電力電子實(shí)驗(yàn)報告_張豐偉_U201011871_電氣1004

1、.電氣學(xué)科大類 2010 級信號與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí) 驗(yàn) 報 告(基本實(shí)驗(yàn)四: 電力電子基本實(shí)驗(yàn))姓 名 張豐偉 學(xué) 號u201011871 專業(yè)班號 電氣1004班 同組者 彭永晶 學(xué) 號u201011868 專業(yè)班號 電氣1004班 同組者 鄧育林 學(xué) 號u201011870 專業(yè)班號 電氣1004班 指導(dǎo)教師 日 期 2013.5 實(shí)驗(yàn)成績 評 閱 人 實(shí)驗(yàn)評分表基本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)編號名稱/內(nèi)容實(shí)驗(yàn)分值評分實(shí)驗(yàn)二十八 pwm信號的生成和pwm控制的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)二十九 dc/dc pwm升壓降壓變換電路性能的研究實(shí)驗(yàn)三十 三相橋式相控整流電路性能的研究實(shí)驗(yàn)三十一 dc/ac單相橋式spwm逆變電路性

2、能的研究設(shè)計性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱/內(nèi)容實(shí)驗(yàn)分值評分教師評價意見總分目錄目錄3實(shí)驗(yàn)28 pwm信號的生成和pwm控制的實(shí)現(xiàn)4一、 任務(wù)與目標(biāo)4二、 總體方案設(shè)計4三、 方案實(shí)現(xiàn)及具體設(shè)計5四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及具體結(jié)果5五、 結(jié)果分析與討論11六、 實(shí)驗(yàn)思考題12實(shí)驗(yàn)29 dc/dcpwm 升壓、降壓變換電路性能研究12一、 任務(wù)和目標(biāo)12二、 總體方案設(shè)計13三、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計13四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果14五、 結(jié)果分析與討論17六、 實(shí)驗(yàn)思考題17實(shí)驗(yàn)30 三相橋式相控整流電路性能的研究18一、 任務(wù)和目標(biāo)18二、 總體方案設(shè)計19三、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計19四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果20五、 結(jié)

3、果分析與討論25六、 實(shí)驗(yàn)思考題26實(shí)驗(yàn)31：dc/ac 單相橋式spwm逆變電路性能研究27一、 任務(wù)和目標(biāo)27二、 總體方案設(shè)計27三、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計28四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果28五、 結(jié)果分析與討論36六、 實(shí)驗(yàn)思考題36實(shí)驗(yàn)總結(jié)及自我評價總結(jié)38參考文獻(xiàn)39 實(shí)驗(yàn)28 pwm信號的生成和pwm控制的實(shí)現(xiàn)1、 任務(wù)與目標(biāo)掌握pwm控制芯片的工作原理和外圍電路設(shè)計方法。掌握控制電路調(diào)試方法。了解其他pwm控制芯片的原理及設(shè)計原則。2、 總體方案設(shè)計1 pwm控制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(guān)管驅(qū)動信號，控制開關(guān)管的適時、適式的通斷；

4、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(dāng)輸出變化時，通過輸出反饋調(diào)節(jié)開關(guān)管脈沖驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的寬度，進(jìn)而改變開關(guān)管在每個周期中的導(dǎo)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。2 tl494及外圍電路介紹tl494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。tl494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電容的脈沖其實(shí)是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外2個控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管q1和q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)

5、觸壓器的時鐘信號為低電平時才會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎?，一路送至?xí)r間死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mv的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波的周期4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從0.5v變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降為零。

6、2個誤差放大器具有從0.3v到(vcc2.0)的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺的到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)智器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制電路。圖28-1 pwm集成電路芯片tl494原理框圖3、 方案實(shí)現(xiàn)及具體設(shè)計1 基于pwm芯片的控制電路（包括外圍電路）的設(shè)計：電路要求具有以上介紹的pwm控制的幾個功能，可選擇單路輸出、雙路推挽輸出（具有約5us的死區(qū)）兩種不同方案進(jìn)行設(shè)計，開關(guān)頻率為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(hù)封鎖功能，以及限流控制功能。2 分析一個具有p

7、wm控制功能的電路，分析其所具有的功能，確定驗(yàn)證這些功能的實(shí)驗(yàn)步驟，列出必要的分析計算數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。3 以上兩項可選擇一項完成，也可根據(jù)自己的能力全部完成。4 擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)要求：針對其他的pwm控制芯片進(jìn)行設(shè)計，并針對這些芯片的不同功能部分進(jìn)行探討和設(shè)計。4、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及具體結(jié)果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??；反之脈寬越大。記錄不同v1下的輸出波形并與預(yù)計實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較?？刂菩酒瑃l494的參考鋸齒波vc

