒有可調(diào)的電壓源，最終實驗沒有做成。但是實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)I2端輸入高電位即大電流時，發(fā)光二極管HL2亮，電路沒有脈沖輸出。 4.實驗現(xiàn)象：VI1=2.97VVTP3=V4=7.04vHL1亮 封鎖5.實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果鋸齒波頻率20.53kHZ，Ts=48.7us（注意由于輸出反相了，實驗測得脈寬應(yīng)為低電平寬度）以下為實驗得到部分不同死區(qū)電壓下的輸出波形截圖：電壓為V=2.27電壓為V=2.45圖28-9 不同死區(qū)電壓下的輸出波形結(jié)果分析：輸出脈寬隨死區(qū)電壓的升高變大，但是實際上占空比是減小的，因為芯片的輸出反相了。這驗證了死區(qū)電壓的

12、作用，即限制了最大占空比。八、實驗思考題1.如何驗證本實驗中PWM控制電路（TL494）具有穩(wěn)壓控制功能？答：本實驗中采用的控制芯片TL494中的穩(wěn)壓功能是通過反饋環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的，在實驗原理部分已經(jīng)進行了較為詳細(xì)的說明；當(dāng)然若要進行簡單的驗證，我們可以采用簡單的Buck電路，限定輸出Vo=50v，此時通過霍爾電壓傳感器采集輸出電壓信號，同時采用合適的采樣電阻（給定輸出電壓不同，則采樣電阻不同），并調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP1，使變換器輸出Vo=50v時，電壓誤差信號端輸入為零（即此時有效反饋為零，不影響輸出）。當(dāng)控制電路調(diào)節(jié)完成時，改變輸入電壓或負(fù)載大小，觀察輸出電壓變化（理論上由于反饋調(diào)節(jié)的存在，輸出電

13、壓不變或者變化很?。纯沈炞CPWM控制電路（TL494）具有穩(wěn)壓控制功能。2.如何驗證本實驗中PWM控制電路（TL494）具有的保護功能?答：PWM控制電路的保護功能由脈沖封鎖端實現(xiàn)，這一點在軟啟動過程中我們已經(jīng)看到：改變脈沖封鎖端口的電位，即可改變輸出脈沖信號的脈寬；若脈沖封鎖端電位由于外界因素的影響而被迫升高，使得V4+0.12>Vct，則輸出立即封鎖。利用這一點，我們?nèi)圆捎煤唵蔚腂uck電路進行驗證，用電流傳感器采樣主電路電流，選擇合適的采樣電阻（根據(jù)主電路極限電流的大小不同而不同），轉(zhuǎn)換成電壓信號，并反饋到脈沖封鎖端，一旦主電路電流超過允許極限電流，脈沖封鎖端電位便快速上升，使

14、輸出立即封鎖，保護主電路不致過流。3.舉例說明軟啟動的作用。答：軟啟動的作用在實驗原理部分、及實驗部分都進行了較為詳細(xì)的說明和觀察。作為應(yīng)用，以V-M直流電機調(diào)速系統(tǒng)為例（整流器作為供電電源），若電力電子變換器啟動時，突然開放脈寬，此時作為負(fù)載的直流電機會因此而導(dǎo)致脈動轉(zhuǎn)矩，這將導(dǎo)致電路出現(xiàn)過大電流而損壞電路元件；相反軟啟動，則可以使變換器的驅(qū)動脈寬從零平滑增長，使輸出電壓平滑變化，不會產(chǎn)生大的脈動轉(zhuǎn)矩和脈動電流，實現(xiàn)平滑啟動，同時是電路安全可靠穩(wěn)定的運行。4.說明限流運行時的PWM控制方式的變化。答：在電力電子PWM變換電路中，由于穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的關(guān)系，輸出脈沖可能長時間處在很寬的狀態(tài)下，此時雖然

