华中科技大学电力电子实验报告

华中科技大学电力电子实验报告 电气学科大类 09 级 《信号与控制综合实验》课程 实 验 报 告 (基本实验四: 电力电子基本实验) 姓 名 学 号 专业班号 同组者 学 号 专业班号 指导教师 韦忠朝 万山明 日 期 2012/5/17 实验成绩 评 阅 人 实验评分表 实验编号名称/内容 实验分值 评分 实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制 的实现 实验二十九 DC/DC PWM升压降压变换电 路性能的研究 基本实验 实验三十 三相桥式相控整流电路性 能的研究 实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变 电路性能的研究 实验名称/内容 实验分值 评分 设计性实验 教师评价意见 总分 目 录 实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现 ..................................................................... 3 任务与目标..................................................................................................................................... 3 总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................................................................................................. 3 方案实现和具体设计 ..................................................................................................................... 3 实验设计与实验结果 ..................................................................................................................... 4 结果分析与讨论 ............................................................................................................................. 4 思考题............................................................................................................................................. 5 实验二十九 DC/DC PWM升压降压变换电路性能的研究 ....................................................... 6 任务与目标..................................................................................................................................... 6 总体设计方案 ................................................................................................................................. 6 方案实现和具体设计 ..................................................................................................................... 6 实验设计与实验结果 ..................................................................................................................... 9 结果分析与讨论 ........................................................................................................................... 14 思考题........................................................................................................................................... 15 实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究 ...................................................................... 16 任务与目标................................................................................................................................... 16 总体设计方案 ............................................................................................................................... 16 方案实现和具体设计 ................................................................................................................... 17 实验设计与实验结果 ................................................................................................................... 17 结果分析与讨论 ........................................................................................................................... 18 实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究 ................................................ 16 任务与目标................................................................................................................................... 16 总体设计方案 ............................................................................................................................... 