3份華中科技大學電力電子學基本實驗報告.docx

電氣學科大類級信號與控制綜合實驗課程電力電子基本實驗實 驗 報 告姓 名 ： 學號： 專業(yè)班號： 指導教師 ： 日 期 ： 實驗成績： 評閱人： 目 錄本實驗報告的主要內(nèi)容有：（一）正文部分實驗二十八：PWM信號的生成和PWM的控制實現(xiàn)實驗二十九：DC/DC PWM升壓、降壓變換電路性能研究實驗三十：三相橋式相控整流電路性能研究實驗三十一：DC/AC 單相橋式SPWM逆變電路性能研究實驗總結(jié)與自我評價（二） 關于團隊分工的說明（三） 致謝（四） 參考文獻（一）正文部分 實驗二十八：PWM信號的生成和PWM的控制實現(xiàn)一、 實驗原理及思路：在本實驗當中，必須首先搞清楚PWM控制的基本原理：將寬度變化而頻率不變的的脈沖作為電力電子變換器電路中的開關管驅(qū)動信號，控制開關管的適時、適式的通斷；而脈沖寬度的變化與變換器的輸出反饋有著密切的聯(lián)系，當輸出變化時，通過輸出反饋調(diào)節(jié)開關管脈沖驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的寬度，進而改變開關管在每個周期中的導通時間，以此來抵消輸出電壓的變化，從而滿足電能變換的需要。本實驗中采用實驗室中已有的PWM控制芯片TL494來完成實驗，當然在進行具體的PWM控制之前，我們必須要詳細的了解和認識該控制芯片的工作原理和方式，如何輸出？輸出地雙路信號存在怎樣的關系？參考信號是如何形成的？反饋信號是如何加載到控制芯片上，同時又是如何以此反饋信號來完成輸出反饋的？另外我們也必須了解和認識到對不同開關管進行驅(qū)動時，為保證開關管的完全可關斷，保證電路的正常可靠工作，死區(qū)時間的控制方式。最后我們也要了解為防止電力電子變換器在突然啟動時，若開放較寬脈沖而帶來的較大沖擊電流的影響（和會給整個電路帶來許多不利影響），控制芯片要采用“軟啟動”的方式，這也是本實驗中認識的一個重點。二、確定實驗目標：1. 掌握PWM控制芯片TL494的工作原理。2. 掌握控制電路的調(diào)試方法和工作方式。三、實驗設備： 1.PWM控制芯片TL494，外圍電路元件；控制電源 2.具有PWM芯片及外圍電路的實驗板。四、實驗內(nèi)容及方案設計：本實驗采用單路輸出，將端口13接地。1 PWM脈寬調(diào)節(jié)：軟啟動后，在V1端口施加電壓作為反饋信號Vf，給定信號Vg=2.5v，改變V1端口電壓大小，即可改變V3,從而改變輸出信號的脈寬。V3越大，K越大，C=J+K越大，脈寬越?。环粗}寬越大。記錄不同V1下的輸出波形并與預計實驗結(jié)果比較。2 軟啟動波形：為防止變換器啟動時較大的沖擊電流，控制芯片TL494和其他控制芯片相似也采用了軟啟動。在啟動時，為防止變換器沖擊電流的出現(xiàn)，驅(qū)動脈寬應從零開始增大，逐漸變寬到工作所需寬度。本實驗中此功能由脈沖封鎖端口電位的逐漸開放來實現(xiàn)，電位又打逐漸變小，便可實現(xiàn)軟啟動。為對控制芯片的該控制過程有更明確和清晰的認識，我們可以觀察芯片啟動過程中“啟動和保護端口4”（TP3）的電壓波形變化并與實驗前預測進行比較。3 觀察TL494控制芯片的脈沖封鎖功能：本實驗中脈沖封鎖很容易實現(xiàn)，可以通過增大V4電位實現(xiàn)，進行簡單的觀察，可以通過改變JP2接法增大V4電位，使得V4+0.12Vct，則輸出立即封鎖。4 死區(qū)時間測量：使反饋電壓為零，即V3=0，則K=0，調(diào)節(jié)V4電位，觀察并記錄PWM輸出波形，并測量死區(qū)時間。5 觀察PWM控制芯片TL494的過流保護功能：通過在I1和I2端口施加可變電壓，觀察封鎖時間（相關封鎖指示燈亮，輸出變?yōu)榱悖⒂涗浄怄i時的施加電壓，認識芯片TL494的限流保護功能。VI1=2.97vVTP3=V4=7.04vHL2亮 封鎖VI2=11.08vVTP3=V4=7.04vHL1亮 封鎖五、實驗結(jié)果及相關波形：控制芯片TL494的參考鋸齒波Vct施加電壓V1=2.4V時的輸出驅(qū)動信號施加電壓V1=2.42V時的輸出驅(qū)動信號 施加電壓V1=2.44V時的輸出驅(qū)動信號 施加電壓V1=2.46V時的輸出驅(qū)動信號 軟啟動時端口4波形變化曲線 死區(qū)時間測量六、實驗思考題：（王浩鵬）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)進行了較為詳細的說明；當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）。當控制電路調(diào)節(jié)完成時，改變輸入電壓或負載大小，觀察輸出電壓變化（理論上由于反饋調(diào)節(jié)的存在，輸出電壓不變或者變化很小），即可驗證PWM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+0.12Vct，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的說明和觀察。