電力電子實驗報告

1、電力電子技術(shù)知識模塊綜合實驗報告（2013級本科） 題 目： 直流斬波電路實驗 學(xué) 院：工程學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：2013電氣？班姓 名：朱敏強 學(xué) 號：1360222同組同學(xué)：評定成績： 授課教師：吳清云2015年 01 月上海海洋大學(xué)電力電子技術(shù)綜合實驗報告任務(wù)書課程名稱電力電子技術(shù)實驗課程代碼 4704037題目直流斬波電路實驗?zāi)K綜合實驗報告學(xué)院工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化班級13電氣1、2知識模塊綜合實驗報告任務(wù)知識模塊分為：整流電路實驗?zāi)K；逆變電路實驗?zāi)K；直流斬波電路實驗?zāi)K和交流-交流變流電路實驗?zāi)K。在每個知識模塊內(nèi)，本學(xué)期已經(jīng)做過相應(yīng)的實驗，要求在已

2、經(jīng)完成的單個實驗的基礎(chǔ)上，對本模塊內(nèi)每個實驗和它們之間的聯(lián)系進行深入的分析研究，從而整體理解本模塊的理論知識和實驗研究知識，達到將模塊內(nèi)知識融會貫通，變成學(xué)生自己知識的目的，同時進一步提高學(xué)生分析問題、解決問題和理論聯(lián)系實際的能力。報告任務(wù)：1. 直流斬波電路實驗?zāi)K主要理論知識直流斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流裝置，亦稱直流斬波器或DC/DC變換器。用斬波器實現(xiàn)直流變換的基本思想是通過對電力電子開關(guān)器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一定濾波的條件下，在負(fù)載上可以獲得平均值可小于或大于電源的電壓或電流。如果改變開關(guān)器

3、件通、斷的動作頻率，或改變開關(guān)器件通、斷的時間比例，就可以改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實現(xiàn)輸出電壓、電流平均值的調(diào)節(jié)。 早在1940年德國人采用機械開關(guān)通斷的思想來調(diào)節(jié)直流電壓以控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，1960年美國人把晶體管斬波器用于控制柴油發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，1963年德國人把晶閘管斬波器用于控制蓄電池車。早期主要應(yīng)用于城市電車，地鐵、電動汽車等直流牽引調(diào)速控制系統(tǒng)中。隨著自關(guān)斷電力電子開關(guān)器件和脈寬調(diào)制(Pulse Width ModulationPWM )技術(shù)的不斷發(fā)展，直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、有源功率因數(shù)校正、超導(dǎo)儲能等新技術(shù)領(lǐng)域。一

4、般來說，直流斬波電路有兩類不同的應(yīng)用領(lǐng)域：一類負(fù)載是要求輸出電壓可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制，即要求電路輸出可變的直流電壓，例如直流電動機負(fù)載，為了改變其轉(zhuǎn)速，要求可變的直流電壓供電；另一類負(fù)載則要求無論在電源電壓變化或負(fù)載變化時，電路的輸出電壓都能維持恒定不變，即輸出一個恒定的直流電壓，如開關(guān)電源等。這兩種不同的要求均可通過一定類型的控制系統(tǒng)根據(jù)反饋控制原理實現(xiàn)。 直流斬波電路的種類較多，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)及功能分類，主要有以下4種基本類型：降壓(Buck)斬波電路、升壓(Boost)斬波電路、升降壓(Buck-Boost)斬波電路、丘克(Cuk)斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，后兩種是前兩種基本

5、電路的組合形式。由基本斬波電路衍生出來的Sepic斬波電路和Zeta斬波電路也是較為典型的電路。利用基本斬波電路進行組合，還可以構(gòu)成復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路。本章將詳細(xì)介紹基本斬波電路的工作原理和穩(wěn)態(tài)工作特性，對其它電路作一般性的原理分析。 為了獲得各類直流斬波電路的基本工作特性而又簡化分析，在本章的分析中，都假定直流斬波電路是理想的，即滿足以下條件： （1）開關(guān)器件和二極管從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過渡時間均為零。（2）開關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無限大，漏電流為零。（3）電路中的電感和電容均為無損耗的理想儲能元件，且電感量和電容量均為足夠大。 （4）線路阻抗