8、t：控制芯片tl494的參考鋸齒波vct調(diào)節(jié)電位器，使v3值由大至小，輸出波形為：改變v3值，輸出驅(qū)動波形改變v3值，輸出驅(qū)動波形改變v3值，輸出驅(qū)動波形改變v3值，輸出驅(qū)動波形2 軟啟動波形：在啟動時，為防止變換器沖擊電流的出現(xiàn)，驅(qū)動脈寬應(yīng)從零開始增大，逐漸變寬到工作所需寬度。本實(shí)驗(yàn)中此功能由脈沖封鎖端口電位的逐漸開放來實(shí)現(xiàn)，電位又打逐漸變小，便可實(shí)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(rèn)識，我們可以觀察芯片啟動過程中“啟動和保護(hù)端口4”（tp3）的電壓波形變化并與實(shí)驗(yàn)前預(yù)測進(jìn)行比較。軟啟動過程中“啟動和保護(hù)端口4”（tp3）的電壓波形軟啟動過程中輸出驅(qū)動波形3 觀察tl494控

9、制芯片的脈沖封鎖功能：通過增大v4電位實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行簡單的觀察，即可以通過改變jp2接法增大v4電位，使得v4+0.12vct，則輸出立即封鎖。jp2接12時輸出驅(qū)動波形jp2接34時輸出驅(qū)動波形jp2接56時輸出驅(qū)動波形4 死區(qū)時間測量：改變v4電壓使脈沖寬度小于v4為0時輸出波形的脈沖寬度，測量2組，可得一直線，其與0.12v的交點(diǎn)即位死區(qū)時間。死區(qū)時間測量輸出驅(qū)動波形死區(qū)時間測量輸出驅(qū)動波形由以上波形計算得死區(qū)時間7us。5、 結(jié)果分析與討論實(shí)驗(yàn)波形與理論值相差較大，輸出驅(qū)動波形應(yīng)為正方波，但實(shí)驗(yàn)得到的波形卻為交流波形，正半周為方波，下半周不規(guī)則，有上升沿，類似鋸齒波?？赡芤?yàn)殡娐吩匣?/p>

10、零點(diǎn)漂移嚴(yán)重。該實(shí)驗(yàn)難度很低，但實(shí)驗(yàn)用了很長時間。第一次做電力電子實(shí)驗(yàn)，對器材不熟悉，很多次調(diào)不出波形。6、 實(shí)驗(yàn)思考題1.如何驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)中pwm控制電路（tl494）具有穩(wěn)壓控制功能？本實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的。驗(yàn)證穩(wěn)壓功能，可以采用buck電路，如限定輸出vo=5v，通過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=5v時。改變輸入電壓或負(fù)載大小，觀察輸出電壓變化，即可驗(yàn)證pwm控制電路（tl494）具有穩(wěn)壓控制功能。2.如何驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)中pwm控制電路（tl494）具有的保

11、護(hù)功能?pwm控制電路的保護(hù)功能由脈沖封鎖端實(shí)現(xiàn)，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。采用buck電路進(jìn)行驗(yàn)證，用電流傳感器采樣主電路電流，選擇合適的采樣電阻，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(hù)主電路不致過流。3.以你自己的調(diào)查或觀察，舉例說明軟啟動的作用。電力電子變換器在啟動時，若突然開放脈寬，會導(dǎo)致電路中出現(xiàn)較大的沖擊電流。例如，電路中存在大容量電容時的充電電流；變壓器元件會出現(xiàn)磁路飽和而產(chǎn)生很大的沖擊電流；

12、電路作為電動機(jī)類負(fù)載的供電電源時，會導(dǎo)致脈動轉(zhuǎn)矩，電路出現(xiàn)過大電流。軟啟動，則可以使變換器的驅(qū)動脈寬從零平滑增長，逐漸變寬至正常工作所需寬度，使電位逐漸變化至完全開放所需的值，避免較大沖擊電流。4.說明限流運(yùn)行時的pwm控制方式的變化。在電力電子pwm變換電路中，當(dāng)負(fù)載電流長時間超過額定電流時，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情況下，雖然電路電流為達(dá)到保護(hù)保護(hù)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(yùn)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(jìn)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