作為應用，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，此時作為負載的直流電機會因此而導致脈動轉(zhuǎn)矩，這將導致電路出現(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)的關系，輸出脈沖可能長時間處在很寬的狀態(tài)下，此時雖然電路電流為達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荷，長時間超負荷運行會嚴重影響開關管壽命并導致電路故障，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（王浩鵬）本實驗基本任務和目標掌握PWM的控制原理，并且重點學習和認識典型PWM控制芯片TL494；因為PWM控制芯片是進行反饋控制的重點，只有認識和掌握PWM芯片的基本工作原理和結(jié)構才能為后續(xù)實驗的順利進行打下很好的基礎。為此我們從控制芯片的基本結(jié)構入手，首先搞懂電路圖，只有這樣才會使實驗有的放矢。針對芯片結(jié)構和幾個基本的部分，為了從實驗中驗證已有的理論認識，并進行必要的比較。我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，最后觀察PWM控制芯片TL494的過流保護功能。在實驗過程中，由于剛開始對實驗電路板不夠熟悉，出現(xiàn)了很多的錯誤和漏洞，有時甚至不明確該如何測量及要測量哪些量和波形，為此在小組成員和其他同學之間進行了很多的交流和討論，有了更多的認識；實驗完成了，但剛開始的時候并沒有覺得有了多大的收獲，真正的收獲是來自于實驗的總結(jié)和不斷思考。在不斷地實驗中，我漸漸意識到，進行試驗最重要的不是實驗結(jié)果，而是為什么進行實驗和這樣實驗能帶來什么，能使我有怎樣的收獲。因為第一次實驗的感受是即便你得到了好的實驗結(jié)果，但不明確目標和實驗目的，做完實驗后仍可能一無所獲，我想能認識到這一點，是我第一次電子實驗的一個重要的思想進步?；氐綄嶒炆蟻恚M管第一次的實驗準備不十分充分，實驗也在簡單的追求實驗結(jié)果中迅速結(jié)束，但通過總結(jié)，我認為自己還是達到了實驗目標了的。通過對控制芯片各項功能部件功能的理論分析和實驗實踐，對整個芯片的功能有了一個較為清晰的認識，掌握了芯片的功能合共工作原理，達到了實驗目標。在小組成員中，我主要負責理論部分的研究，在第一次實驗中因理論準備不足，我們的實踐操作遇到了很多的麻煩，這是我的責任，我必須吸取教訓，繼續(xù)努力。對實驗結(jié)果進行一個簡單的分析，由于本實驗是一個認識性試驗，因此不存在理論誤差的問題，只有理論認識與實驗結(jié)果的差距，從實驗結(jié)果上看，實驗結(jié)果和理論認識基本吻合，小的偏差是由于認識上的不足造成的。例如在脈寬調(diào)節(jié)輸出中，隨著施加反饋電壓的增大，占空比應該減小，但輸出電波形中則顯示變大，這說明在控制芯片輸出中有反向環(huán)節(jié)，是視覺上的顛倒造成的的，不是根本性的錯誤。當然本實驗的最終目的不僅僅局限于認識PWM控制芯片，而在于能夠根據(jù)對PWM輸出驅(qū)動電路結(jié)構的要求，能夠自己獨立完成PWM芯片的原理和結(jié)構設計，這才是本實驗的終極目的。對于這一點個人覺得自己在理論上和實踐上都還存在上很大差距，需要繼續(xù)學習。實驗二十九：DC/DC PWM升壓、降壓變換電路性能研究一、實驗原理和思路：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）電路開關管，實現(xiàn)DC/DC 降壓變換。為較為詳細的了解和認識Buck電路的性能，我們首先進行的是，Buck的開環(huán)特性，不加反饋環(huán)節(jié)，研究輸出與占空比、輸入電壓和負載的關系；在此基礎上，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（盡量拓寬電壓和負載的變化范圍），研究輸入電壓、負載變化時，輸出的變化情況。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、確定實驗目標：1驗證并研究DC/DC PWM降壓變換電路的工作原理和特性。2. 在實驗28的基礎上，進一步掌握PWM集成電路芯片的應用和設計原則。3.了解電壓/電流傳感器的選用原則及如何確定采樣電阻。4.掌握反饋環(huán)節(jié)與濾波電路的設計。三、實驗設備：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：降壓試驗輸入電壓：100v+20%；輸出50v輸出功率：100w四、實驗內(nèi)容及方案設計：1.研究降壓變換器的開環(huán)特性（電路圖）2.研究降壓變換器的閉環(huán)特性（電路圖）3.反饋環(huán)節(jié)及濾波器的設計五、參數(shù)計算：1.