華中科技大學(xué)電力電子實驗

1、信號與控制綜合實驗電力電子實驗報告電氣學(xué)科大類 2011 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 姚佳康 學(xué) 號 U201111749 專業(yè)班號 1101 同組者1 李昊曄 學(xué) 號U201111751專業(yè)班號 1101 同組者2 章曉杰 學(xué) 號U201111754 專業(yè)班號 1101 指導(dǎo)教師 李 軍 日 期 2014年6月18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

2、性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分帶功率因數(shù)校正的整流電路設(shè)計及研究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)11、 實驗?zāi)康?2、 實驗原理及方案設(shè)計13、 實驗設(shè)備44、 實驗步驟55、 實驗結(jié)果與分析56、 實驗思考題7實驗二十九 DC/DCPWM 升壓、降壓變換電路性能研究91、 實驗?zāi)康?2、 實驗原理與方案設(shè)計93、 實驗設(shè)備124、 實驗步驟125、 實驗結(jié)果136、 實驗思考題15實驗三十 三相橋式相控整流電路性能的研究181、 實驗?zāi)康?82、 實驗原理與方案設(shè)計183、 實驗設(shè)備214、 實驗步驟與結(jié)果215、 實驗思考題25實驗三十一 DC/AC單

3、相橋式SPWM逆變電路性能的研究271、 實驗任務(wù)272、 實驗原理及方案設(shè)計273、 實驗設(shè)備304、 實驗步驟305、 實驗結(jié)果與分析336、 實驗思考題34實驗四十五 帶功率因數(shù)校正的整流電路的設(shè)計及研究361、 實驗?zāi)康?62、 實驗原理及方案設(shè)計363、 實驗設(shè)備434、 實驗步驟435、 實驗結(jié)果分析44實驗心得與體會46參考文獻(xiàn)47實驗二十八 PWM信號的生成和PWM控制的實現(xiàn)1、 實驗?zāi)康模?）熟悉PWM集成電路芯片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（4）分析并驗證基于集成PWM控制芯片TL494的PWM控制電路的基本功能

4、（5）掌握PWM控制芯片的工作原理和外圍電路設(shè)計方法。2、 實驗原理及方案設(shè)計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有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。其主要特性如下：（參考PCB資源網(wǎng)的學(xué)習(xí)資料）（1）TL494主要特征TL494集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源。可調(diào)整死區(qū)時間。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力。推或拉兩種輸出方式。圖28-1 TL494外形圖圖28

5、-2 TL494引腳圖（2）TL494工作原理簡述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，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：(28 - 1)輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，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。（3）TL494脈沖控制圖28-3 TL494脈沖控制波形圖控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(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

6、120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的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（范圍在03.3V之間）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到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放

7、大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路

8、時，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。圖28-4 TL494內(nèi)部電路方框圖圖28-5 TL494單端連接輸出和推挽（電流）結(jié)構(gòu)3、 實驗設(shè)備（1）PWM控制芯片TL494等，以及有關(guān)的外圍電路元件；控制電源 （2）面包板或通用版；或具有PWM芯片及外圍電路的實驗板 （3）示波器 4、 實驗步驟本實驗采用單路輸出，以載波20kHz進(jìn)行試驗，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，

9、K越大，C=J+K越大，脈寬越小；反之脈寬越大。記錄不同V1下的輸出波形并與預(yù)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(yīng)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(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驗前預(yù)測進(jìn)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

10、實現(xiàn)，進(jìn)行簡單的觀察，可以通過改變JP2接法增大V4電位，使得V4+0.12>Vct，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(hù)功能：通過在I1和I2端口施加可變電壓，觀察封鎖時間（相關(guān)封鎖指示燈亮，輸出變?yōu)榱悖⒂涗浄怄i時的施加電壓，認(rèn)識芯片TL494的限流保護(hù)功能。5、 實驗結(jié)果與分析（1）實驗板初步檢測在未開機的情況下，我們的第一塊實驗板HL1、HL2皆為熄滅（但是實際后續(xù)保護(hù)中存在一定問題，接下來保護(hù)分析中將提到）。替換的第二塊實驗板上HL1、HL