13、路變換器的允許極限電流，16端口接霍爾電流傳感器的實(shí)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，時，k=1，c=1，立即封鎖輸出信號。實(shí)驗(yàn)29 dc/dcpwm 升壓、降壓變換電路性能研究1、 任務(wù)和目標(biāo)驗(yàn)證研究dc/dc pwm降壓變換電路的工作原理和特性。進(jìn)一步掌握pwm集成電路芯片的應(yīng)用和設(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)的概念，設(shè)計反饋電路。掌握濾波器的概念與設(shè)計原則。2、 總體方案設(shè)計1 降壓變換電路（buck電路）dc/dc降壓變換器主電路原理圖如圖29-1所示，圖中dc/

14、dc變換器主電路中接入了兩個霍爾電流傳感器，分別檢測主電路輸入電流和輸出電流。2 升壓變換電路（boost電路）3、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計1.選擇主電路元件的參數(shù)，搭建主電路buck電路要求輸入電壓為100v20%；輸出電壓為50v?？梢允褂脤?shí)驗(yàn)面板上的buck電路進(jìn)行連線搭建。2.選擇濾波器的參數(shù) （1）從斷流考慮。在運(yùn)行范圍內(nèi)保證不出現(xiàn)斷流的情況。臨界負(fù)載電流為： 負(fù)載電流最小值為0.01a, 取占空比dmin=0.4 ，fs=10khz,對應(yīng)得出的最小電感值lmin=145.8mh。（2） 脈動電壓不大于0.1%根據(jù)脈動電壓公式： 其中：fs為開關(guān)頻率， 則 =0.72977*10-6 取

15、l=200mh，fs=10khz,則cmin= 3.6458uf，取c=10uf故選擇電感參數(shù)為：200mh,電容參數(shù)為：10uf。3.傳感器的選擇（1）霍爾電流傳感器的設(shè)計選霍爾電流傳感器的傳輸比為50a/50 ma。為了提高試驗(yàn)測量的精度選擇5匝端子使得靈敏度提高5倍。輸出電流的額定電流為2a，保留一定的閾度，當(dāng)電流大于3a時啟動過電流封鎖功能。此時對應(yīng)的霍爾傳感器的二次側(cè)電流為15ma。在二次側(cè)接入300的電阻，使得當(dāng)輸出電流為3a時對應(yīng)二次側(cè)的輸出電壓為4.5v，此時控制電路啟動電流封鎖功能。（2） 霍爾電壓傳感器的設(shè)計選霍爾電壓傳感器電流傳輸比10ma/25ma。當(dāng)輸出電壓固定v0=

16、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，輸出電流額定運(yùn)行時輸出電壓為50v，希望反饋至v+端的電壓值為2.5v，即v+=v-=2.5v使得電路穩(wěn)定工作。v+=2.5v時對應(yīng)的v1電壓值應(yīng)為5v。故當(dāng)輸出電壓為額定值50v 時，傳感器輸出電壓的大小應(yīng)為5v，則4、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 降壓變換器（buck電路）的開環(huán)特性開環(huán)實(shí)驗(yàn)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。 實(shí)驗(yàn)測得pwm波形： 實(shí)驗(yàn)測得pwm波形1 改變輸入電壓，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比m （d=0.5 r=250）輸入電壓vi輸出電壓v

17、o(實(shí)際)變壓比m(d=0.5)輸出電壓vo(理論)v0/v輸出電流i0/a8246.870.57158536641-0.1431707320.1874883.948.750.58104886841.95-0.1620977350.19587.249.630.56915137643.6-0.1383027520.1985289.250.680.56816143544.6-0.136322870.2027291.352.080.57042716345.65-0.1408543260.2083294.252.660.55902335547.1-0.1180467090.2106497.354.35

18、0.55858170648.65-0.1171634120.2174100.155.830.55774225850.05-0.1154845150.22332105.858.780.5555765652.9-0.1111531190.23512109.460.30.551188354.7-0.10237660.2412112.362.50.55654496956.15-0.1130899380.25116.364.680.55614789358.15-0.1122957870.25872118.865.720.55319865359.4-0.1063973060.26288121.567.55

19、0.55596707860.75-0.1119341560.27022 改變負(fù)載大小，測量輸出電壓、電流，并計算變壓比m （vs=100v d=0.5）負(fù)載r理論值v0/v實(shí)際值v0/vv0/vi0/am=v0/vs1005052.27 2.27 0.5227 0.5227 2005055.07 5.07 0.2753 0.5507 2505055.83 5.83 0.2233 0.5583 3005056.86 6.86 0.1895 0.5686 4005058.05 8.05 0.1451 0.5805 5005059.14 9.14 0.1183 0.5914 6005059.93 9