電感和濾波電容的計算：選取開關頻率f=10KHz80=Vs=100v則0.417=D=0.625臨界電流：Iob= 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2.傳感器采樣電阻的計算：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)置電阻。2）電壓傳感器采樣電阻的計算：當輸出電壓固定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：，則，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。六、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)記錄：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 1. 研究降壓變換器（Buck電路）的開環(huán)特性：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。1）改變占空比，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比M（Vs=100v R=250）占空比D0.10.20.30.4理論值V0/V90807060實際值V0/V91.182.173.7963.7V0/V1.12.13.793.7I0/A0.480.440.390.34M=V0/Vs0.9110.8210.73790.6372）改變輸入電壓，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比M （D=0.44 R=250）輸入電壓Vi8090100110120理論值V0/V4550.45661.667.2實際值V0/V47.5653.7859.4864.9670.88V0/V2.563.383.483.363.68I0/A0.270.30.330.370.41M=V0/Vs0.56250.59760.59480.59050.59073）改變負載大小，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比M （Vs=100v D=0.44）負載R1002003004005006008001000理論值V0/V5656565656565656實際值V0/V54.3657.2759.1360.3761.5162.3363.9765.37V0/V-1.641.273.134.375.516.337.979.37I0/A0.510.290.20.150.10.10.080.06M=V0/Vs0.54360.57270.59130.60370.61510.62330.63970.65372.研究降壓變換器（Buck電路）的閉環(huán)特性： 在閉環(huán)實驗中，TL494的閉環(huán)輸入電壓是經(jīng)過霍爾電壓傳感器檢測采樣后的輸出值，通過調(diào)節(jié)RP1，使RP1=80，同時調(diào)節(jié)R24，使PWM輸出脈寬最寬，并將霍爾電壓傳感器輸出端串接300采樣電阻。1） 改變輸入電壓，測量輸出電壓，并計算變壓比M （R=250）輸入電壓Vi1201101009080理論值V0/V5050505050實際值V0/V50.3450.2550.2150.1149.99V0/V0.340.250.210.11-0.01M=V0/Vs0.41950.45680.50210.5570.625實驗中應注意Vi不能太小，否則容易產(chǎn)生斷流。2） 改變負載，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比M （Vs=100v）負載R50100200250理論值V0/V50505050實際值V0/V50.550.1550.4649.89V0/V0.50.150.46-0.11I0/A0.920.50.250M=V0/Vs0.5050.50150.50460.4989實驗中應注意負載R不能太大，否則容易產(chǎn)生斷流。七、 實驗思考題：（王浩鵬）1. Buck電路中電感電流連續(xù)與否會有什么影響？哪些參數(shù)會影響電流連續(xù)？實驗中如何保證電流連續(xù)？答：1）電流是否連續(xù)當然會對實驗帶來影響，電流連續(xù)時輸出與輸入電壓之間存在簡單的線性關系，這使對輸出特性的研究易于把握，同時也更便于對該電路的應用。一旦電流不連續(xù)，（D1對應從開關管截止到續(xù)流二極管斷流所對應的時間比值），由于斷流時間無法準確把握，同時這也使得輸入輸出關系無法準確把握，給研究和應用帶來了問題和麻煩，因此正常情況下，我們都應使電路工作于電流連續(xù)區(qū)。2）影響電流連續(xù)的因素很多，主要有輸出電壓、負載、開關頻率、占空比和平波電感。3）實驗中我們采用較大的平波電感和適當?shù)呢撦d，保證最小負載電流大于電路的臨界連續(xù)電流。2. Boost電路中，為什么D不能等于1？