11、2兩發(fā)光二極管皆亮。說明此時兩個SR鎖存器端接二極管端口輸出皆為高電平，未能有效歸零。我們采用接地線，分別點觸兩鎖存器的3、11，使輸出重新歸零，HL1、HL2熄滅。TP4有鋸齒波輸出為：頻率17.61KHz，幅值約為3V。頻率為9.191KHz，幅值約為2.8V。圖28-6 20KHz工作方式下輸出鋸齒波圖28-7 10KHz工作方式下輸出鋸齒波（2）軟啟動觀測圖28-8 JP2=1&2的波形圖28-9 JP2=3&4的波形圖28-10 JP2=5&6的波形 JP2跳線帽接12處。TP3上電壓波形變化，近似于電容充電電壓波形形成互補，即實際隨著實驗板上電容上的電壓積累

12、，TP3上測得的電阻分壓逐漸減小，與電容充電變化相反，實現(xiàn)了軟啟動的需求。 JP2跳線帽接34處。TP3上電壓波形發(fā)生變化，電容積分時間變短，最終的電阻分壓情況發(fā)生變化，這說明不同的軟啟動要求對元件參數(shù)的設(shè)定不同，導(dǎo)致最終的運行效果有一定差異。 JP2跳線帽接56處?？烧{(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)軟啟動的緩沖時間以及最終得分壓比。通過改變JP2上的電阻來改變PWM電路的軟起動效果，開機后，電阻分壓比立即變化，但由于電容電壓不能突變，因此死區(qū)電壓VTP3只能逐漸衰減至穩(wěn)態(tài)值，實現(xiàn)軟啟動的功能。（3）死區(qū)控制圖28-11 死區(qū)時間測量對于芯片TL494而言，其死區(qū)門限電壓由控制。理論上，當(dāng)時，封鎖輸出信號

13、。因而V4越大，死區(qū)將會越大。實際測量中，TP3輸出即為V4的大小，顯然，隨著V4的增大，輸出反向波形的脈寬越來越小。分析跳線開關(guān)JP2置于不同位置時的曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變跳線開關(guān)JP2對應(yīng)電阻時，死區(qū)電壓衰減速度不一樣，而且最終的穩(wěn)態(tài)值不一樣。6、 實驗思考題（1）如何驗證你設(shè)計的PWM控制電路具有穩(wěn)壓控制功能？答：可以使用直流穩(wěn)壓電源在電壓反饋端輸入一直流電壓，調(diào)節(jié)變阻器RP1的大小，使得輸入芯片LS4941號管腳的反饋電壓V+接近于V-,觀測V+變化時輸出的反饋電壓VF的大小。V-端電壓固定于2.5V左右，由于反饋放大器放大倍數(shù)高達(dá)39倍，所以當(dāng)V+的電壓在2.4V至2.5V變化時輸出的反饋

14、電壓即發(fā)生改變，進(jìn)而由于VF電平的變化，會使得輸出脈沖電壓的占空比發(fā)生改變。（2）如何驗證你設(shè)計的PMW控制電路所具有的保護(hù)功能？答：保護(hù)功能包括輸入過電流保護(hù)以及電源輸入過電流與輸出過電流的封鎖功能。可以在電流反饋I1端加入一直流電壓模擬輸出電流。一方面當(dāng)直流電壓增大時會使得芯片啟動過電流保護(hù)功能使得輸出的脈沖電壓占空比減小。當(dāng)直流電壓繼續(xù)增大時，外圍電路啟動過電流封鎖功能，輸出的電壓占空比為0，同時紅燈亮，提示過流環(huán)節(jié)出現(xiàn)的位置?？梢栽陔娏鞣答両2端加入一直流電壓模擬電源側(cè)的輸入電流，當(dāng)直流電壓增大至一定值時，外圍電路啟動過電流封鎖功能，輸出的脈沖電壓占空比為0。（3）以你自己的調(diào)查或觀察

15、，舉例說明軟啟動的作用。答：軟啟動過程中會出現(xiàn)一系列逐漸變寬的脈沖波形，使得占空比逐漸增大，輸出的直流電壓逐漸升高。這樣做的優(yōu)點是防止電路中出現(xiàn)較大的沖擊電流，比如變壓器或電感因出現(xiàn)的的沖擊電流而導(dǎo)致磁路飽和，進(jìn)而損壞元件。（4）說明限流運行時PWM控制方式的變化。答：電流比較器通過輸出電流的反饋來影響死區(qū)時間，防止電流過大。所以進(jìn)行限流運行時，由三角波和直流電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生的PWM控制，也受到了反饋電流的限制。實驗二十九 DC/DCPWM 升壓、降壓變換電路性能研究1、 實驗?zāi)康模?）驗證研究DC/DC PWM降壓變換電路的工作原理和特性。（2）進(jìn)一步掌握PWM集成電路芯片的應(yīng)用和設(shè)計原則。