20、.93 0.0999 0.5993 8005061.51 11.51 0.0769 0.6151 10005062.86 12.86 0.0629 0.6286 2 降壓變換器（buck電路）的閉環(huán)特性實(shí)驗(yàn)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，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、電流，并計算變壓比m （d=0.5 r=250）輸入電壓vi理論值v0/v實(shí)際值v0/vv0/vi0/am=v0/vs82.15049.99-0.010.199960 0.60889159685.45050.050.050.200200 0.5860655

21、7490.35050.110.110.200440 0.55492801896.45050.160.160.200640 0.52033195100.15050.210.210.200840 0.501598402104.85050.230.230.200920 0.479293893109.85050.250.250.201000 0.457650273115.75050.310.310.201240 0.434831461120.55050.350.350.201400 0.4178423245、 結(jié)果分析與討論實(shí)驗(yàn)不難，但不是很順利。開始時，調(diào)節(jié)pwm驅(qū)動輸出波形，但一直無鋸齒波輸出，因

22、而也無輸出驅(qū)動脈波。反復(fù)調(diào)節(jié)，但還是無驅(qū)動脈波輸出。只好換了一片tl494，這才輸出了驅(qū)動脈波。接下來的實(shí)驗(yàn)，原先設(shè)計的參數(shù)的元件實(shí)驗(yàn)臺上的器材沒有，只好重新設(shè)計。實(shí)驗(yàn)測得的輸出數(shù)據(jù)高于理論值。從開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，輸出電壓跟隨輸入電壓、占空比和負(fù)載而發(fā)生變化，特別是負(fù)載變化時，輸出電壓會隨著負(fù)載發(fā)生較大幅度的波動（負(fù)載變小，輸出變大），波動較大。原因是隨著負(fù)載電阻的變大，輸出電流不斷變小，輸出電壓不斷變大，電流減小到斷流時，不再符合電流連續(xù)時的，而是，電壓更加增大。因而開環(huán)情況不具備穩(wěn)壓功能。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)中，輸出電壓隨著輸入電壓的變化，發(fā)生很小的變化。因而閉環(huán)特性具有較好的穩(wěn)壓特性。6、 實(shí)驗(yàn)思考題

23、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(shí)驗(yàn)如何保證電流連續(xù)？電流是否連續(xù)會對實(shí)驗(yàn)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(guān)系，對輸出特性易于把握，同時也便于應(yīng)用。一旦電流不連續(xù)，（對應(yīng)從開關(guān)管截止到續(xù)流二極管斷流所對應(yīng)的時間比值），由于斷流時間不易準(zhǔn)確把握，同時這也使得輸入輸出關(guān)系無法準(zhǔn)確把握。臨界負(fù)載電流與輸出電壓、電感l(wèi)、開關(guān)頻率fs以及開關(guān)管的d占空比都有關(guān)。，采用較大的電感和適當(dāng)?shù)呢?fù)載時，臨界電流很小，有利于控制最小負(fù)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(shí)驗(yàn)中如何保證d不等于1？在升壓變換中，輸出電壓，

24、從數(shù)學(xué)上，當(dāng)占空比趨近于1時，必然會使得輸出趨于無窮大。但是，在每一個開關(guān)周期中，電感l(wèi)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(shí)際工作中，為了防止輸出電壓過高，應(yīng)避免boost電路在占空比d接近于1的情況下工作?？梢岳盟绤^(qū)時間可以使得d不接近1或超過限制輸出封鎖。3 兩種電路中l(wèi)和c的設(shè)計應(yīng)滿足什么原則？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(fù)載電流大于臨界連續(xù)電流；為限制負(fù)載電流的紋波系數(shù)在一定的范圍之內(nèi)，必須在選擇

25、合適電感的基礎(chǔ)之上選擇合適的濾波電容。 4 實(shí)驗(yàn)電路中，開關(guān)管的驅(qū)動電路的要求有哪些？首先要能夠產(chǎn)生適時、適式的可靠驅(qū)動信號，保證開關(guān)管的正常開通和關(guān)斷，實(shí)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(shí)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(shí)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(yīng)具有負(fù)載過壓保護(hù)環(huán)節(jié)（可利用脈沖封鎖實(shí)現(xiàn)）。5 傳感器選取有哪些原則？開環(huán)實(shí)驗(yàn)和閉環(huán)電路中分別需要接入哪些傳感器？為什么？ 具備較好的靈敏度，能夠靈敏檢測主電路電流的微小變化；精度應(yīng)該滿足要求；選取的傳感器的量程應(yīng)大于被測量，但不能