實驗中如何保證D不等于1？答：這是因為在升壓變換中，輸出電壓，輸出電壓與占空比成正比，當占空比趨近于1時，必然會使得輸出趨于無窮大，這會造成輸出畸變，同時也無法得到理想的實驗結(jié)果，也是沒有必要的。從實驗設備安全性上看，這是需要極力避免的。3兩種電路中的L和C的設計應滿足什么原則?答：在確定電路參數(shù)L和C時，需要考慮兩個問題：首先是電流的斷流問題，為保證變換器在整個工作過程中都工作在電流連續(xù)區(qū)，必須首先選取合適的平波電感，使最小負載電流大于臨界連續(xù)電流；其次為限制負載電流的紋波系數(shù)在一定的范圍之內(nèi)，必須在選擇合適電感的基礎之上選擇合適的濾波電容。4.實驗電路中，開關管的驅(qū)動電路的要求有哪些？答：首先要能夠產(chǎn)生適時、適式的可靠驅(qū)動信號，保證開關管的正常開通和關斷，實現(xiàn)變換器的正常功能；其次要有靈敏的電壓反饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)可靠的閉環(huán)穩(wěn)壓輸出；另外要有電流限制功能，在主電路伏在功率過大時，有效實現(xiàn)電流封鎖；再者要有良好的軟啟動功能，使變換器啟動時不會給主電路帶來大的沖擊電流；最后應具有負載過壓保護環(huán)節(jié)（可利用脈沖封鎖實現(xiàn)）。5.實驗電路中，傳感器選取原則有哪些？答：傳感器的選擇，應首先具備較好的靈敏度，能夠靈敏檢測主電路電流的微小變化；其次要有合適的電流傳輸比，這樣便可以將主電路電流恰當?shù)剞D(zhuǎn)化為二次電流并反饋到PWM電流檢測端，與主電路相應極限電流設定值比較，進而能夠及時發(fā)現(xiàn)過電流；在此要有較大的電流和電壓容量，防止因檢測電壓或電流過大而造成自身的損壞。 小結(jié)與結(jié)果分析（王浩鵬） 本實驗的基本實驗目標是研究并掌握Buck降壓電路開環(huán)特性，閉環(huán)特性，進行比較，進而得出令人滿意的結(jié)論。 本實驗從掌握基本的實驗電路入手，熟練掌握電路的功能和工作過程，在開環(huán)控制中只有簡單的驅(qū)動控制，而在閉環(huán)環(huán)節(jié)中則要添加輸出電壓反饋環(huán)節(jié)，且在進行每個實驗環(huán)節(jié)的同時，必須要有電流控制環(huán)節(jié)（防止電路過流）。 針對每個具體的實驗電路，都要進行較好的參數(shù)設計，其中包括電路參數(shù)L和C的選擇，及選擇的條件和目的是什么，都要做到心中有數(shù)。此外，為實現(xiàn)有效的輸出電壓反饋環(huán)節(jié)，我們必須根據(jù)電壓霍爾傳感器的電流傳輸比對采樣電阻的選擇進行耐心的計算，在這一點上，在電路設計的初期由于對霍爾電壓傳感器的內(nèi)部結(jié)構不十分了解，而帶來了很多麻煩，也使這一環(huán)節(jié)的設計顯得捉襟見肘，直到清楚認識了電壓傳感器的內(nèi)部結(jié)構后，這個問題才得以很好的解決；在電流控制環(huán)節(jié)，電流霍爾傳感器的采樣電阻的選擇，會遇到同樣的問題，此時根據(jù)主電路極限電流的設定值和實驗二十八的有關測量結(jié)果，便容易得到合適的采樣電阻值，進而實現(xiàn)好的電流控制，實現(xiàn)電路的過流保護。在進行實驗過程中，在我和小組成員的積極配合下，本次試驗進行得較為順利。但從實驗數(shù)據(jù)上看，本次實驗的實測值與理論值之間存在著誤差，當然誤差的原因是來自多方面的。首先占空比的測量由于示波器的精度不高而存在誤差，而輸入輸出電壓的讀取則是用眼睛估讀的（機械式儀表），存在較大誤差；此外線路誤差及系統(tǒng)模型本身存在的系統(tǒng)誤差也是客觀存在的。在閉環(huán)實驗中，誤差除了以上因素外，還有就是霍爾電壓傳感器中采樣電阻的選取不夠精確，這是受到實驗條件和環(huán)境限制的，我們不可能選取可以進行阻值微調(diào)的采樣電阻，這也是造成誤差的一個重要來源。從閉環(huán)實驗數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)實驗相對開環(huán)實驗而言還是具有較小的誤差的，這是因為反饋環(huán)節(jié)造成的，因為輸出反饋可以有效抵消前向通道中的系統(tǒng)誤差。從開環(huán)實驗數(shù)據(jù)中，我們不難發(fā)現(xiàn)，輸出電壓跟隨輸入電壓、占空比和負載而發(fā)生變化，特別是負載變化時，輸出電壓會隨著負載發(fā)生較大幅度的波動（負載變大，輸出變大），但波動范圍實在理論值左右，造成這種結(jié)果的原因是負載電流的變化，隨著負載電阻的變大，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。閉環(huán)實驗中，結(jié)果基本令人滿意，輸出電壓隨著輸入電壓和負載的變化，基本不發(fā)生變化（浮動很小，是由系統(tǒng)誤差和采樣電阻誤差造成的），即使負載很大而造成電流斷流，也能很好的維持輸出電壓的很定。