16、（3）了解電壓電流傳感器的選用原則。（4）建立驅(qū)動電路的概念和要求。（5）掌握反饋環(huán)節(jié)的概念，設(shè)計反饋電路。（6）掌握濾波器的概念與設(shè)計原則。2、 實驗原理與方案設(shè)計（1）DC/DC - BUCK變換器主電路圖29-1 DC/DC BUCK變換器主電路原理圖（2）BUCK電路續(xù)流與斷流工作狀態(tài)對比續(xù)流工作狀態(tài)斷流工作狀態(tài)輸出電壓公式各運行變量波形圖圖29-2 BUCK續(xù)流狀態(tài)下波形圖圖29-3 BUCK斷流狀態(tài)下波形圖（3）BUCK電路外特性分析圖29-4 BUCK電路輸出電壓與電流外特性（4）濾波器參數(shù)設(shè)計選擇實驗要求指標(biāo)輸入電壓輸出功率輸出電壓開關(guān)頻率設(shè)計濾波電感輸出電流（29 - 1）最

17、小占空比（29 - 2）保證電感電流不斷流（29 - 3）設(shè)計濾波電感（29 - 4）設(shè)計濾波電容LC自然諧振頻率（29 - 5）電壓脈動率小于1%（29 - 6）設(shè)計濾波電容3、 實驗設(shè)備（1）PWM控制芯片TL494等，以及有關(guān)的外圍電路元件；控制電源 （2）BUCK主電路接線板（3）示波器及直流電壓表4、 實驗步驟通過調(diào)整JP2所接電阻大小使得脈沖電壓的占空比發(fā)生變化進(jìn)行開環(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）,占空比D=0.

18、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。（3）帶載250，輸入電壓恒為100V,改變占空比，使D從0變化到0.889，觀察輸出電壓以及輸出電流的變化。5、 實驗結(jié)果本次試驗僅進(jìn)行開環(huán)實驗（1）帶載250,占空比D=0.6，控制輸入電壓從80V變化至120V，觀察輸出電壓的變化。表29-1 BUCK電路在負(fù)載250、占空比D=0.6、控制輸入電壓從80V變化至120V時輸出電壓輸入電壓/V1201101009080輸出電壓/V74.868.862.45650理

19、論值/V7266605448 圖29-5 BUCK電路輸出電壓在負(fù)載250、占空比D=0.6、控制輸入電壓從80V變化至120V時的變化曲線 D=0.6時，變換電路的變比為0.62，當(dāng)輸入電壓從80V變化至120V時，輸出電壓也是近似的從48V變化至72V?？梢娫陂_環(huán)的情況下當(dāng)輸入電壓變化時輸出電壓并不可以維持在50V不變。（2）輸入電壓恒為100V,占空比D=0.556，負(fù)載電阻從50變化至1000，觀察輸出電壓的變化。表29-2 BUCK電路在輸入電壓恒為100V、占空比D=0.556、負(fù)載電阻從50變化至1000時的輸出電壓RL/歐姆501002002505001000輸出電壓/V56.

20、3857.3560.6961.3863.6366.99理論值/V606060606060圖29-5 BUCK電路輸出電壓在輸入電壓恒為100V、占空比D=0.556、負(fù)載電阻從50變化至1000時的變化曲線負(fù)載增大時，輸出電流增大，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?？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。（3）帶載250，輸入電壓恒為100V,改變占空比，使D從0變化到0.889，觀察輸出電壓的變化。圖29-3 BUCK電路在負(fù)載250、輸入電壓恒為100V、改變占空比從0變化到0.889時的輸出電壓占空比D00.167

21、0.3330.50.6670.8330.889輸出電壓/V8.42424.4838.5554.1569.8284.489.6輸入電流/A8.42424.4838.5554.1569.8284.489.6圖29-5 BUCK電路輸出電壓在負(fù)載250、輸入電壓恒為100V、改變占空比從0變化到0.889時的變化曲線當(dāng)占空比發(fā)生變化時，輸出電壓與輸入電壓間近似成線性關(guān)系，由于占空比是通過示波器讀出，所以會存在一定的人為誤差，真是的輸出電壓可能會與輸入電壓間的關(guān)系更加線性化。6、 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

22、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。而利用死區(qū)時間可以使得D不接近1。（3）

23、兩種電路中L和C的設(shè)計應(yīng)滿足什么原則？答：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。從斷流考慮。在正常運行范圍內(nèi)保證不出現(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：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。開通時有