15、電路電流為達(dá)到保護保護動作電流，但此時變換器的輸出功率可能已超過允許負(fù)荷，長時間超負(fù)荷運行會嚴(yán)重影響開關(guān)管壽命并導(dǎo)致電路故障，因此此時需對電流進行限制，使PWM由穩(wěn)壓控制方式轉(zhuǎn)換為限制電流的非穩(wěn)壓方式。此時從端口15（以TL494為例）輸入主電路變換器的允許極限電流，16端口接霍爾電流傳感器的實際電流檢測值，正常工作時，此時控制芯片仍工作在穩(wěn)壓方式，一旦，則電流比較器輸出端Y輸出高電位，使V3為高電位，則C=1，輸出立即封鎖。小結(jié)與結(jié)果分析通過這次實驗，我學(xué)習(xí)了PWM控制芯片使用，分析了控制電路圖（圖B01）的原理，在之前的僅對沖量等效原理有所理解的基礎(chǔ)上，對PWM控制原理有了進一步的認(rèn)識。我

16、們首先觀察了控制芯片的參考鋸齒波形，接著重點進行了PWM脈寬調(diào)節(jié)和軟啟動波形觀察，TL494控制芯片的脈沖封鎖功能，接著進行了死區(qū)時間測量。其中，在做軟起動波形觀察的過程中遇到了不少問題，總是找不到對電路板開關(guān)的時機，應(yīng)用示波器截取波形的速度也不夠快。在測量死區(qū)過程中，對死區(qū)的理解不夠，竟然把毛刺當(dāng)成了死區(qū)，查閱了電力電子書后才找到正確的做法，因此耽誤了許多時間。第一次實驗做的比較不順利，但收獲還是相當(dāng)豐富的，熟悉了試驗臺，實驗用電路板，也鍛煉了動手能力，復(fù)習(xí)了課上學(xué)的知識?？偨Y(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)就是做實驗之前一定要把實驗中要測的量的基本概念弄清楚，不要再出現(xiàn)當(dāng)場查書的情況，能做到這些，我想實驗是比較

17、容易的，做起來也會比較順利的。實驗二十九 DC/DC-PWM升壓、降壓變換電路性能研究一、實驗原理本實驗的原理比較簡單，即使利用實驗二十八中的PWM控制芯片產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動Buck（直流降壓）電路開關(guān)管，實現(xiàn)DC/DC 降壓變換。（1）Buck的開環(huán)特性，不加反饋環(huán)節(jié)，研究輸出與占空比、輸入電壓和負(fù)載的關(guān)系；（2）在此基礎(chǔ)上，添加反饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電壓反饋控制，固定占空比使最大（盡量拓寬電壓和負(fù)載的變化范圍），研究輸入電壓、負(fù)載變化時，輸出的變化情況；（3）完成實驗后，對開環(huán)特性和閉環(huán)特性進行比較，分析得出結(jié)論。二、實驗?zāi)康尿炞C、研究DC/DC-PWM降壓變換電路的工作原理和特性；在實驗二十八的

18、基礎(chǔ)上，進一步掌握PWM集成電路芯片的應(yīng)用、設(shè)計原則；了解電壓電流傳感器的選用原則；建立驅(qū)動電路的概念和要求；掌握反饋環(huán)節(jié)與濾波電路的概念和設(shè)計原則。三、實驗設(shè)計1.選擇Buck電路參數(shù)，搭建電路 輸入直流電壓為80-120V，輸出50V2.濾波器參數(shù)選取開關(guān)頻率f=10KHz80=<Vs<=100v則0.417=<D<=0.625臨界電流：IOBmin= 則：取L=10mH則，則即時，電流一定連續(xù)，取取紋波系數(shù)：則濾波電容：取3.傳感器設(shè)計 1）電流傳感器采樣電阻的計算：電流傳輸比：，選匝數(shù)n=5，同時假定PWM控制器的極限電流Im=2A（含紋波），則，則，剛好為內(nèi)置

