信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告電氣電力電子設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

電力電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)PAGE31信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告電氣電力電子設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)電氣學(xué)科大類2010級(jí)《信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)（二）》課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告(電力電子基本實(shí)驗(yàn))姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班號(hào)姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班號(hào)指導(dǎo)教師鄧春花日期2013年6月實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)閱人

目錄實(shí)驗(yàn)四十八DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計(jì)………3任務(wù)與目標(biāo)……………3實(shí)驗(yàn)原理……………….3方案實(shí)現(xiàn)與具體設(shè)計(jì)…………….4.實(shí)驗(yàn)器材…………………6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果………………6結(jié)果分析與討論………………………8實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)………………………10參考文獻(xiàn)…………………11實(shí)驗(yàn)四十八DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計(jì)任務(wù)與目標(biāo)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解單端反激變換器這種應(yīng)用很廣的電路的原理，掌握其設(shè)計(jì)方法，以及各種單端反激電路的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合；二、實(shí)驗(yàn)原理1.單端反激變換電路基本原理在基本的直流/直流變換器中引入隔離變壓器，可以實(shí)現(xiàn)變換器的輸入端和負(fù)載端的電氣隔離，從而提高運(yùn)行的安全可靠性和電磁兼容性。同時(shí)當(dāng)電源電壓V和負(fù)載所需的輸出電壓V相差較大時(shí)，也不會(huì)導(dǎo)致占空比D接近1或0。而且引入變壓器后，可以設(shè)置多個(gè)二次繞組輸出幾個(gè)不同的直流電壓。圖48-1是單端反激變換電路原理圖。電路僅有一個(gè)開關(guān)管，隔離變壓器的磁通只能單方向變化。當(dāng)有正向偏壓加在開關(guān)晶體管T的基極上時(shí)，T導(dǎo)通，當(dāng)集電極—發(fā)射極間的電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，輸入電壓加在變壓器的初級(jí)繞組上的電壓。同時(shí)，在變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)出反極性的電壓，次極的二極管D中沒(méi)有電流流過(guò)，次級(jí)繞組處于開路狀態(tài)。這時(shí)變壓器內(nèi)部并沒(méi)有能量傳遞，電源提供給初級(jí)繞組的能量全部存儲(chǔ)在變壓器中。開關(guān)管斷開時(shí)，電源停止向初級(jí)繞組提供電能，同時(shí)變壓器繞組產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，次級(jí)電路的二極管D導(dǎo)通。變壓器內(nèi)存儲(chǔ)的能量向輸出側(cè)釋放出來(lái)，給負(fù)載供電，因此該電路稱為單端反激變換電路2.自激式單端反激變換器原理及其設(shè)計(jì)圖48-2是一種常見(jiàn)的自激式單端反激變換電路，簡(jiǎn)稱RCC電路（RingingChokeConverter），廣泛應(yīng)用于50W以下的開關(guān)電源，它不需要專門的振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由輸入電壓與輸入、輸出電流改變頻率?；驹恚築JT的集電極驅(qū)動(dòng)變壓器的主繞組，變壓器的反饋繞組經(jīng)電阻或由電阻電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)接入基極，反饋繞組的極性要保證電路為正反饋連接；同時(shí)，要對(duì)BJT的基極加入適當(dāng)偏置；由于正反饋?zhàn)饔茫珺JT的初始集電極電流會(huì)被正反饋至基極，使基極電流增加，進(jìn)而引起集電極電流增加、基極電流進(jìn)一步增加，由于正反饋過(guò)程，電路最終達(dá)到BJT飽和導(dǎo)通；之后會(huì)發(fā)生變壓器磁心飽和或基極反饋電容充電達(dá)到極限等因素限制，使集電極電流停止增大，變壓器磁芯磁通停止增大，繼而基極反饋電壓極性反轉(zhuǎn)，BJT截止；然后電路恢復(fù)初態(tài)，進(jìn)入下一個(gè)震蕩周期。