24、較高的強觸發(fā)，以減短開通時間。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。關(guān)斷時施加反向脈沖電流，縮短關(guān)斷時間。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）實驗電路中，傳感器選取有哪些原則？ 答：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。選取的傳感器的量程應(yīng)大于被測量，但不能過大。傳感器的精度應(yīng)該滿足要求。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。實驗三十 三相橋式相控整流電路性能的研究1、 實驗?zāi)康模?）了解相控整流的基本原理，（2

25、）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；（3）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。（4）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。2、 實驗原理與方案設(shè)計（1）三相全橋相控整流主電路圖30-1 三相全橋相控整流主電路注：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）；（2）負(fù)載性質(zhì)對整流特性的影響L、較小、較大且>時為負(fù)載電流斷流工況：時為負(fù)載電流臨界連續(xù)工況：L、較大，較小且<時為負(fù)載電流連續(xù)工況：（3）以三相全橋相控整流電路為例分析負(fù)載電流續(xù)流與斷流對輸出電壓的影響。 阻性或感性負(fù)載60

26、6;時的波形圖30-2 阻性或感性負(fù)載60°電流連續(xù)時波形90°時的阻性負(fù)載與感性負(fù)載波形圖30-3 90°時的阻性負(fù)載波形圖30-4 90°時的阻性負(fù)載波形結(jié)論：在純阻性負(fù)載下三相整流橋輸出電壓輸出理論值為（30-1）在純感性負(fù)載下三相整流橋輸出電壓輸出理論值為（30-2）（4）三相全橋相控整流電路角度間的關(guān)系圖30-5 導(dǎo)通角與、函數(shù)關(guān)系圖30-6 整流電壓與、函數(shù)關(guān)系3、 實驗設(shè)備（1）控制電源及觸發(fā)電源（2）三相橋式相控整流電路主電路接線板（3）示波器及交流、直流電壓表4、 實驗步驟與結(jié)果（1）尋找相控角和指針式電位器電阻值的關(guān)系。接通主電路，令

27、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。表30-1 相控角和電位器阻值之間的關(guān)系表相控角/°0306090120指示刻度7.98 5.46 3.98 2.460.66（2）純電阻負(fù)載開環(huán)實驗輸入電壓為25V，接純電阻負(fù)載R=100歐姆且不接濾波器，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。表30-2 純阻性負(fù)載下相控角和輸出電壓的關(guān)系相控角/°0306090120實測53.9445.5324.78 5.429-3.56理論58.550.6629.257.838-1.87圖30-7 純阻性負(fù)載下相控角和輸出電壓的關(guān)系從圖中可以看出，該

28、圖像與圖30-5中的負(fù)載阻抗角為0時的圖像基本相同，驗證了斷流情況下的輸出電壓是分段函數(shù)的事實。用示波器記錄在不同相控角下的輸出電壓波形圖圖30-8 =0°時輸出電壓波形圖30-9 =30°時輸出電壓波形圖30-10 =60°時輸出電壓波形圖30-11 =90°時輸出電壓波形圖30-12 =120°時輸出電壓波形從電壓波形可以看出，負(fù)載電壓在=60°時開始出現(xiàn)斷流，負(fù)載電壓的負(fù)半波被削平，導(dǎo)致負(fù)載電壓不再按照正選規(guī)律變化。（3）阻感性負(fù)載開環(huán)實驗接負(fù)載且不接濾波器，觀察相控角對輸出電壓的影響，記錄輸出電壓、輸入電流波形負(fù)載的相位角（3

29、0-3）表30-3 RL負(fù)載下相控角和輸出電壓的關(guān)系相控角/°0306090120實測50.3043.1224.565.01-3.56理論58.550.6629.250-29.25圖30-13 RL負(fù)載下相控角和輸出電壓的關(guān)系從圖中可以看出，實際輸出電壓曲線相對于純阻性負(fù)載情況而言，趨向更接近余弦函數(shù)，這說明感性負(fù)載起到了一定的續(xù)流作用，時輸出電壓負(fù)半波沒有全部削平。用示波器記錄在不同相控角下的輸出電壓波形圖圖30-14 =0°時輸出電壓波形圖30-15 =30°時輸出電壓波形圖30-16 =60°時輸出電壓波形圖30-17 =90°時輸出電壓