19、電阻。2）電壓傳感器采樣電阻的計算：當(dāng)輸出電壓固定V0=50V時，霍爾傳感器的輸入電流為：，則由電壓傳感器的電流傳輸比：則輸出電壓：，除已內(nèi)置的300電阻外，需在霍爾電壓傳感器的輸出端口另串入300電阻。四、實驗步驟首先按照實驗28結(jié)論，檢查控制電路是否正常，核算穩(wěn)壓值、占空比和保護動作值;通過調(diào)整集成芯片上JP2=5&6所接電阻大小使得脈沖電壓的占空比發(fā)生變化，調(diào)整D=0.5。1. 開環(huán)實驗采用控制變量法，即：保持負(fù)載電阻大小不變，調(diào)控輸入的直流電壓值，觀測輸出電壓大小的變化；保持輸入的直流電壓值不變，變化負(fù)載電阻大小，觀測輸出電壓大小的變化。（1）空載（實際負(fù)載電阻值為250歐姆）

20、,占空比D=0.5，控制輸入電壓從80V變化至120V，觀察輸出電壓及輸出電流的變化。（2）輸入電壓恒為100V,占空比D=0.5，負(fù)載電阻從30歐姆變化至空載，觀察輸出電壓以及輸出電流的變化。2. 閉環(huán)實驗同樣也是采用控制變量法，將實驗的結(jié)果和開環(huán)實驗的結(jié)果進行比較。在做上一實驗的過程中發(fā)現(xiàn)參考電壓值V-實際上小于2.5V。當(dāng)接入主電路之后當(dāng)輸出電壓為額定值時，反饋至V+端的電壓總是大于參考電壓V-，因為之前是將V-當(dāng)作2.5V來設(shè)計的 。此時可再通過調(diào)整RP1的大小使V+=V-。（1）空載（實際負(fù)載電阻值為250歐姆）,占空比D=0.5，控制輸入電壓從80V變化至120V，觀察輸出電壓及輸

21、出電流的變化。（2）輸入電壓恒為100V,占空比D=0.5，負(fù)載電阻從30歐姆變化至空載，觀察輸出電壓以及輸出電流的變化。五、實驗結(jié)果 一、開環(huán)特性研究首先連接JP1的2&3端，使驅(qū)動信號頻率f=10KHz，連接JP2的5&6端，調(diào)節(jié)R24，即可改變占空比，調(diào)節(jié)占空比D=0.5。（1） 負(fù)載電阻不變（R=250），改變輸入電壓，記錄輸出電壓電流，結(jié)果如下表所示，變壓比M=輸出電壓輸入電壓；表29-1 開環(huán)特性負(fù)載不變、改變電壓的輸出輸入電壓/V輸出電壓/V輸入電流/A輸出電流/A變壓比M8042.90.110.20.549049.70.120.210.5510055.20.16

22、0.230.5511060.70.190.280.5512066.20.200.300.55(2)輸入電壓不變（保持100V），改變負(fù)載電阻，記錄輸出電壓電流，結(jié)果如表29-2；表29-2 開環(huán)特性電壓不變、改變負(fù)載的輸出負(fù)載R/輸出電壓/V輸入電流/A輸出電流/A變壓比M10057.80.110.190.57820060.60.10.180.30350067.60.090.110.1351000780.080.090.0781200810.070.080.06751700860.040.060.051190087.50.020.040.046 （3）保持負(fù)載和輸入電壓不變?yōu)?00V，改變占空

23、比，觀察電壓輸出。表29-3 開環(huán)特性負(fù)載不變、輸入電壓為100V，改變電壓的輸出占空比輸出電壓/V輸入電流/A0.2181.60.30.4164.30.20.555.20.160.6843.10.10.833.40.08圖形如下：D=0.21D=0.41 D=0.5D=0.68D=0.80圖29-1 不同占空比下的波形 實驗分析與結(jié)論：本實驗選取占空比的方法是先令空載（實際負(fù)載電阻值為250歐姆），輸入電壓為100V,調(diào)整JP2所接電阻大小使得脈沖電壓的占空比發(fā)生變化，當(dāng)輸出電壓為50V時認(rèn)為此時對應(yīng)的占空比為0.5。在之后調(diào)整電路的實驗中不改變JP2所接電阻的大小。負(fù)載增大時，輸出電流增大