由此可以得出結(jié)論，電壓反饋環(huán)節(jié)具有很強的穩(wěn)壓功能。比較Buck電路的開環(huán)特性和閉環(huán)特性，可以得出結(jié)論：開環(huán)特性不具備穩(wěn)壓功能，而閉環(huán)特性則具有良好的穩(wěn)壓特性，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的穩(wěn)壓控制，優(yōu)點突出?？梢詰糜陔姍C的穩(wěn)壓調(diào)速等多種場合。通過本實驗的學習和實踐，基本完成了預期目標，將實驗結(jié)果與理論計算進行了對比，收獲良多。另需說明的時由于驅(qū)動電路內(nèi)部產(chǎn)生的驅(qū)動信號的產(chǎn)生存在反向環(huán)節(jié)，因此是驅(qū)動信號為低電平，開關管導通，為高電平時，開關管阻斷。小建議：個人認為實驗主體箱上最好有微調(diào)電阻，這樣我們便可以進一步精確采樣電阻的選擇，減小實驗誤差；主體箱上各儀表采用數(shù)字式儀表，減小讀數(shù)誤差；提高實驗室示波器的分辨率。實驗三十：三相橋式相控整流電路性能研究一、 實驗原理及思路：相控整流的基本原理即為通過控制開關管觸發(fā)脈沖相對于所承受交流電源的相位（及相控角），來控制導通時間，在整流電路的輸出端得到脈動的整流電壓，在經(jīng)過恰當?shù)臑V波器，即可得到較為理想的直流電壓。相控整流有多種電路形式，本實驗著重研究三相全橋相控整流，研究負載性質(zhì)對輸出地影響，同時研究相控角變化對輸出的影響。負載及相控角的變化對輸出的影響，我們在理論方面已經(jīng)有了較深的研究，因此本實驗的重點在于進行實踐性的檢驗。當然對于如何組建電路、如何產(chǎn)生滿足要求的驅(qū)動觸發(fā)脈沖及如何實現(xiàn)觸發(fā)脈沖與晶閘管兩端電壓的同步，都是本實驗當中需要思考和解決的問題；此外，在實驗過程中，如何調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)對相控角的控制，控制的原理是什么，這些也都是需要我們在實驗之前明確的。二、確定實驗目標：1了解晶閘管相控整流的移相調(diào)控原理和方法，掌握不同性質(zhì)負載時三相橋式相控整流電路輸出電壓的控制特性。2.觀察輸出直流電壓及輸入交流電流波形，了解相控整流功率因數(shù)普遍低下的共病。3.濾波器設計三、實驗設備：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輸入三相交流電壓：=100v輸入功率： =100w四、實驗參數(shù)計算及實驗結(jié)果記錄：1. 純阻性負載由輸入電壓：輸出功率： ，取則輸出電壓最大值：由 則滿載時取R=200，輕載時取R=400，分別記錄輸入電流和輸出電壓波形。輸出理論值計算： （） （） 1） 純阻性負載R=200（），調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電壓變化（滿載，Vl=100v）0306090120理論值VD/V13511767.518.10實際值VD/V12811563150R=200 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 連續(xù) R=200 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 連續(xù)R=200 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 臨界斷流R=200 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 斷流2） 純阻性負載R=400（），調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電壓變化（滿載，Vl=100v）0306090120理論值VD/V13511767.518.10實際值VD/=400 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 連續(xù) R=400 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2）連續(xù)R=200 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 臨界斷流R=400 輸出電壓波形（CH1）和輸入電流波形（CH2） 斷流2. 阻感性負載 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=133mH確定濾波電容：最低次諧波頻率為6f=300Hz，由，取取C=220。