30、波形圖30-11 =120°時輸出電壓波形從輸出電壓波形可以看出，電壓波的峰值處變得平緩（負(fù)載中的電感限制了電流變化，通過微分反映到了電壓波形上），輸出電壓在負(fù)半波出現(xiàn)了小的尖峰，而且角度也接近負(fù)載阻抗角。從整體電壓波形看，輸出電壓波形中諧波含量較大，對濾波造成了很大的困難。而且從開關(guān)管的動作方式可知輸入電流的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)造成了大量污染。5、 實驗思考題（1）觀察相控整流電路的功率因數(shù)應(yīng)該觀察哪些因素（波形或數(shù)據(jù)）？如何觀察？答：相控整流電路的功率因數(shù)有以下幾種方法：通過觀察輸入電流以及輸入電壓的波形來實現(xiàn)。通過示波器軟件的諧波分析FFT計算功能，直接得到所需要的數(shù)據(jù)。對輸入

31、電流電壓的波形進(jìn)行分析可以得到其有效值基波分量的有效值以及基波電壓和基波電流的相位差?？梢缘霉β室蛩貫椋?，為輸入電壓有效值，為輸入電流有效值，為基波分量有效值，為基波電流和電壓的相位差。若輸出電壓為比較平穩(wěn)的直流，則可以使用示波器或者萬用表測量輸出的有功功率，若忽略電路本身的功率損耗，則可以將該輸出有功功率看作是電源側(cè)輸入的有功功率。因此可以得功率因數(shù)為：。（2）影響相控整流的電路功率因數(shù)的原因有哪些？如何提高功率因數(shù)？答：功率因數(shù)的公式為所以功率因數(shù)由兩個方面來決定：輸入基波電壓和基波電流之間的相位差。輸入電壓電流的基波分量的大小。因此可附加無源濾波器或有源功率因素校正器的來提高功率因數(shù)。有

32、源功率因素校正器的作用，使得交流電流跟蹤輸入正弦電壓波形，使兩者同相，從而使輸入端總諧波畸變率THD小于5%，而功率因數(shù)提高到0.95或更高。（3）相控整流電路濾波器設(shè)計的原則有哪些？答：特征頻率應(yīng)該遠(yuǎn)小于最低次諧波的頻率。濾波器的電感值不應(yīng)太大，保證輸出負(fù)載變化時，輸出電壓變化不大。濾波器的電容值不應(yīng)太大，使得流過電容的電流不至于過分的增加開關(guān)管的容量。（4）相控整流電路的穩(wěn)壓控制需要考慮哪些問題？答：穩(wěn)壓控制要考慮：相控角的變化范圍，需要穩(wěn)定的電壓必須在相控角可以調(diào)控的范圍之內(nèi)。注意輸出電流的變化，當(dāng)輸出電流過大時，應(yīng)該啟動過電流保護(hù)功能。實驗三十一 DC/AC單相橋式SPWM逆變電路性能

33、的研究1、 實驗任務(wù)（1）熟悉和掌握和逆變電流控制芯片的使用方法。（2）掌握SPWM逆變電路的基本工作原理。（3）理解逆變電路濾波器的設(shè)計原則。（4）學(xué)習(xí)、掌握逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制方法。2、 實驗原理及方案設(shè)計（1）沖量等效原理大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（面積），即變量對時間的積分相等，其作用效果相同。換而言之，無論沖量的表現(xiàn)形式如何，只要是沖量等效的脈沖作用在慣性系統(tǒng)上，慣性系統(tǒng)的輸出或響應(yīng)是基本相同的。 圖31-1 沖量等效系統(tǒng)電路由于開關(guān)管控制的瞬時輸出電壓只能是0或直流母線電壓，所以無法將交流側(cè)輸出電壓之間變換為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，所以只能通過發(fā)

34、出一系列寬度正弦變化的窄脈沖來等效正弦輸出電壓。圖31-2 窄脈沖電壓輸出波形（2）DC/AC單相半橋SPWM逆變主電路圖31-3 DC/AC單相全橋電路原理圖（3）雙極性SPWM輸出電壓分析開關(guān)管觸發(fā)信號輸出控制及波形圖31-4 雙極性SPWM信號產(chǎn)生比較器圖31-5 雙極性SPWM觸發(fā)信號波形圖基波特性：（31-1）基波大小與調(diào)制比M成正比（32-2）諧波波特性：消除了低次諧波，3,5,7.等次諧波沒有了。LOH在開關(guān)頻率附近，載波比N越大，LOH越高，有利于濾波。圖31-6 雙極性SPWM諧波波特性比較圖（4）濾波器設(shè)計設(shè)計的濾波器L=10mH,C=10uF，得到的截止頻率為503.29