24、，由于存在輸出電阻使得輸出電阻分壓增大，負(fù)載端電壓下降。并且負(fù)載過小時，電流過小，出現(xiàn)斷流情況，這是變壓比明顯升高，如表29-2最后一列?？梢姰?dāng)電路開環(huán)運行時，當(dāng)輸入電壓的大小以及輸出負(fù)載的大小變化時，輸出電壓的大小并不能保持恒定。六、 實驗思考題1.BUCK電路中的電感電流連續(xù)與否會有什么影響？哪些參數(shù)會影響電流連續(xù)？實驗如何保證電流連續(xù)？答：是。由于電感斷流后，續(xù)流二極管不導(dǎo)電，其陰極電位不再等于0而等于，因而提高了輸出電壓平均值。臨界負(fù)載電流與輸出電壓、電感L、開關(guān)頻率fs以及開關(guān)管的D占空比都有關(guān)。實驗室中電感很大時，臨界電流很小，就很容易使電流連續(xù)2.BOOST電路中，為什么D不能等

25、于1？實驗中如何保證D不等于1？答：在每一個開關(guān)周期中，電感L都有一個儲能和能量通過二極管D的釋放過程，也就是說必有能量送到負(fù)載端。因此，如果該變換器沒有接負(fù)載，則不斷增加的電感儲能不能消耗掉，必會使Vo不斷升高，最后使變換器損壞。實際工作中，為了防止輸出電壓過高，Boost電路不宜在占空比D接近于1的情況下工作。利用死區(qū)時間可以使得D不接近13.兩種電路中L和C的設(shè)計應(yīng)滿足什么原則？答：（1）脈動電壓值控制在1%以內(nèi)。根據(jù)脈動電壓公式：Buck Boost 其中：fs為開關(guān)頻率，根據(jù)電路實際運行的參可以推得Buck中LC的最小值或Boost中電容的最小值。（2）從斷流考慮。在正常運行范圍內(nèi)保

26、證不出現(xiàn)斷流的情況。臨界負(fù)載電流為： Buck Boost 根據(jù)運行時的具體情況可以得求Buck中電感L最小值，最后再求出電容的最小值或Boost中電感的最小值。 4.實驗電路中，開關(guān)管的驅(qū)動電路的要求有哪些？答：本實驗電路的開關(guān)管為三極管。驅(qū)動電路的要求為：（1）控制電路和驅(qū)動電路之間要有良好的電氣隔離，使得主電路的高電壓大電流不會對控制電路產(chǎn)生電磁干擾。（2）開通時有較高的強觸發(fā)，以減短開通時間。（3）開通后基極電流要適當(dāng)減小，以減小通態(tài)時基射結(jié)損耗，同時使得三極管不至于過飽和導(dǎo)通。（4）關(guān)斷時施加反向脈沖電流，縮短關(guān)斷時間。（5）斷態(tài)時最好施加反向基射電流，增加晶體管阻斷電壓的能力。5.

27、 實驗電路中，傳感器選取有哪些原則？ 答：（1）根據(jù)實驗要求選擇合適的傳感器，例如本實驗選取霍爾傳感器是因為該類型傳感器精度高、原邊與副邊完全隔離、動態(tài)性能好、可靠性高以及抗電磁干擾能力強。（2）選取的傳感器的量程應(yīng)大于被測量，但不能過大。（3）傳感器的精度應(yīng)該滿足要求。（4）當(dāng)傳感器用于反饋時還需要考慮傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能。小結(jié)與結(jié)果分析由于總結(jié)了上次實驗的教訓(xùn)，實驗前我們對buck電路做了細(xì)致的研究，所以這次實驗做得比較順利。在開環(huán)實驗中，我們應(yīng)用控制變量法，測量了保持負(fù)載電阻大小不變，調(diào)控輸入的直流電壓值，觀測輸出電壓大小的變化；保持輸入的直流電壓值不變，變化負(fù)載電阻大小，觀測輸出電壓大