26、過大；動態(tài)性能好；可靠性高；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；抗電磁干擾能力強(qiáng)等。開環(huán)實(shí)驗(yàn)需接入電壓表。閉環(huán)電路中要接入電壓霍爾傳感器，電流霍爾傳感器，將輸出的電壓、電流檢測出來，送入反饋控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反饋。實(shí)驗(yàn)30 三相橋式相控整流電路性能的研究1、 任務(wù)和目標(biāo)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(fù)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，了解功率因數(shù)的概念，初步給出功率因數(shù)校正的思路。3.初步掌握濾波器設(shè)計的方法4.閉環(huán)穩(wěn)壓控制設(shè)計和校正方法的應(yīng)用2、 總體方案設(shè)計相控整流的基本原理即為通過控制開關(guān)

27、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(dǎo)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(dāng)?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(shí)驗(yàn)著重研究三相全橋相控整流，研究負(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在于進(jìn)行實(shí)踐性的檢驗(yàn)。當(dāng)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(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖與晶閘管兩端電壓的同步，都是本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中需要思考和解決的問題；此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，如何調(diào)節(jié)才能實(shí)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(shí)驗(yàn)之前明

28、確的。3、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計實(shí)驗(yàn)要求指標(biāo)：輸入三相交流電壓100v輸出功率100w穩(wěn)壓后的直流輸出電壓：自定在a相電源引線上傳入霍爾傳感器，即可測量輸入電流瞬時值。輸出直流電壓，可以在負(fù)載側(cè)直接使用示波器測量?；魻栯娏鱾鞲衅鳎瑸榱颂岣邷y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)串入300電阻。此時傳感器傳變比為1a/1.5v。觸發(fā)控制角與整流直流輸出電壓平局值的關(guān)系為 1 純阻性負(fù)載取則輸出電壓最大值：輸出理論值計算： （） （）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，則取l=200mh4、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 純阻性負(fù)載相控角和指針

29、式電位器電阻值的關(guān)系接通主電路，令輸出側(cè)空載，直接接示波器的輸入引腳觀察相控角和電位器阻值之間的關(guān)系。此時，線電壓31.27v,相電壓18.0537v/度vd/vr/042.2297.93036.5715.7676021.4454.1839002.683 空載，相控角=300，輸出電壓波形 空載，相控角=600，輸出電壓波形1 純阻性負(fù)載r=200，調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電壓變化（vl=31.27v）/度vd（實(shí)際）/vvd（理論）/v037.0442.2293027.936.5716015.5221.445903.6750由于示波器的原因，只能測單通道信號，并且信號波形很差 純阻性負(fù)載r

30、=200，相控角=00， 純阻性負(fù)載r=200，相控角=00， 輸入電流波形 輸出電壓波形 純阻性負(fù)載r=200，相控角=300 ， 純阻性負(fù)載r=200，相控角=300，輸入電流波形 輸出電壓波形純阻性負(fù)載r=200，相控角=600， 純阻性負(fù)載r=200，相控角=600，輸入電流波形 輸出電壓波形純阻性負(fù)載r=200，相控角=900， 純阻性負(fù)載r=200，相控角=900，輸入電流波形 輸出電壓波形2 純阻性負(fù)載r=200，調(diào)節(jié)相控角，觀察并記錄輸出電壓變化（vl=40.60v）/度vd（實(shí)際）/vvd（理論）/v048.1854.829262843041.8647.48353428602

31、1.4827.41463069904.8070更換實(shí)驗(yàn)臺后測得的輸入電流，輸出電壓波形如下： r=200，=00 輸出電壓波形 r=200，=300 輸出電壓波形 （ch1）和輸入電流波形（ch2） （ch1）和輸入電流波形（ch2）r=200，=600 輸出電壓波形 r=200，=900 輸出電壓波形 （ch1）和輸入電流波形（ch2） （ch1）和輸入電流波形（ch2）2 阻感性負(fù)載1 接負(fù)載r=50，l=133mh，觀察相控角對輸出電壓的影響，記錄輸出電壓、輸入電流波形/度vd（實(shí)際）/vvd（理論）/v033.4554.829262843031.0847.483534286019.42