6、為零。無特殊說明時電源的輸入功率等于輸出功率。2. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗?zāi)康氖煜ちN斬波電路（buck chopper、boost chopper、buck-boost chopper、cuk chopper、sepic chopper、zeta chopper）的工作原理，掌握著六種斬波電路的工作狀態(tài)及波形情況。3. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗內(nèi)容1. SG3525芯片的調(diào)試。2. 斬波電路的連接。3. 斬波電路的波形觀察及電壓測試。4.4. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗原理（包括原理圖和原理簡述） 、降壓斬波電路(Buck Chopper)降壓斬波電路(Buck Chopper)的原理圖及工

7、作波形如圖4-12 所示。圖中V 為全控型器件，選用IGBT。D 為續(xù)流二極管。由圖4-12b 中V 的柵極電壓波形UGE 可知，當(dāng)V 處于通態(tài)時，電源Ui 向負(fù)載供電，UD=Ui。當(dāng)V 處于斷態(tài)時，負(fù)載電流經(jīng)二極管D 續(xù)流，電壓UD 近似為零，至一個周期T 結(jié)束，再驅(qū)動V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為：式中ton 為V 處于通態(tài)的時間，toff 為V 處于斷態(tài)的時間，T 為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?=ton/T)。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值UO 最大Ui，若減小占空比，則UO 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。 圖4-12

8、降壓斬波電路的原理圖及波形 、升壓斬波電路(Boost Chopper)升壓斬波電路(Boost Chopper)的原理圖及工作波形如圖4-13 所示。電路也使用一個全控型器件V。由圖4-13b 中V 的柵極電壓波形UGE 可知，當(dāng)V 處于通態(tài)時，電源Ui 向電感L1 充電，充電電流基本恒定為I1,同時電容C1 上的電壓向負(fù)載供電，因C1 值很大，基本保持輸出電壓UO 為恒值。設(shè)V 處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L1 上積蓄的能量為UiI1ton。當(dāng)V 處于斷態(tài)時Ui和L1 共同向電容C1 充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè)V 處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為(UO-Ui)

9、 I1ton。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T 內(nèi)電感L1 積蓄的能量與釋放的能量相等，即：上式中的T/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。圖4-13 升壓斬波電路的原理圖及波形、升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)的原理圖及工作波形如圖4-14 所示。電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V 處于通態(tài)時，電源Ui 經(jīng)V 向電感L1 供電使其貯存能量，同時C1維持輸出電壓UO 基本恒定并向負(fù)載供電。此后，V 關(guān)斷，電感L1 中貯存的能量向負(fù)載釋放。可見,負(fù)載電壓為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。輸出電壓為：(

10、a)電路圖 (b)波形圖圖4-14 升降壓斬波電路的原理圖及波形、Cuk 斬波電路Cuk 斬波電路的原理圖如圖4-15 所示。電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V 處于通態(tài)時，UiL1V 回路和負(fù)載RL2C2V 回路分別流過電流。當(dāng)V 處于斷態(tài)時，UiL1C2D 回路和負(fù)載RL2D 回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓為：若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2 時為降壓，當(dāng)1/2<<1 時為升壓。、Sepic 斬波電路Sepic 斬波電路的原理圖如圖4-16 所示。電路的基本工作原理是：可控開關(guān)V 處于通態(tài)時，

11、UiL1V 回路和C2VL2 回路同時導(dǎo)電，L1 和L2 貯能。當(dāng)V 處于斷態(tài)時，UiL1C2DR回路及L2DR 回路同時導(dǎo)電，此階段Ui 和L1 既向R 供電，同時也向C2 充電，C2 貯存的能量在V 處于通態(tài)時向L2 轉(zhuǎn)移。輸出電壓為：、Zeta 斬波電路Zeta 斬波電路的原理圖如圖4-17 所示。電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V 處于通態(tài)時，電源Ui 經(jīng)開關(guān)V 向電感L1 貯能。當(dāng)V 處于斷態(tài)后，L1 經(jīng)D 與C2 構(gòu)成振蕩回路，其貯存的能量轉(zhuǎn)至C2，至振蕩回路電流過零，L1 上的能量全部轉(zhuǎn)移至C2 上之后，D 關(guān)斷，C2 經(jīng)L2 向負(fù)載R供電。輸出電壓為：若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓可