28、小的變化，隨著負(fù)載電阻的變大，輸出電流不斷變小以致斷流，這樣使輸出電壓不斷變大，而不再符合電流連續(xù)時的，而是，因此實驗結(jié)果是與理論相符合的。而輸出電壓與占空比及輸入電壓的變化，則基本符合，只是存在誤差而已。實驗三十 三相橋式相控整流電路性能的研究一、實驗任務(wù)1. 了解相控整流的基本原理，掌握不同性質(zhì)負(fù)載時三相橋式相控整流電路輸出直流電壓的控制特性。2觀察輸出直流和輸入交流的波形。二、實驗?zāi)康?了解晶閘管相控集成觸發(fā)電路的功能和觸發(fā)脈沖信號的移相調(diào)控方法；2掌握三相橋式相控整流電路輸出直流電壓的控制特性；3觀察電阻負(fù)載、電感性負(fù)載時輸出直流電壓及輸入交流電流波形。三、實驗方案設(shè)計圖30-1 三相

29、全橋相控整流主電路（1） 輸入電流瞬時值，可以在A相電源引線上傳入霍爾傳感器；（2） 輸出直流電壓的大小，可以在負(fù)載側(cè)直接使用示波器測量（衰減10倍）；（3） 霍爾電流傳感器的設(shè)計 霍爾傳感器主要用于測量輸入電流大小。為了提高測量的靈敏度，可以選擇“5匝”端使得靈敏度變?yōu)?倍。同時在二次側(cè)傳入300歐姆電阻。此時傳感器變比為1A/1.5V。四、實驗步驟與結(jié)果1.純阻性負(fù)載由輸入電壓：輸出功率：Pmax100W ，取則輸出電壓最大值：由 則滿載時取R=50，輕載時取R=100，分別記錄輸入電流和輸出電壓波形。輸出理論值計算： （） （） 1） 純阻性負(fù)載R=50（），調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電

30、壓變化（滿載，Vl=30v），見表30-1;表30-1純阻性負(fù)載R=50（）輸出/度0306090120理論值VD/V40.535.120.255.40實際值VD/V40321850（a）輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）（b）輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）(c) 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）(d)輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）圖30-2 純阻性負(fù)載R=50（）輸出2） 純阻性負(fù)載R=100（），調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電壓變化（滿載，Vl=30V），見表30-2和圖30-3；表30-2 純阻性負(fù)載R=100（）/度0306090

31、120理論值VD/V40.535.120.255.40實際值VD/V41341950輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）圖30-3 純阻性負(fù)載R=100（）的輸出2.阻感性負(fù)載 的范圍為，電感足夠大時，輸出電流可以忽略脈動，看做恒定電流 ,則滿載時，則取L=66.5mH調(diào)節(jié)的大小，觀察并記錄輸出電壓變化，見表30-3和圖30-4；表30-3 阻感性負(fù)載不同相控角的輸出電壓0306090理論值/V40.535.120.280實際值/V3935.419

32、.50 (a.1)阻感性負(fù)載 輸出電壓波形（a.2）輸入電流波形(b.1）阻感性負(fù)載 輸出電壓波形(b.2）阻感性負(fù)載 輸入電流波形（c.1）阻感性負(fù)載 輸出電壓波形（c.2）阻感性負(fù)載 輸入電流波形(d.1)阻感性負(fù)載 輸出電壓波形(d.2)阻感性負(fù)載輸入電流波形（輸入為零）圖30-4 阻感性負(fù)載的輸出3.濾波器設(shè)計確定濾波電容：最低次諧波頻率為6f=300Hz，由，取取C=5。因此取R=50，L=66.5mH，C=5，Vl=30V； 圖30-5 隨機截取濾波后輸出波形（上圖為輸出電壓，下圖為輸出電流）五、實驗思考題1.記錄相控整流的功率因數(shù)應(yīng)該觀察哪些因素（數(shù)據(jù)或波形）?如何觀察？答：當(dāng)負(fù)