32、7.41463069901.0660r=50，l=133mh，=00 輸出電壓 r=50，l=133mh，=300 輸出電壓波形（ch1）和輸入電流波形（ch2） 波形（ch1）和輸入電流波形（ch2）r=50，l=133mh，=600 輸出電壓 r=50，l=133mh，=900 輸出電壓波形（ch1）和輸入電流波形（ch2） 波形（ch1）和輸入電流波形（ch2）2 接負(fù)載r=200，l=133mh，觀察相控角對輸出電壓的影響，記錄輸出電壓、輸入電流波形/度vd（實(shí)際）/vvd（理論）/v048.7954.829262843041.9647.483534286020.927.4146306

33、9903.2910r=200，l=133mh，=00 輸出電壓 r=200，l=133mh，=300 輸出電壓波形（ch1）和輸入電流波形（ch2） 波形（ch1）和輸入電流波形（ch2）r=200，l=133mh，=600 輸出電壓 r=200，l=133mh，=900 輸出電壓波形（ch1）和輸入電流波形（ch2） 波形（ch1）和輸入電流波形（ch2）5、 結(jié)果分析與討論在實(shí)驗(yàn)中首先進(jìn)行了空載情況下輸出與相控角的關(guān)系，由于不能準(zhǔn)確確定電位器調(diào)節(jié)時相控角的準(zhǔn)確變化，因而無法準(zhǔn)確把握電位器的調(diào)節(jié)何時能使相控角為需要的值。故只能借助于示波器來觀測輸出電壓的大小，通過理論公式求出相控角，毫無疑問

34、這給實(shí)驗(yàn)的結(jié)果帶來了很大的誤差和不確定性。由于誤差，求得的與實(shí)際的可能相差很大，因此所得的根本不是實(shí)際的相控角。由于示波器的原因，波形非常差，與后來更換實(shí)驗(yàn)臺繼續(xù)實(shí)驗(yàn)測得的波形有極大的差別。波形總是不穩(wěn)定，有時完全雜亂，調(diào)節(jié)示波器用了很多的時間，波形也極差。后來，其他組實(shí)驗(yàn)完成后，在相鄰實(shí)驗(yàn)臺繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，由于時間已晚，僅進(jìn)行了3組測量（換實(shí)驗(yàn)臺之前兩個多小時只測了1組）。更換實(shí)驗(yàn)臺后測得的波形，與理論值比較吻合。在調(diào)節(jié)相控角，最好能夠通過儀表顯示的大小變化，而不是通過理論公式計算。而后者，嚴(yán)格來說，可能與實(shí)際值相差很大而無意義。6、 實(shí)驗(yàn)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

35、形）?如何觀察？當(dāng)負(fù)載電感足夠大時，輸出電流可以忽略脈動，此時輸入電壓波形與該相輸入電流波形間存在相位差；由于單相電流中含有豐富的諧波成分，從波形相位上一般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，電源的功率因數(shù)，故相控角越大，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)？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，其中基波電源功率因數(shù)等于相控角，同時

36、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。提高功率因數(shù)，可從以上兩個方面考慮。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？輸出濾波器應(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)。并且，輸出濾波

37、器中的電容不能過分增加開關(guān)器件的電流，而輸入濾波器的電容則應(yīng)不過分增大電源電流即輸入輸出電容都不應(yīng)過大；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。還有成本、體積和重量的考慮。4 相控整流電路的穩(wěn)壓控制需要考慮哪些問題？相控整流的穩(wěn)壓控制應(yīng)有輸出電壓反饋，可以用電壓傳感器采集輸出電壓信號，并進(jìn)行反饋控制開關(guān)管驅(qū)動信號即相控角，構(gòu)成閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。此時可以用模擬電路，或?qū)纹瑱C(jī)或dsp構(gòu)成微機(jī)控制電路，將傳感器的檢測信號，與給定信號比較，輸出整流電壓維持在需要值所需的驅(qū)動值。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(jìn)入深控狀態(tài)，電源功率因數(shù)急速

38、下降，電源利用率極低。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)致故障和損壞等嚴(yán)重后果。實(shí)驗(yàn)31：dc/ac 單相橋式spwm逆變電路性能研究1、 任務(wù)和目標(biāo)1 驗(yàn)證spwm逆變電路的基本工作原理，進(jìn)一步掌握spwm驅(qū)動信號形成電路的設(shè)計方法。2 學(xué)習(xí)、掌握逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制方法3 了解逆變電路濾波器的設(shè)計原則4 熟悉和掌握模擬控制電路設(shè)計方法和有關(guān)集成電路芯片的使用2、 總體方案設(shè)計橋式電路如圖:正弦脈沖寬度調(diào)制（spwm）的基本工作原理是脈沖等