12、以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2 時為降壓，當(dāng)1/2<<1 時為升壓。5. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗設(shè)計（包括具體實驗內(nèi)容設(shè)計和實驗方法步驟設(shè)計）按照面板上各種斬波器的電路圖，取用相應(yīng)的元件，搭成相應(yīng)的斬波電路即可。1 SG3525性能測試用示波器測量，PWM波形發(fā)生器的“1”孔和地之間的波形。調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)旋鈕，測量驅(qū)動波形的頻率以及占空比的調(diào)節(jié)范圍。2buck chopper(1)連接電路。將PWM波形發(fā)生器的輸出端“1”端接到斬波電路中IGBT管VT的G端, 將PWM的“地”端接到斬波電路中“VT”管的E端,再將斬波電路的（E、5、7），（8、1

13、1），(6、12)相連，最后將15V直流電源U1的“+”正極與VT的C相連，負(fù)極“-”和6相連。（照電路圖接成buck chopper斬波器。）(2)觀察負(fù)載電壓波形。經(jīng)檢查電路無誤后,閉合電源開關(guān)，用示波器觀察VD兩端5、6孔之間電壓，調(diào)節(jié)PWM觸發(fā)器的電位器RP1，即改變觸發(fā)脈沖的占空比，觀察負(fù)載電壓的變化，并記錄電壓波形。(3)觀察負(fù)載電流波形。用示波器觀察并記錄負(fù)載電阻R兩端波形3boost chopper（1）照圖接成boost chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻為R。實驗步驟同buck chopper。4buck-boost chopper（1）照圖接成buck-boos

14、t chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻為R。實驗步驟同buck chopper5cuk chopper（1）照圖接成cuk chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻R實驗步驟同buck chopper。6sepic chopper（1）照圖接成sepic chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻為R。實驗步驟同buck chopper 。7zeta chopper（1）照圖接成zeta chopper電路。電感和電容任選,負(fù)載電阻為R。實驗步驟同buck chopper6. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗設(shè)備及儀器1. 電力電子教學(xué)試驗臺主控制屏；2. NMCL-22組件；3. 示

15、波器（自備）；4. 萬用表（自備）。7. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗過程及結(jié)果（包括實驗數(shù)據(jù)和照片）Pwm的輸出端“1”與地之間的的波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形Buck Chopper：1）VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-788mv） （U=-959mv）2) 電阻R兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-348mv） （U=-970mv）Boost Chopper1）VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-1.49v） （U=-2.8v）2）VT的G、E兩端的

16、電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-3.32mv） （U=-3.31v）3) 電阻R兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-2.89v） （U=-3. 26v）Buck-boost chopper1）VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-332mv） （U=-387mv）2）VT的G、E兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-196mv） （U=-631mv）3）電阻R兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-319mv） （U=-371mv）Cuk

17、chopper1) VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-22.6mv） （U=-367mv）2）VT的G、E兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-164mv） （U=-465mv）3) 電阻R兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-3.09mv） （U=-215mv）Sepic chopper1) VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-2.04v） （U=-1.17v）2) VT的G、E兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-

18、96.7mv） （U=-8.06mv）3) 電阻R兩端的電壓波形：Zeta chopper1) VD兩端5、6孔之間的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-213mv） （U=-634mv） 2) VT的G、E兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-2.01v） （U=-7.87v）3) 電阻R兩端的電壓波形： 占空比較小時的波形 占空比較大時的波形 （U=-1.74mv） （U=-29.5mv）8. 直流斬波電路實驗?zāi)K實驗中碰到的問題及解決措施（1） 在實驗中當(dāng)我們連接好電路時，實驗箱發(fā)出輕微的蜂鳴聲。我們立即斷電，仔細(xì)檢查電路，發(fā)現(xiàn)我們連接錯了線路，造成了短路；為了清晰的觀察電路，我們把電路拆了，進行了重新連接。（2） 為什么在主電路工作時不能用示波器的雙蹤探頭同時對兩處波形進行觀測？因為共地問題，容易造成短路，損壞示波器。（3） 在實驗中用示波器觀察時，波形可能沒有那么穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)。 我們需要多次嘗試，可能我們在接線時，有的地方、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間接觸不良，造成不穩(wěn)定，所以我們需要將連接部分