33、載電感足夠大時，輸出電流可以忽略脈動，此時單相（例如a相）輸入電壓波形與該相輸入電流波形（近似為交變矩形波）間存在相位差；由于單相電流中含有豐富的諧波成分，從波形相位上我們只能觀測到電源基波功率因數(shù)，且基波功率因數(shù)角等于相位控制角，即，而電源的功率因數(shù)，由此可見相控角越大，則電源功率因數(shù)越低。2.影響相控整流電路功率因數(shù)的原因有哪些？如何提高功率因數(shù)？答：影響相控整流功率因數(shù)的原因主要有兩個方面：首先相控整流的輸出電壓隨著相控角的增大而脈動加大，輸出電壓是周期性的非正弦電壓，其中還有十分豐富的諧波形成分，尤其是較低此諧波幅值比較高，這使電源電壓產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變；其次相控整流還會帶來移相問題，其中

34、基波電源功率因數(shù)等于相控角，同時輸入電流中亦存在著豐富的諧波成分，這兩個方面的因素，使電源功率因數(shù)隨著移相角的增大而迅速減小，特別是深控時，電源利用率極低，這是相控整流的一大缺點。至于如何提高功率因數(shù)，當(dāng)然就要從以上兩個方面著手考慮。為改善輸入電源電壓波形，可以選擇合適的輸入濾波器，使輸入電源波形盡量接近正弦波；為減小移相角的影響，可以盡量使變換器工作在相控角較小的狀態(tài)下，避免深控的發(fā)生。3.相控整流電路濾波器設(shè)計的原則有哪些？答：濾波器的設(shè)計不外乎考慮一下幾點：對本實驗，輸出濾波器首先應(yīng)使負(fù)載上的單次諧波電壓和總諧波電壓降低到允許的范圍內(nèi)，使輸出電壓電流的紋波系數(shù)限制到一定的范圍之內(nèi)；而輸入

35、濾波器則要使電源中的單次諧波電流和總諧波電流降低到允許的范圍內(nèi)，同時使電源電壓波形正弦化，提高電源的功率因數(shù)，這些是基本原則。除此之外，也要遵循一些基本的設(shè)計原則，例如輸出濾波器中的電容不能過分增加開關(guān)器件的電流，而輸出濾波器的電容則應(yīng)不過分增大電源電流為原則，即輸入輸出電容都不應(yīng)過大。另外濾波器電抗也不應(yīng)過大，以使負(fù)載變化時，負(fù)載電壓和輸入電源電壓不變化過大。再者濾波器的容量不要過大，同時要考慮成本、體積和重量。4.相控整流電路的穩(wěn)壓控制需要考慮哪些問題？答：相控整流的穩(wěn)壓控制也應(yīng)該有輸出電壓發(fā)饋實現(xiàn)，結(jié)合實驗二十九不難發(fā)現(xiàn)，我們可以用電壓傳感器采集輸出電壓信號，并進行反饋控制開關(guān)管驅(qū)動信號

36、，構(gòu)成閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。但和前面試驗不同的是，這里改變驅(qū)動信號控制的對象不再是開關(guān)管的導(dǎo)通脈寬寬度，而是相控角。此時可以用單片機構(gòu)成微機控制電路，接收來及傳感器的檢測信號，與給定信號比較，是輸出整流電壓維持在需要值。在進行穩(wěn)壓控制時首先應(yīng)考慮的問題就是電源的利用率問題，這是因為：由于穩(wěn)壓設(shè)定值的不合理，可能會造成自動反饋環(huán)節(jié)使相控角過大而是變換器進入深控狀態(tài)，電源功率因數(shù)急速下降，電源利用率極低。這是穩(wěn)壓控制要首先考慮的。而在阻感性負(fù)載時，還要考慮反饋調(diào)節(jié)對相控角的自動控制不能使相控角過大（當(dāng)處于有源逆變工作狀態(tài)時，相控角接近180度），否則可能會造成換相失敗，以致造成變換器失控，產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致