因此取R=200，L=133mH，C=220，Vl=100v；調(diào)節(jié)的大小，觀察并記錄輸出電壓變化：0306090120150理論值VD/V13511767.50-67.5-117實際值VD/V130118650阻感性負載 輸出電壓波形阻感性負載 輸入電流波形阻感性負載 輸出電壓波形阻感性負載 輸入電流波形阻感性負載 輸出電壓波形阻感性負載 輸入電流波形阻感性負載 輸出電壓波形（輸出為零）阻感性負載輸入電流波形（輸入為零） 隨機截取濾波后輸出波形五、實驗思考題：（王浩鵬）1.觀察相控整流的功率因數(shù)應該觀察哪些因素（數(shù)據(jù)或波形）?如何觀察？答：當負載電感足夠大時，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)生嚴重的畸變；其次相控整流還會帶來移相問題，其中基波電源功率因數(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計的原則有哪些？答：濾波器的設計不外乎考慮一下幾點：對本實驗，輸出濾波器首先應使負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計原則，例如輸出濾波器中的電容不能過分增加開關器件的電流，而輸出濾波器的電容則應不過分增大電源電流為原則，即輸入輸出電容都不應過大。另外濾波器電抗也不應過大，以使負載變化時，負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管驅(qū)動信號，構成閉環(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管的導通脈寬寬度，而是相控角。此時可以用單片機構成微機控制電路，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，導致故障和損壞等嚴重后果。因此必須注意！小結(jié)與結(jié)果分析（王浩鵬）本實驗的基本實驗目標是對三相相控整流電路性能的實踐性檢驗，實驗中實驗電路十分簡單，為研究輸出電壓與負載性質(zhì)和相控角的關系，我們的實驗也主要針對這兩個方面展開。當然在本實驗當中，我們只進行了主電路的連接，而忽略的主體箱內(nèi)部產(chǎn)生滿足驅(qū)動要求的驅(qū)動信號產(chǎn)生和控制電路，同時也沒有詳細的研究和探討相控角控制電路的實現(xiàn)原理，而我認為這些也是我們學習的一個重點，但由于對實驗箱體了解不多，這方面的了解也就有了限制。在本實驗中我們采用手動調(diào)節(jié)電位器（即開環(huán)控制），改變相關控制信號端子上的電位，進而來改變相控角。但是手動調(diào)節(jié)時，我們卻不能明確地觀察或計算出相控角的大小變化，這給實驗本身帶來了許多不確定性，為后面的準確測量和誤差分析也帶來了許多的不便。我想這樣也是本實驗需要改進的地方。在實驗中我們首先進行了純阻性負載（分輕載和滿載）情況下輸出與相控角的關系研究，由于不能準確確定電位器調(diào)節(jié)時相控角的準確變化，實驗前列寫的實驗表格不能經(jīng)過實驗而準確填寫，例如在純阻性負載R=200時，理論上在相控角輸出應為117v（輸入線電壓Vl=100v），但由于無法準確把握電位器的調(diào)節(jié)何時能使相控角，我們只能借助于示波器來觀測輸出電壓的大?。ㄌ砑雍线m的濾波電容），這給實驗的數(shù)據(jù)記錄和處理帶來了很大的不確定性和麻煩，最關鍵的問題是：我們無法準確測量出對應實際實驗相控角的輸出電壓大小，也就無法與理論值進行比較，這是本實驗的失敗之處。因此所謂的數(shù)據(jù)記錄根本沒有實際意義，所謂的數(shù)據(jù)記錄僅是理論值附近的一個隨機點，我們無法從這樣的數(shù)據(jù)中得到任何有用的信息或者結(jié)論。不過值得慶幸的是，我們獲得較好的輸入和輸出波形，這才一定程度上彌補了我們的損失，通過輸入輸出波形我們可以清晰地觀察到，在電流連續(xù)、臨界連續(xù)電流斷流時的輸出電壓波形，這與理論值十分吻合，驗證了理論分析的正確性，和實驗的成功之處。接著我們進行了阻感性負載的實驗，在參數(shù)設計時，為使輸出電流盡量接近恒流，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=200，并進行實驗。此實驗的數(shù)據(jù)記錄和純阻性實驗一樣存在相似的問題，在此不再贅述了。我們?nèi)我鈱嶒灢ㄐ蝸砼袛嘞嗫亟呛头治鰡栴}，理論上移相角可以在范圍內(nèi)變化，但實驗中由于電位器調(diào)節(jié)的限制我們無法觀測到后的電壓輸出波形 ，實驗中依次記錄了內(nèi)電壓的輸出波形，從實驗波形中我們可以找到臨界斷流點，和輸出電壓零點，實驗波形與理論波形都有很高的吻合度，理論上時輸出電壓變?yōu)樨撝担摧敵鲭妷翰ㄐ畏聪?，耽誤我們卻無法從實驗中觀測到，這也是本實驗中的一個缺憾。最后為觀察濾波器的效果，我們隨機截取了（相控角不確定）一個濾波輸出波形，從輸出波形上可以看出，濾波的效果較為明顯，輸出電壓基本為直流電壓，效果基本令人滿意。但不能否認的是輸出電壓中仍存在小的毛刺（即高頻諧波），濾波效果仍待改進。