期間：，，C2給負(fù)載放電，變壓器磁路飽和，T1儲(chǔ)能；期間：＜0，VNP由0變負(fù)，VT1加速關(guān)斷，T1釋放能量給負(fù)載；結(jié)論：①；②；③；④；⑤；三、實(shí)驗(yàn)器材電力電子實(shí)驗(yàn)裝置；相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹粚?shí)驗(yàn)控制電路板；功率供電電源；控制電源；實(shí)驗(yàn)箱面包板；示波器；UA741；10k電阻等四、實(shí)驗(yàn)方案與具體步驟1、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：1）采用實(shí)驗(yàn)室模塊（實(shí)驗(yàn)電路板B07）完成實(shí)驗(yàn)，電路圖如圖48-3所示；2）實(shí)驗(yàn)電路的允許波動(dòng)范圍為80~120v，輸入電源額定電壓為100v；3）注意：自激單端反激電路一般不能在輸入為0或很低時(shí)接通電路，以免影響自激振蕩；4）導(dǎo)通方式：根據(jù)電路工作范圍確定合適輸入電壓，將電源電壓調(diào)至該值（不可過(guò)大），再突然接通電路，使其正常工作；實(shí)驗(yàn)中TP8、TP9間電壓＜40v，以免炸電容；5）實(shí)驗(yàn)步驟：輸入電源電壓為最低輸入電壓時(shí)觀察電路的自激起振情況；輸入電源電壓為額定值，負(fù)載為額定負(fù)載時(shí)，輸出電壓的穩(wěn)壓情況；輸入電源電壓在最低最高電壓之間變化時(shí)，輸出電壓的穩(wěn)壓情況；具體步驟：a、斷開JP1，輸入電壓80V，觀察電路的自激起振情況，記錄相應(yīng)波形；b、輸入額定電壓100V，記錄輸出電壓值，記錄VI,V2數(shù)值。c、輸入電壓為80V,100V,120V時(shí)的開環(huán)輸出特性。d、連接JP1，引入電路板自帶負(fù)反饋，形成閉環(huán)，測(cè)量閉環(huán)特性：改變輸入電壓，記錄輸入為80V,100V,120V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓值；圖48-3單端反激驗(yàn)證試驗(yàn)原理圖2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)室電路板自帶的負(fù)反饋有以下問(wèn)題：電路只能在輸出電壓大于額定輸出電壓時(shí)才有負(fù)反饋?zhàn)饔茫敵鲭妷盒∮陬~定輸出電壓時(shí)則沒(méi)有負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此?dāng)輸出電壓小于額定電壓時(shí)變壓器負(fù)反饋的作用不能發(fā)揮；為解決上述問(wèn)題，選擇用由霍爾電壓傳感器與差分運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電路來(lái)對(duì)原電路進(jìn)行負(fù)反饋，改善電路自帶負(fù)反饋存在的問(wèn)題；霍爾傳感器參數(shù)選擇：已知輸出額定電壓Vo=12.5V，霍爾電壓傳感器參數(shù)為10mA/25mA，設(shè)計(jì)輸入電阻為10，輸出電阻為2，12.5/（10X10^3）X25/10X2000=6.25V；從而運(yùn)放的且,由此可得：當(dāng)時(shí)，使VF1提前關(guān)斷，傳遞到變壓器次級(jí)的電壓V2的脈沖寬度變窄，整流濾波后的電壓降低到所需要的幅值；當(dāng)時(shí)，使次級(jí)的電壓V2的脈沖寬度變寬，使電壓升高到所需要的幅值。具體步驟：1）開環(huán)部分與實(shí)驗(yàn)（一）相同（用實(shí)驗(yàn)室電路板完成），在此不再重復(fù)實(shí)驗(yàn)；2）閉環(huán)部分：引入霍爾傳感器與運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋，形成閉環(huán)；閉環(huán)反饋實(shí)驗(yàn)原理圖如圖48-4所示；a、斷開JP1，在PI2的2腳與PO3的3腳間接入負(fù)反饋電路，測(cè)量閉環(huán)特性；b、將上述數(shù)據(jù)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生不同的原因；圖48-4設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的閉環(huán)電路圖五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：1）有負(fù)反饋時(shí)：①直流輸入82.5V：圖48-5直流輸入82.5V時(shí)變壓器原方繞組波形頻率25.3kHZ，峰峰值234V，最大值96V；圖48-6直流輸入82.5V時(shí)12V副方繞組電壓波形27.2KHZ，峰峰值64V，最大值28.8V；圖48-7直流輸入82.5V時(shí)5V副方繞組波形27.2KHZ，峰峰值28.5V，最大值12V；圖48-8直流輸入82.5V時(shí)Vce電壓波形頻率25.1KHZ，峰峰值233V，最大值24V；②額定輸入100V：圖48-9直流輸入100V時(shí)變壓器原方繞組電壓波形頻率31.07KHZ，峰峰值252V，最大值116V；圖48-10直流輸入100V時(shí)變壓器12V副方繞組電壓波形頻率34.6khz，峰峰值68.8V，最大值36.6V；圖48-11直流輸入100V時(shí)變壓器5V副方繞組電壓波形34.6KHZ，峰峰值30.6V，最大值15.2V；圖48-12直流輸入100V時(shí)Vce電壓波形34.36KHZ，峰峰值252V，最大值236V③輸入電壓120V：圖48-13直流輸入120V時(shí)原方繞組電壓波形頻率37.05KHZ，峰峰值276V，最大值138V；圖48-14直流輸入120V時(shí)12V副方繞組電壓波形37.1KHZ，峰峰值72V，最大值38V；圖48-15直流輸入120V時(shí)5V副方繞組電壓波形37