37、故障和損壞等嚴(yán)重后果。因此必須注意！小結(jié)與結(jié)果分析通過這次實驗我對第五章學(xué)習(xí)的三相相空整流電路有了進一步的理解，對純阻性負(fù)載，阻感性負(fù)載在不同相控角下的波形也進一步加深了印象。實驗前，我們小組對相控整流的波形的形成做了認(rèn)真推導(dǎo)和描繪，做起實驗來，比較順利。實驗過程中也遇到了不少困難，首先，對實驗臺不熟悉導(dǎo)致接線頻頻出錯，在調(diào)整相控角時，很難把相控角調(diào)到合適的位置，這造成了最終波形的誤差。在濾波器設(shè)計時我們選取了較大平波電抗器，同時為有效濾除輸出電壓中的高次諧波，我們根據(jù)濾波器自身諧振頻率要遠(yuǎn)小于最低次諧波頻率的原則，選取了合適的電容參數(shù)，同時選擇R=50，進行了實驗，輸出波形濾波的效果較為明顯

38、，輸出電壓基本為直流電壓，但是有比較大的毛刺，還是不夠完美。這次實驗最大的體會是，想把實驗波形做到像理論值一樣是幾乎不肯能的，實驗設(shè)計和具體操作也是有很大差別的。但是盡管如此，我們也不能為了做實驗而做實驗，不能一味的去追求理論波形，因為真正的實驗是不知道結(jié)果的。我們要把實驗實際的波形真實的反映出來，認(rèn)真的分析誤差，不斷的總結(jié)，在以后實驗中克服這些困難，完善自己的實驗。實驗三十一 DC/AC 單相橋式SPWM逆變電路性能研究一、實驗原理及思路正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）的基本工作原理是脈沖等效原理:大小、波形不同的窄脈沖變量，只要它們的沖量，即變量對時間的積分相等，其作用效果相同。在正弦脈沖寬度

39、調(diào)制中，使各個等幅不等寬的脈沖電壓在每個脈波周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化，則逆變電路輸出的多脈波電壓與正弦電壓等效。本實驗采用單極倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制，將正弦參考電壓波和高頻三角載波送入驅(qū)動信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生驅(qū)動信號。本實驗中采用單相半橋逆變電路進行實驗研究，實驗?zāi)康氖且ㄟ^實驗進一步認(rèn)識正弦脈沖寬度調(diào)制的輸出電壓信號同輸入電壓、調(diào)制比及正弦參考電壓頻率的關(guān)系。實驗電路的主接線十分的簡單。此外還要設(shè)計該逆變電路的過壓和過流保護電路（主體箱內(nèi)布置），在主電路兩個半橋臂上各自串入一個電流傳感器，將檢測到的每個橋臂的電流施加到過流電路保護電路端口，并與限定值比較，實現(xiàn)電路過流保護。二、實驗?zāi)繕?biāo)1. 驗證SP

40、WM逆變電路的基本工作原理，進一步掌握SPWM驅(qū)動信號形成電路的設(shè)計方法。2. 掌握逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制方法。3. 濾波器設(shè)計。三、實驗設(shè)備1電力電子綜合實驗裝置及控制電路實驗板、傳感器模塊、供電電源、控制電源、各種功率和參數(shù)的電感、電容、電阻2.數(shù)字式示波器3.面包板和若干元器件實驗要求指標(biāo)：輸入直流電壓： 100V輸入功率： 100W四、實驗參數(shù)計算1）濾波器設(shè)計：當(dāng) ，調(diào)制比N=100，最低次諧波次數(shù)為（2N-1）=199， 取最低次次數(shù)為200， 則濾波器的諧振頻率，可取L=66mH，C=0.33uF，此時f=1.08KHz； 當(dāng)然為獲得更好的濾波效果，可采用更大的電感和電