從總體上看，我們的實驗目的還是達到了，我們得到了阻性負載和感性負載時的輸出電壓與相控角的關系，盡管實驗中存在缺憾，但正是這樣，讓我們認識到了，理論上的實驗設計和要求和實驗的具體操作是有很大的差別的，理論上存在的，由于實驗條件和環(huán)境的限制，實驗中并不一定能夠?qū)崿F(xiàn)，這也正是實驗需要不斷改進的原因。當然反觀我們自己，理論計算與實驗結(jié)果并非沒有沖突，例如我們選擇平波電抗器時十一“輸出電流可以或略脈動”的前提進行的，然而從實驗的電流波形中我們可以清楚地觀察到電流的脈動，由此可見電抗器的理論計算存在實驗上的偏差，這也是值得我們思考和改進的。小建議：在調(diào)節(jié)相控角，最好能夠通過儀表顯示的大小變化，并且應使有較大的調(diào)節(jié)范圍，最好能夠?qū)崿F(xiàn)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，進一步滿足實驗調(diào)節(jié)的要求。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。在明確了SPWM的工作原理后，便是如何實現(xiàn)的問題了。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，實驗目的是要通過實驗進一步認識正弦脈沖寬度調(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系。實驗電路的主接線十分的簡單，但內(nèi)部驅(qū)動信號的產(chǎn)生電路則先對較為復雜，實驗前須詳細研究。此外還要設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、 確定實驗目標：1. 驗證SPWM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. 濾波器設計。三、實驗設備：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：輸入直流電壓： =100v輸入功率： =100w四、實驗參數(shù)計算1）濾波器設計：當 ，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； 當然為獲得更好的濾波效果，可采用更大的電感和電容參數(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：參考正弦波 頻率51.5Hz 峰峰值5.36v高頻三角載波 峰峰值21.4v 頻率4.771kHz死區(qū)時間2）固定直流輸入電壓Vd=40v，Vc=7.02，改變Vr（即改變調(diào)制比M），記錄輸出電壓大小及波形Vr/v3.6456.8理論值V0m/V10.2611.414.2419.4實際值V0m/V8.69.611.817.6調(diào)制比M0.5130.570.7120.969時的輸出電壓波形（CH2）時的輸出電壓波形（CH2）時的輸出電壓波形（CH2）時的輸出電壓波形（CH2）3）固定調(diào)制比M=1（Vc=6.1v，Vr=6.1v），改變輸入電壓，記錄輸出電壓大小及波形Vd/v20304045理論值V0m/V10152022.5實際值V0m/V8.612.917.319.3輸入電壓Vd=20v時的輸出電壓波形輸入電壓Vd=30v時的輸出電壓波形輸入電壓Vd=40v時的輸出電壓波形輸入電壓Vd=45v時的輸出電壓波形4）固定調(diào)制比M=1（Vc=6.1v，Vr=6.1v），輸入電壓Vd=40v，改變（即改變載波比），記錄輸出電壓大小及波形fr/Hz506080f0/Hz50.160.0280.78參考正弦波頻率fr=50Hz時的輸出波形參考正弦波頻率fr=60Hz時的輸出波形參考正弦波頻率fr=80Hz時的輸出波形六、 實驗思考題（王浩鵬）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，關斷所有開關管；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)一個開關管的過流狀態(tài)，不能完全反映整個橋臂開關元件的過流狀態(tài)，如果半個周期大于開關元件過流承受能力則會導致開關元件損壞。因此半橋逆變電路一般需在直流輸入與橋臂間的兩個端子均串接電流傳感器，只有這樣才能可靠的檢測到過流，有效地保護整個電路。2. 怎么設計死區(qū)電路?設計的原則是什么？答：本實驗所采用的半橋逆變電路中的死區(qū)控制，通過芯片4528單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)，控制該芯片相關端口的高低電平狀態(tài)，即可使兩個驅(qū)動信號之間產(chǎn)生可靠的延時，調(diào)節(jié)改變相關參數(shù)即可改變死區(qū)時間的大?。凰绤^(qū)時間設計的原則是要保證每個開關管都能可靠的關斷，即死區(qū)時間應遠大于開關管所需的的關斷時間，防止同一橋臂上的開關管同時導通，造成電源短路形成短路電流損毀開關管和變換器。3. 