39、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。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中采用單相半橋逆變電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且ㄟ^實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(fù)雜，實(shí)驗(yàn)前須詳細(xì)研究。此外還要設(shè)計該逆變電路的過壓和過流保護(hù)電路（主體箱內(nèi)

40、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(hù)電路端口，并與限定值比較，實(shí)現(xiàn)電路過流保護(hù)。輸出電壓瞬時值：其中，基波分量的有效值為3、 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計要求輸入直流電壓100v；輸出功率100w因電路板元件老化等原因，參考調(diào)制波波形諧波較大，故設(shè)計的濾波器參數(shù)很大，l=399mh,c=20uf，得到的截止頻率為56.340hz。已知n=4.7k/50=94,則spwm的最低次諧波分量約為4700hz，基波分量為50hz。所以該濾波器既可以衰減最低次諧波分量，又不會使基波分量較大衰減。4、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 調(diào)節(jié)rp1，使參考調(diào)制正弦波頻率為

41、50hz，調(diào)節(jié)rp3使參考調(diào)制正弦波波形對稱，但由于元器件老化等原因，波形無法調(diào)節(jié)到完全對稱參考調(diào)制正弦波及載波如圖：參考調(diào)制正弦波及載波波形參考調(diào)制正弦波及載波波形輸出pwm波形pw1、pw2如圖：輸出pwm波形pw1、pw2由圖可知，死區(qū)時間2 固定參考波頻率，負(fù)載電阻，濾波器參數(shù)l=399mh、c=20uf，載波頻率，載波幅值、參考波幅值即調(diào)制比m=0.260954，改變直流電壓，記錄輸出電壓直流電壓vd輸出正弦波幅值vpp（實(shí)際）調(diào)制比（實(shí)際）m輸出正弦波幅值vpp（理論）20.544.40.2142161645.35999998727.446.080.2215743447.16058

42、420839.4190.22836843410.284206460.7130.2141680415.8399220681.718.80.23011015921.319961vd=27.44時，參考波波形（ch1）， vd=39.41時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2），及輸出電壓fft 輸出正弦波形（ch2），及輸出電壓fftvd=60.7時，參考波波形（ch1）， vd=81.7時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2），及輸出電壓fft 輸出正弦波形（ch2），及輸出電壓fft由于參考波的不對稱，輸出正弦波的諧波較大，其中二次諧波的幅值最大。理論值大于實(shí)際值。3 固定直流

43、電源電壓負(fù)載電阻，濾波器參數(shù)l=399mh、c=20uf，載波頻率，載波幅值，改變參考調(diào)制波頻率，記錄輸出電壓輸出正弦波幅值vpp參考調(diào)制波頻率fr495.795.878.867.267.758.659.8111.250.313.634.2515.610.64fr=95.79hz時，參考波波形（ch1）， fr=78.86hz時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2） 輸出正弦波形（ch2）fr=67.75hz時，參考波波形（ch1）， fr=59.81hz時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2） 輸出正弦波形（ch2）fr=50.3hz時，參考波波形（ch1）， fr=34.2

44、5hz時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2） 輸出正弦波形（ch2）fr=10.64hz時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2）由圖可看出，隨著頻率的減小，由于控制板電路的原因，參考調(diào)制波的幅值增大，輸出正弦電壓幅值增大。隨著頻率的減小，一方面控制電路輸出參考調(diào)制波諧波增大，另一方面輸出正弦電壓諧波頻率降低而濾波器諧振頻率不變，因而輸出正弦電壓波形畸變增大。4 固定參考波頻率，負(fù)載電阻，濾波器參數(shù)l=399mh、c=20uf，載波頻率，載波幅值，改變參考調(diào)制波波幅值，記錄輸出電壓參考調(diào)制波電壓vr輸出正弦波幅值vpp（實(shí)際）輸出正弦波幅值vpp（理論）調(diào)制比（實(shí)際）m調(diào)制比（

45、實(shí)際）m5.215.216.209876540.3009900990.3209876548.625.226.808641980.4990099010.5308641989.83030.549382720.5940594060.60493827213.240.841.148148150.8079207920.814814815154446.759259260.8712871290.92592592622.248.469.20370370.9584158421.37037037參考調(diào)制波電壓vr=5.2v時，參考波波形 參考調(diào)制波電壓vr=8.6v時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2）