35、Hz。已知N=5k/50=100,則SPWM的最低次諧波分量約為4800Hz，基波分量為50Hz。所以該濾波器既可以衰減最低次諧波分量，又不會使基波分量衰減。3、 實驗設(shè)備（1）PWM控制芯片TL494等，以及有關(guān)的外圍電路元件；控制電源 （2）全控型單相全橋逆變主電路（3）示波器及直流電壓表4、 實驗步驟（1）觀察芯片產(chǎn)生的三角載波（TR1）和參考正弦信號(SIN) 調(diào)節(jié)Rp1可改變參考正弦信號頻率fr；調(diào)節(jié)Rp5可改變參考正弦信號幅值Vsinm。（2）將三角載波和正弦波進(jìn)行比較得到SPWM脈沖波形，觀察 SP1和SP2輸出脈沖波形，觀察經(jīng)過CD14538芯片處理過的具有死區(qū)時間的控制信號，

36、從CD4081的3、4號腳觀察（3）連接好主電路，并與控制電路連接。在主電路通電之前，檢查控制電路各波形、死區(qū)是否正常。（要求輸入直流電壓為80V；輸出交流電壓可調(diào)，輸出功率<100W）（4）在以上正常的前提下，合上總電源開關(guān)及直流電壓開關(guān)（直流輸出，旋鈕置0），逆變電路工作，主電路電源從低壓到高壓逐漸增加至30V,記錄并分析輸出電壓： 觀察無LC濾波器與有濾波器兩種情況下的輸出波形，對比分析 保證fr=50Hz,改變參考正弦信號幅值Vsinm，測量輸出電壓幅值表31-1 改變參考正弦信號幅值VsinmVtrim/V1.81.81.81.8Vsinm/V1.61.20.80.48M0.8

37、9 0.67 0.44 0.27 Voutm/V23.9218.7512.676.82圖31-7 輸出電壓幅值與調(diào)制比之間的關(guān)系通過圖像可以分析出，輸出電壓幅值與調(diào)制比之間近似呈線性化關(guān)系，證明了改變調(diào)制比可以線性地改變輸出電壓這一事實。 改變fr, 測量輸出電壓頻率表31-2 改變參考正弦信號頻率frfr/Hz9.74230.3350.2170.5090.79fo/Hz9.88130.1250.107090.31Voutm/V6.66.87.07.07.0圖31-8 輸出電壓幅值與參考波頻率之間的關(guān)系從圖像可以分析，輸出電壓幅值與參考正弦波頻率基本沒有明顯關(guān)系，只是當(dāng)頻率較低時，用交流電壓表

38、可能測出的值不準(zhǔn)（一部分值歸到了直流分量中，使基波分量減?。D31-9 輸出電壓幅值與參考波頻率之間的關(guān)系從圖像中可以分析出輸出電壓基波頻率與參考波頻率幾乎完全相等，說明SPWM實現(xiàn)了輸出電壓完全按照參考波形的變化而變化。（5）減小負(fù)載電阻到一合適大小，增大參考正弦信號幅值Vsinm，觀察當(dāng)直流電流超過閾值時，電路的過流保護(hù)功能是如何實現(xiàn)的5、 實驗結(jié)果與分析（1）觀察芯片產(chǎn)生的三角載波（TR1）和參考正弦信號(SIN)圖31-10 參考正弦波圖31-11 三角載波Vp-p=11.7V，f=4.873kHz（2）觀察SPWM脈沖波形，觀察 SP1和SP2輸出脈沖波形，觀察經(jīng)過CD14538芯

39、片處理過的具有死區(qū)時間的控制信號圖31-12 正弦波與三角載波比較圖31-13 SP1、SP2的輸出脈沖波形（3）觀察無LC濾波器與有濾波器兩種情況下的輸出波形，對比分析圖31-14 無濾波器情況下的輸出波形圖31-15 有濾波器情況下的輸出波形從圖像可以看出，未經(jīng)濾波的輸出電壓是窄脈沖的羅列，完全看不出正弦波的形狀，含有較大的高次諧波分量，會對負(fù)載工作產(chǎn)生危害。而經(jīng)過濾波后（一定要將輸出與信號產(chǎn)生電路共地，這樣才不會使輸出電壓產(chǎn)生漂移），可以明顯看出基波電壓的形狀，雖然在峰值處還可以看到高次諧波造成的波形尖峰，以及波形周圍的毛刺，但是相對濾波前已經(jīng)是很好的波形了。6、 實驗思考題（1）為什么