示例中，采用函數(shù)發(fā)生器作為SPWM的正弦波來源，這樣的方式是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制？可否實現(xiàn)穩(wěn)壓？答：很明顯是開環(huán)控制，參考正弦波信號由函數(shù)發(fā)生器提供，是固定不變的，而高頻三角載波的產(chǎn)生也不存在反饋調(diào)節(jié)（也是固定的），因此輸出電壓不可能影響到驅(qū)動信號，這樣是不可能實現(xiàn)穩(wěn)壓控制的。若要實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，必須將輸出電壓信號進行采樣后反饋到驅(qū)動信號產(chǎn)生電路，由輸出電壓檢測信號和輸出給定信號比較后影響驅(qū)動電路產(chǎn)生新的驅(qū)動信號，改變開關管的導通時間和方式，這樣才能最終使輸出電壓穩(wěn)定于給定輸出電壓。4. SPWM逆變電路的輸出濾波器設計原則是什么？答：本實驗中濾波器的設計較為簡單，只要使濾波器自身諧振頻率遠小于最低次諧波頻率（本實驗中約為1KHz），因此在已有的實驗條件和環(huán)境下，我們可采用盡可能大的電感和電容參數(shù)，以獲得好的濾波效果，這樣濾除輸出電壓中的高次諧波后，便可得到較理想的正弦基波。當然濾波器的設計有一些基本要則也要考慮，這在實驗三十中已經(jīng)講過，就是電感和電容參數(shù)的在盡量取得好的濾波效果的前提下，都不能過大，以減少電感（電容）對電路電源和輸出電壓（輸入電流和輸出電流）的影響。此外，容量應盡量小，價格、體積和重量在實際設計中都是應該考慮的因素。實驗思考題（楊軍）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：單相半橋逆變電路中電流傳感器的作用是反映整個橋臂開關元件的過流狀態(tài)，如果沒有這個多的傳感器，他只能檢測到半個周期的過流狀態(tài)，而且另外半個周期如果有大于開關過流承受能力的電流流過時便會燒壞元件，故需要多加一個電流傳感器。2. 怎么設計死區(qū)電路?設計的原則是什么？答：實驗所采用的半橋逆變電路中的死區(qū)控制，可以通過控制芯片4528單穩(wěn)態(tài)電路中相關端口的高低電平狀態(tài)實現(xiàn)，調(diào)節(jié)電阻大小即可改變死區(qū)時間；原則是要保證每個開關管都能可靠的關斷，即死區(qū)時間應遠大于開關管所需的關斷時間，從而控制同一橋臂上的開關管不至于同時導通，造成電源短路損毀開關管和變換器。3.示例中，采用函數(shù)發(fā)生器作為SPWM的正弦波來源，這樣的方式是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制？可否實現(xiàn)穩(wěn)壓？答：開環(huán)控制，參考正弦波信號是由函數(shù)發(fā)生器提供，高頻三角載波的產(chǎn)生不存在反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，因此輸出電壓不影響驅(qū)動信號，所以是開環(huán)的，這不能實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。4.SPWM逆變電路的輸出濾波器設計原則是什么？答：原則是濾波器自身諧振頻率遠小于最低次諧波頻率，因此可采用盡可能大的電感和電容參數(shù)，以獲得好的濾波效果，通過濾除輸出電壓中的高次諧波，可得到較理想的正弦基波。濾波器的設計也有一些基本要則，電感和電容參數(shù)的在盡量取得好的濾波效果的前提下，不能過大，以減少電感（電容）對電路電源和輸出電壓的影響。此外，容量應盡量小。小結(jié)與結(jié)果分析（王浩鵬）本實驗的基本實驗目標是對SPWM電路的輸出特性進行研究，研究輸出交流電壓峰值與直流輸入電壓、調(diào)制比和正弦參考電壓的關系，雖然這些內(nèi)容在電力電子課程當中已經(jīng)進行了相當多的討論，但并沒有類似的實踐環(huán)節(jié)，而本實驗的作用正在于此，通過本實驗的操作和測量重新認識問題和深入理解問題，并期待發(fā)現(xiàn)新問題，有更多的實驗收獲。在進行具體的實驗測量前，我們必須進行的是對參考信號的測量和校正（對稱性和幅值調(diào)節(jié)），此外為保證實驗的安全可靠進行，我們必須對驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間進行測量，再確認死區(qū)時間在安全范圍之后，再進行具體的測量環(huán)節(jié)。雖然這個環(huán)節(jié)十分簡單，但我們小組卻在這里花費了較多的時間，因為我們測得的參考正弦波的初始信號十分的不對稱，為獲得好的正弦信號（這是后續(xù)實驗成敗的關鍵），我進行了較長時間的調(diào)節(jié)，最終才得到了較為滿意的波形。接下來，我們首先研究了輸出電壓與調(diào)制比M的關系，從實驗結(jié)果看，理論值和實驗只存在著普遍的誤差，輸出