.13KHZ，峰峰值32.4V，最大值16.4V；圖48-16直流輸入120V時(shí)Vce電壓波形36.98KHZ，峰峰值280V，最大值264V以上三次測(cè)量，穩(wěn)壓管的三輸出端口輸出分別為：11.8V，-12.09V，5.02V；2）沒(méi)有接反饋時(shí)：（因?yàn)橐敕答伜蠼?jīng)過(guò)幾個(gè)圖的觀察，波形的幅值、頻率等參數(shù)會(huì)變，但波形幾乎不變，所以以下沒(méi)有截圖，直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析；）①直流輸入80V波形數(shù)據(jù)：a、原方繞組波形數(shù)據(jù)：26.62KHZ，峰峰值210V，最大值92V；b、12V副方繞組波形數(shù)據(jù)：29.0KHZ，峰峰值58.4V，最大值28V；c、5V副方繞組波形數(shù)據(jù)：28.9KHZ，峰峰值26.4V，最大值12V；d、Vce波形數(shù)據(jù)：28.9KHZ，峰峰值220V，最大值182V；e、三輸出端口輸出分別為：12V副方側(cè)：25.6V；5V副方側(cè)：11.75V；②直流輸入100V：a、原方繞組波形數(shù)據(jù)：27.2KHZ，峰峰值274V，最大值116V；b、12V副方繞組波形數(shù)據(jù)：29.3KHZ，峰峰值78V，最大值38V；c、5V副方繞組波形數(shù)據(jù)：29.2KHZ，峰峰值35.2V，最大值15.2V；d、Vce波形數(shù)據(jù)：29.22KHZ，峰峰值288V，最大值270V；e、三輸出端口輸出分別為：12V副方側(cè)：34.2V；5V副方側(cè)：15.8V；③直流輸入120V：a、原方繞組波形數(shù)據(jù)：27.24KHZ，峰峰值344V，最大值140V；b、12V副方繞組波形數(shù)據(jù)：29.17KHZ，峰峰值97.6V，最大值47.2V；c、5V副方繞組波形數(shù)據(jù)：29.1KHZ,峰峰值44.8V，最大值20V；d、Vce波形數(shù)據(jù)：29.05KHZ，峰峰值360V，最大值338V；e、三輸出端口輸出分別為：12V副方側(cè)：45V；5V副方側(cè)：20.7V；有反饋的輸出：①直流輸入80V：12V副方側(cè)：22.7V，5V副方側(cè)：10.45V；②直流輸入100V：12V副方側(cè)：27.2V，5V副方側(cè)：12.55V；③直流輸入120V：12V副方側(cè)：28.4V，5V副方側(cè)：13.09V；綜上分析：相比沒(méi)有反饋的時(shí)候，有反饋時(shí)的輸出相對(duì)來(lái)說(shuō)是很穩(wěn)定的，但是有幾個(gè)問(wèn)題：1）電路中雖然引入了變壓器負(fù)反饋，但電路只能在輸出電壓大于額定輸出電壓100V時(shí)才有明顯穩(wěn)壓效果，而但輸出電壓小于額定輸出電壓時(shí)則沒(méi)有負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此?dāng)輸出電壓小于額定電壓時(shí)變壓器負(fù)反饋的作用不能發(fā)揮；2）即使輸出電壓大于額定輸出電壓100V時(shí)，其輸出也在波動(dòng)，并不是很好的穩(wěn)壓；誤差分析：實(shí)驗(yàn)中的各種損耗，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定影響；2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：（各種實(shí)驗(yàn)波形和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相似，以下只記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）①開環(huán)實(shí)驗(yàn)：表48-1開環(huán)12V副方側(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)Vi/V80100120Vo/V25.4734.3345.34表48-2開環(huán)5V副方側(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)Vi/V80100120Vo/V11.6515.8320.96圖48-17設(shè)計(jì)電路開環(huán)時(shí)12V特性曲線圖48-18設(shè)計(jì)電路開環(huán)時(shí)5V特性曲線②閉環(huán)實(shí)驗(yàn)：表48-3閉環(huán)12V副方側(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)Vi/V80100120Vo/V26.9127.3527.80表48-4閉環(huán)5V副方側(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)Vi/V80100120Vo/V12.2412.4512.76圖48-19設(shè)計(jì)電路閉環(huán)時(shí)12V特性曲線圖48-20設(shè)計(jì)電路閉環(huán)時(shí)5V特性曲線六、實(shí)驗(yàn)分析1.從波形圖可以看出，開環(huán)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)輸入最低輸入電壓80V時(shí)，Vce是嚴(yán)格的方波波形，也就是說(shuō)可以自激起振。由表48-1所示的開環(huán)特性，可以看出輸出電壓隨著輸入電壓的升高而升高，且隨著輸入電壓的升高與額定輸出電壓差值越來(lái)越大，由此可知基本沒(méi)有穩(wěn)壓能力。由表48-2的所示的加入變壓器負(fù)反饋后的閉環(huán)特性，可以看出輸出電壓的變化范圍比開環(huán)時(shí)小且與額定輸出電壓的差值明顯減小，比開環(huán)有更好的穩(wěn)壓特性，但仍然沒(méi)有很好的穩(wěn)壓效果。