40、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逆變電路多用一個電流霍爾傳感器？答：半橋電路中電流由兩個分壓電容單獨提供，兩個分壓電容就像是兩個電源?？赡軙沟闷渲幸话霕騿为毘霈F(xiàn)過電流的現(xiàn)象，所以要在兩個電容側(cè)皆配置電流傳感器實現(xiàn)電流保護(hù)。而單相全橋和三相橋式逆變電路中，負(fù)載的電能直接由電源側(cè)來提供，負(fù)載出現(xiàn)過電流現(xiàn)象時，電源側(cè)的來去引線上都會出現(xiàn)過電流的現(xiàn)象，所以只要在其中一條線路上配置電流傳感器就可以實現(xiàn)電流保護(hù)的功能。（2）怎樣設(shè)計死區(qū)電路？設(shè)計的原則是什么？答：可以在電路中增加一鎖存器，參考波和載波比較器輸出電壓為SP，真正用于驅(qū)動開關(guān)管的信號為PW，在SP和PW之間引入鎖存器，鎖存器

41、初始狀態(tài)Q為0，當(dāng)SP為1之后經(jīng)過一段時間所存器才為1。PW=SPQ,可見當(dāng)SP為1以后，經(jīng)過一段時間的延遲，PW才為如此引入了死區(qū)時間。死區(qū)時間設(shè)計的原則是： IGBT在關(guān)斷過程中，存在拖尾效應(yīng)，死區(qū)時間必須要大于關(guān)斷拖尾時間，避免上下橋路的直通短路。 死區(qū)時間不可以過長，影響電路占空比的正常變化。（3）附錄示例中，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：屬于開環(huán)控制，不可以實現(xiàn)穩(wěn)壓。因為參考正弦波的大小僅和信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形有關(guān)，并不能引入輸出電壓反饋，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。（4） SPWM逆變電路的輸出濾波器設(shè)計原則是什么？答： 特征頻率應(yīng)

42、該遠(yuǎn)小于最低次諧波的頻率。 不應(yīng)該過小的衰減基波頻率分量。 濾波器的電感值不應(yīng)太大，保證輸出負(fù)載變化時，輸出電壓變化不大。 濾波器的電容值不應(yīng)太大，使得流過電容的電流不至于過分的增加開關(guān)管的容量。 諧振頻率應(yīng)大于基波頻率。實驗四十五 帶功率因數(shù)校正的整流電路的設(shè)計及研究1、 實驗?zāi)康模?）掌握兩級式和三級式基本PFC拓?fù)涞墓ぷ髟砗吞攸c；（2）通過本實驗加深對功率因數(shù)分析的理解；（3）掌握基本的功率因數(shù)校正的方法與設(shè)計原則；（4）進(jìn)而擴(kuò)展到其他更新穎的功率因數(shù)的設(shè)計方法。2、 實驗原理及方案設(shè)計（1）PFC原理與其實現(xiàn)原理PFC實現(xiàn)目標(biāo)對含有電容穩(wěn)壓的負(fù)載而言，如果直接整流，則會因為電容的嵌壓

43、作用導(dǎo)致輸入電流不連續(xù)，使輸入電壓端的功率因數(shù)變得很低，并引起用電設(shè)備之間的相互干擾，電磁兼容性下降，對電網(wǎng)造成污染。這是并網(wǎng)使用的電力電子設(shè)備所不能允許的。圖45-1 無PFC環(huán)節(jié)的整流電路波形圖采用功率因數(shù)校正（PFC，power factor correction）技術(shù)不僅可以降低線路損耗，節(jié)約能源，消除火災(zāi)隱患，還可以減小電網(wǎng)的諧波污染，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。圖45-2 含PFC環(huán)節(jié)的整流電路電網(wǎng)電流波形圖電流的峰值調(diào)控圖45-3 含PFC環(huán)節(jié)的電流峰值調(diào)節(jié)電感電流工作在臨界連續(xù)模式時，（45-1）（45-2）在功率因數(shù)接近1時， 故開通時間為常數(shù)。在控制時，我們采集電感電流過零點，在電

44、感電流過零時給開關(guān)管一個固定時間的方波，這樣輸入平均電流就會跟隨輸入電壓，在穩(wěn)定輸出電壓時只需對開關(guān)管的開通時間進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到電流在峰值處被調(diào)控為正弦包絡(luò)線下的電流波。（2）PFC電路參數(shù)設(shè)計 實驗主電路主電路由單相橋式不控整流電路和Boost電路串聯(lián)而成。電感線圈副邊電壓用于判斷電感電流是否過零，在電感電流過零時，會由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓，由于在兩個二極管的電壓鉗位作用下，會由5V變?yōu)?V，單片機采集下降沿信號，用于判斷電感電流是否過零。參數(shù)設(shè)計如下：a. 變壓器參數(shù)設(shè)計一個開關(guān)周期內(nèi)，由伏秒平衡法則可得：（45-3）則開關(guān)周期：（45-4）一個開關(guān)周期內(nèi)二極管平均電流：（45-5）半個輸入電