46、（ch1），輸出正弦波形（ch2）參考調(diào)制波電壓vr=9.8v時，參考波波形 參考調(diào)制波電壓vr=13.2v時，參考波（ch1），輸出正弦波形（ch2） 波形（ch1），輸出正弦波形（ch2）參考調(diào)制波電壓vr=15.0v時，參考波波形 參考調(diào)制波電壓vr=22.2v時，參考波（ch1），輸出正弦波形（ch2） 波形（ch1），輸出正弦波形（ch2）輸出正弦電壓幅值的實(shí)際值小于理論值。前5個參考調(diào)制波電壓vr16.2v，過調(diào)制，輸出正弦波幅值的理論值與實(shí)際值相差非常大，波形畸變較大。5 固定參考波頻率，直流電壓，濾波器參數(shù)l=399mh、c=20uf，載波頻率，載波幅值，參考波幅值即調(diào)制比m=

47、0.202469，改變負(fù)載阻抗，記錄輸出電壓負(fù)載電阻輸出正弦波幅值vpp（實(shí)際）負(fù)載電阻負(fù)載電抗輸出正弦波幅值vpp（實(shí)際）503.445066.57.81006.410066.511.430019.420066.516.450066.523.2負(fù)載為r=50時，參考波波形（ch1）， 負(fù)載為r=100時，參考波波形（ch1）， 輸出正弦波形（ch2） 輸出正弦波形（ch2）負(fù)載為r=300時，參考波波形（ch1）， 輸出正弦波形（ch2）負(fù)載為r=50，l=66.5mh時， 負(fù)載為r=100，l=66.5mh時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2） 參考波波形（ch1），輸出正弦波形

48、（ch2）負(fù)載為r=2000，l=66.5mh時， 負(fù)載為r=500，l=66.5mh時，參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2） 參考波波形（ch1），輸出正弦波形（ch2）隨著電阻增大，輸出正弦電壓幅值增大；阻感性負(fù)載時，輸出輸出正弦電壓幅值比純阻性負(fù)載大。5、 結(jié)果分析與討論一開始，調(diào)節(jié)控制電路板，由于示波器的探頭損壞，耽誤了很長時間。換了探頭后，調(diào)節(jié)電位器使參考正弦波正負(fù)對稱。雖然理論上此環(huán)節(jié)十分簡單，但卻在這里花費(fèi)了很長時間，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，進(jìn)行了較長時間的調(diào)節(jié)，但最終得到的波形也不是很對稱。接著，固定調(diào)制比m，改變直流電壓。由于參考波

49、的不對稱，輸出正弦波的諧波較大，其中二次諧波的幅值最大。理論值大于實(shí)際值。由于載波比不為無窮大，輸出正弦電壓與直流電源電壓的線性關(guān)系只是近似成立而造成誤差。然后，調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率，但調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率得同時，調(diào)制波的幅值也在變化。隨著頻率的減小，由于控制板電路的原因，參考調(diào)制波的幅值增大，輸出正弦電壓幅值增大。隨著頻率的減小，一方面控制電路輸出參考調(diào)制波諧波增大，另一方面輸出正弦電壓諧波頻率降低而濾波器諧振頻率不變，因而輸出正弦電壓波形畸變增大。固定直流電源電壓，改變參考調(diào)制波幅值（即改變調(diào)制比m）。輸出正弦電壓幅值的實(shí)際值小于理論值。前5個參考調(diào)制波電壓vr16.2v，過調(diào)制，輸出正弦波幅值的理論

50、值與實(shí)際值相差非常大，波形畸變較大。最后，改變負(fù)載，隨著電阻增大，輸出正弦電壓幅值增大；阻感性負(fù)載時，輸出輸出正弦電壓幅值比純阻性負(fù)載大。6、 實(shí)驗(yàn)思考題1 為什么單相半橋逆變電路的過流保護(hù)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？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(hù)檢測電路后發(fā)出保護(hù)信號，關(guān)斷所有開關(guān)管。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)元件的過流狀態(tài)。如果半個周期時間大于開關(guān)元件過流承受能力則會

51、導(dǎo)致開關(guān)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。2 怎么設(shè)計死區(qū)電路?設(shè)計的原則是什么？本實(shí)驗(yàn)所采用的半橋逆變電路中的死區(qū)控制，通過芯片cd14538單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)，控制該芯片相關(guān)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(guān)參數(shù)即可改變死區(qū)時間的大??；死區(qū)時間設(shè)計的原則是要保證每個開關(guān)管都能可靠的關(guān)斷，即死區(qū)時間應(yīng)大于開關(guān)管所需的的關(guān)斷時間，防止同一橋臂上的開關(guān)管同時導(dǎo)通，造成電源短路形成短路電流損毀變換器。3 實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓？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