41、容參數(shù)。五、 實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)記錄：1） 首先進行參考信號與驅(qū)動信號死區(qū)時間的的測量：（a）參考正弦波 頻率52.03Hz 峰峰值5.16v(b)高頻三角波 峰峰值7.44V 頻率5.01kHz(c)死區(qū)時間圖31-1 參考信號和死區(qū)時間測量波形2） 固定直流輸入電壓Vd=75V，Vc=7.44，改變Vr（即改變調(diào)制比M），記錄輸出電壓大小及波形(見表31-1)；表31-1 改變正弦波幅值輸出4.14.65.556.5理論值/V20.6623.17527.97532.8實際值/V2125.62932.8調(diào)制比M0.5510.6180.7460.874Vr=4.1Vr=4.6Vr=5.55Vr=6

42、.5圖31-2 改變正弦波電壓輸出電壓波形3） 固定調(diào)制比M=1（Vc=7.2V，Vr=7.2V），改變輸入電壓，記錄輸出電壓峰值大小及波形（見表31-2）；表31-2 固定M、變輸入電壓的輸出電壓最大值Vd/V20406072.5理論值/V10203036.25實際值/V10.423.621.238.2圖形的趨勢是一樣的，就記錄了一個圖：圖31-3 固定M、變輸入電壓的輸出電壓波形4） 固定調(diào)制比M=1（Vc=7.2v，Vr=7.2v），輸入電壓Vd=50v，改變（即改變載波比），記錄輸出電壓大小及波形（見表31-3和圖31-4）；表31-3 改變載波比后輸出電壓頻率fr/Hz506080f

43、0/Hz50.159.9580.5fr=50Hzfr=60Hzfr=80Hz圖31-4 參考正弦波頻率時的輸出波形結(jié)果分析：（1）從步驟1）的結(jié)果可以看到芯片工作正常，并且有死區(qū)時間； (2)步驟2）的結(jié)果很理想，輸出電壓幅值隨正弦波幅值變大而變大，兩者在誤差范圍內(nèi)成正比； （3）步驟3）的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是正常的，固定M=1,輸出電壓基本等于輸入電壓，這說明實驗驗證了理論； （4）步驟4）說明載波比對輸出電壓頻率的影響，表31-3結(jié)果表明輸出電壓頻率基本等于調(diào)制波頻率。 （5）這次實驗的濾波器設(shè)計還有很多不足，實驗后波形正弦化并不好，還需要進一步完善。 以上四個步驟從不同方面驗證SPWM技術(shù)

44、的規(guī)律，并且得到很好的驗證，盡管實驗結(jié)果存在著較大的誤差，但這是由實驗條件的限制而產(chǎn)生的，總體看來我們的實驗?zāi)繕?biāo)還是達(dá)到了，盡管與理論上存在差距，但我們通知實驗掌握了真正的東西，即SPWM的工作原理和控制方法，對輸入輸出及參考信號之間的關(guān)系都有了更深刻的理解和把握，結(jié)果不是最重要的，最重要的是我們是否能把實驗所得到的東西應(yīng)用到新的場合和領(lǐng)域中去，這才是實驗和一切學(xué)習(xí)的最終目的。小建議：為減小實驗誤差，應(yīng)使高頻三角載波的頻率也可調(diào)，調(diào)高三角載波頻率，可使載波比進一步增大，進而減小實驗理論上的計算誤差，增強與實驗結(jié)果的可對比性。五、 實驗思考題1. 為什么單相半橋逆變電路的過流保護檢測要比單相全橋和三相橋逆變電路多用一個電流傳感器？答：這是因為在單相全橋和三相全橋中，無論是單管過流或橋臂直通，直流輸入側(cè)的電流傳感器均可檢測到過電流，通過控制電路的保護檢測電路后發(fā)出保護信號，關(guān)斷所有開關(guān)管；而單相半橋電路如果僅在橋式電路的直流輸入的一個端子（正端或者負(fù)端）串聯(lián)一個電流傳感器，則只能檢測半個周期內(nèi)一個開關(guān)管的過流狀態(tài)，不能完全反映整個橋臂開關(guān)元件