45、壓周期內(nèi)二極管平均電流：（45-6）電路輸出功率：（45-7）開關(guān)周期：（45-8）由上式可知，當(dāng)交流輸入電壓越高，輸出功率越小，開關(guān)頻率越低。開關(guān)頻率的取值應(yīng)在較為合理的范圍內(nèi)，取為10kHz100kHz，計算后取L=2.2mH，即變壓器原邊感值為2.2mH。變壓器原邊電壓范圍為0-2202V，為使任意電壓輸入時比較器均能輸出較好的上升沿，則副邊電壓最小時仍應(yīng)大于5V，則有：可取變壓器原副邊匝比為6:1，同時加上限流電阻和箝位電路。b. 輸出濾波電容設(shè)計輸入電壓為正弦半波，輸入瞬時功率隨輸入電壓波動，當(dāng)輸入瞬時功率小于輸出功率期間，由輸出濾波電容補充不足的瞬時功率。設(shè)輸入電壓為 ，輸入瞬時功

46、率為，在一個工頻周期內(nèi)功率平衡，有 。在期間，輸入瞬時功率小于輸出功率，輸出濾波電容的電壓從最大值下降到最小值，電容釋放能量補充不足的功率。設(shè)輸出電壓紋波為 ，電容釋放的能量為：（45-9）由，推導(dǎo)得到：（45-10）按照2%的輸出紋波設(shè)計，可得濾波電容值為：為了使輸出直流電壓穩(wěn)定，母線電容可以適當(dāng)取大，選擇100uF 、450V的電解電容，再并聯(lián)10nF的高頻電容以吸收輸出高頻紋波。c. 功率器件選型根據(jù)耐壓耐流等級，整流橋選用KBJ2510；綜合考慮開關(guān)管的導(dǎo)通電阻和結(jié)電容，選擇IPW65R280C6；續(xù)流二極管選擇IDH10SG60C。圖45-4 Boost PFC主拓?fù)湓韴D（2）輔助

47、電源采用兩片專用芯片LNK302和IFX1963，分別得到5V和15V的輔助電源。分別給驅(qū)動和電路和單片機供電。圖45-5 輔助電源原理圖（3）驅(qū)動電路驅(qū)動芯片使用Infineon公司的1ED芯片，驅(qū)動電路圖如下所示。10號引腳為驅(qū)動電路輸入，6號引腳為驅(qū)動電路的輸出，2號引腳作用為開關(guān)管的過流保護(hù)，通過13號引腳/FLT輸出過流信號給單片機。圖45-6 驅(qū)動電路原理圖（4）軟件設(shè)計本次實驗使用的MCU為Infineon公司的XMC1300單片機。流程框圖如下：圖45-7 主程序流程圖使用CCU80_CC80定時器片通道1輸出PWM波。啟動時固定頻率10kHz工作，占空比由0上升到輸出電壓40

48、0V時，CCU8改為單次模式。由ACMP1通過ERU控制CCU8啟動定時器，在ACMP1輸出下降沿時啟動定時器，CCU8發(fā)出單次脈沖。ADC對輸出電壓進(jìn)行采樣，通過PI算法修改脈沖的寬度，從而實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)ADC采到電壓高于基準(zhǔn)值時，關(guān)閉CCU8的輸出。電流采樣電阻兩端電壓輸入ACMP0的同相輸入端，與反向輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)高于基準(zhǔn)電壓時，ACMP0輸入高電平，通過ERU啟動CCU8的Trap功能，停止發(fā)出PWM波。圖45-8 定時器中斷處理程序流程圖圖45-9 控制原理圖3、 實驗設(shè)備（1）Boost-PFC主電路及外圍電路（包括輔助電源、驅(qū)動電路、單片機控制電路）；（2）交流調(diào)壓器；（3）負(fù)載電阻2.3k和4.7k；（4）霍爾電流傳感器。4、 實驗步驟（1）按實驗原理圖連接電路以及主電路電源、控制信號電源及觸發(fā)電源；圖45-10 電路實物圖（2）在電路反饋的基礎(chǔ)上，調(diào)整輸入電壓，測量輸出電壓（保持負(fù)載為2.3k）；表45-1 電壓調(diào)整率測量數(shù)據(jù)輸入電壓