由表48-3可知，加入霍爾傳感器與運(yùn)放的負(fù)反饋電路后，隨著輸入電壓的變化，輸出電壓基本維持在Vref=12V，具有較好的穩(wěn)壓特性。實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)這次的電力電子設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)真的讓我感觸良多。在這次實(shí)驗(yàn)中，我們小組最失敗的不是實(shí)驗(yàn)完成的不理想而是花了太多的時(shí)間在選題上。在老師講解設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的課堂上給了我們一些實(shí)驗(yàn)題目供我們選擇，但或許就是因?yàn)檫x擇性太多導(dǎo)致我們遲遲無(wú)法決定到底選擇哪個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前，鑒于老師的建議，我們提出了多個(gè)方案。包括“帶功率因數(shù)校正的整流電路設(shè)計(jì)及研究”、“電動(dòng)機(jī)速度開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)”、“DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”等等。在開題報(bào)告的確定過(guò)程中，我們?nèi)?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地考察，了解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題。關(guān)于“帶功率因數(shù)校正的整流電路設(shè)計(jì)及研究”，我們了解了實(shí)驗(yàn)室提供的器材和設(shè)備，由于實(shí)驗(yàn)需要自己搭建電路，而電路又較復(fù)雜，為了電路的正常工作，最好是由我們動(dòng)手焊接電路板，而這個(gè)問(wèn)題，僅有的三個(gè)星期時(shí)間還是很難解決的。關(guān)于電動(dòng)機(jī)速度開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)，考慮到當(dāng)時(shí)對(duì)于電拖這門課認(rèn)識(shí)的還不夠深入，最終還是放棄了。于是，我們又進(jìn)一步對(duì)自己的方案進(jìn)行了深入的可行性分析，最后，由于時(shí)間緊迫，經(jīng)過(guò)小組討論，我們確定了“DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”方案。由于在選題上花費(fèi)了很多時(shí)間造成我們?cè)谡嬲O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路上反而顯得有些倉(cāng)促了。盡管最后還是順利完成了實(shí)驗(yàn)，但是像我們小組這樣花大把時(shí)間在選題上真的是得不償失，選題的確不該草率，但是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)還是應(yīng)該在創(chuàng)新設(shè)計(jì)上。在“DC/DC單端反激式變換電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”過(guò)程中，我們明確分工、相互合作。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們還是遇到了許多問(wèn)題。比如怎樣把霍爾傳感器反饋連接到實(shí)驗(yàn)電路板上，比如波形顯示非常不穩(wěn)定的問(wèn)題，通過(guò)我們自己的思考和多次的試驗(yàn)，最后終于完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)。關(guān)于實(shí)驗(yàn)電路的連接問(wèn)題，由于有些實(shí)驗(yàn)電路板比較老舊很多節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)被磨平給我們的連線造成了很大的困難。特別是在做霍爾傳感器反饋的時(shí)候，我們自己設(shè)計(jì)的差分放大器是在面包板上的，但是面包板和實(shí)驗(yàn)電路板之間根本沒(méi)有匹配的導(dǎo)線可供使用，最后實(shí)在是沒(méi)有辦法，還是曾楚云同學(xué)當(dāng)機(jī)立斷選擇剪開一部分導(dǎo)線直接連接，如此才算是解決了這個(gè)問(wèn)題。關(guān)于波形顯示的問(wèn)題，一開始我們?cè)谧鲎约ふ袷幍臅r(shí)候，正確的波形總是出現(xiàn)個(gè)幾秒又立刻消失不見(jiàn)，只剩下干擾信號(hào)，讓我們一點(diǎn)辦法沒(méi)有，最后我們?nèi)擞质菗Q電路板又是換導(dǎo)線終于讓干擾信號(hào)消失得到了正確的波形。電力電子學(xué)這門課程的實(shí)用性很強(qiáng)，因此實(shí)驗(yàn)就顯得非常重要。剛開始做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由于自己的理論知識(shí)有限，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到了許多難題。這也使我感到了理論知識(shí)的重要性。但是我并沒(méi)有氣餒，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自己看書，獨(dú)立思考；實(shí)在無(wú)法解決的問(wèn)題就向老師和同學(xué)求助，最終解決問(wèn)題。在這種情況下，我更加加深了對(duì)課本理論知識(shí)的理解。此外，