16 方案实现和具体设计 ................................................................................................................... 17 实验设计与实验结果 ................................................................................................................... 17 结果分析与讨论 ........................................................................................................................... 18 心得与自我评价................................................................................................................................... 19 参考文献 实验二十八PWM信号的生成和PWM控制的实现 一、任务与目标 1.熟悉PWM集成电路芯片TL494的基本功能和使用; 2.基于PWM芯片的控制电路设计。 3.调试验证电路的正确性 二、总体方案设计 图28-1 PWM集成电路芯片TL494原理框图 三、方案实现及具体设计 本实验采用单路输出，将端口13接地。 1( PWM脉宽调节:软启动后，在V1端口施加电压作为反馈信号Vf，给定信号Vg=2.5v，改变V1端口电压大小，即可改变V3,从而改变输出信号的脉宽。V3越大，K越大，C=J+K越大，脉宽越小;反之脉宽越大。 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 不同V1下的输出波形并与预计实验结果比较。 2( 软启动波形:为防止变换器启动时较大的冲击电流，控制芯片TL494和其他控制芯片相似也采用了软启动。在启动时，为防止变换器冲击电流的出现，驱动脉宽应从零开始增大，逐渐变宽到工作所需宽度。本实验中此功能由脉冲封锁端口电位的逐渐开放来实现，电位又打逐渐变小，便可实现软启动。为对控制芯片的该控制过程有更明确和清晰的认识，我们可以观察芯片启动过程中“启动和保护端口4”(TP3)的电压波形变化并与实验前预测进行比较。 3( 观察TL494控制芯片的脉冲封锁功能:本实验中脉冲封锁很容易实现，可以通过增大V4电位实现，进行简单的观察，可以通过改变JP2接法增大V4电位，使得V4+0.12>Vct，则输出立即封锁。 4( 死区时间测量:使反馈电压为零，即V3=0，则K=0，调节V4电位，观察并记录PWM输出波形，并测量死区时间。 5( 观察PWM控制芯片TL494的过流保护功能:通过在I1和I2端口施加可变电压，观察封锁时间(相关封锁指示灯亮，输出变为零)，并记录封锁时的施加电压，认识芯片TL494的限流保护功能。 VI1=2.97v VTP3=V4=7.04v HL2亮 封锁 VI2=11.08v VTP3=V4=7.04v HL1亮 封锁 表28-1 TL494过流保护功能观察 四、实验设计与实验结果: 图28-2 控制芯片TL494的参考锯齿波Vct 图28-3 施加电压V1=2.4V时的输出驱动信号 图28-4 施加电压V1=2.42V时的输出驱动信号 -5 施加电压V1=2.44V时的输出驱动信号 图28 图28-6 施加电压V1=2.4V时的输出驱动信号 图28-7 软启动时端口4波形变化曲线 图28-8 死区时间测量 ,,ts7, 五、结果分析与讨论 对实验结果进行一个简单的分析，由于本实验是一个认识性试验，因此不存在理论误差的问题，只有理论认识与实验结果的差距，从实验结果上看，实验结果和理论认识基本吻合，小的偏差是由于认识上的不足造成的。例如在脉宽调节输出中，随着施加反馈电压的增大，占空比应该减小，但输出电波形中则显示变大，这说明在控制芯片输出中有反向环节，是视觉上的颠倒造成的的，不是根本性的错误。当然本实验的最终目的不仅仅局限于认识PWM控制芯片，而在于能够根据对PWM输出驱动电路结构的要求，能够自己独立完成PWM芯片的原理和结构设计，这才是本实验的终极目的。对于这一点个人觉得自己在理论上和实践上都还存在上很大差距，需要继续学习。 六、实验思考题: 1.如何验证你设计的PWM控制电路具有稳压控制功能, 答:可以使用直流稳压电源在电压反馈端输入一直流电压，调节变阻器RP1的大小，使得输入芯片LS4941号管脚的反馈电压V+接近于V-,观测V+变化时输出的反馈电压VF的大小。V-端电压固定于2.5V左右，由于反馈放大器放大倍数高达39倍，所以当V+的电压在2.4V至2.5V变化时输出的反馈电压即发生改变，进而由于VF电平的变化，会使得输出脉冲电压的占空比发生改变。 2.如何验证你设计的PMW控制电路所具有的保护功能, 答:保护功能包括输入过电流保护以及电源输入过电流与输出过电流的封锁功能。可以在电流反馈I1端加入一直流电压模拟输出电流。一方面当直流电压增大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。当直流电压继续增大时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的电压占空比为0，同时红灯亮，提示过流环节出现的位置。可以在电流反馈I2端加入一直流电压模拟电源侧的输入电流，当直流电压增大至一定值时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的脉冲电压占空比为0。 3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。 答:软启动过程中会出现一系列逐渐变宽的脉冲波形，使得占空比逐渐增大，输出的直流电压逐渐升高。这样做的优点是防止电路中出现较大的冲击电流，比如变压器或电感因出现的的冲击电流而导致磁路饱和，进而损坏元件。 4.说明限流运行时PWM控制方式的变化。 答:电流比较器通过输出电流的反馈来影响死区时间，防止电流过大。所以进行限流运行时，由三角波和直流电压进行比较产生的PWM控制，也受到了反馈电流的限制。 实验二十九 DC/DC—PWM 升压、降压变换电路性能研究 一、任务与目标 1.验证研究DC/DC PWM降压变换电路的工作原理和特性。 2.进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。 3.了解电压电流传感器的选用原则。 4.建立驱动电路的概念和要求。 5.掌握反馈环节的概念，设计反馈电路。 6.掌握滤波器的概念与设计原则。 二、总体方案设计 1. DC/DC变换器主电路原理 DC/DC变换器主电路原理图如图29-1所示，图中DC/DC变换器主电路中接入了两个霍尔电流传感器，分别检测主电路输入电流和输出电流。 L1G1电流霍尔电流霍尔 10mH 电压霍尔，D1R1VV250/50W,C1100uFVs AA 图29-1 DC/DC BUCk变换器主电路原理图 2. PWM集成电路芯片TL494原理图 13 R6TPTaG1S181DGR驱TQ9触振荡器动CKCCT5发锯齿波Tb11电ECG2T器G2S2BVQ路BC死区时间v，15V10与门CT,比较器0.12VC03起动和保4，J,，护电路VC40.7，VCTR0C,J，K,,，或门死区4，K，V时间ccM2VM10.7mA3比较PWM比较器，15V器封锁端输出电压调节器电流比较器VCCV4高DD，，1212Vref封锁12A,,XYGND 1516712143电压误差5.0VVVIgIfMFR信号端PVA 图29-2 PWM集成电路芯片TL494原理图 VCC图29-2是PWM芯片电路原理图，图中12端接输入工作电压，7端接地，14端可得到内部 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电压5伏，13端为输出方式控制端: C?若13端接地、V13为低电位时，P=0，D=0，E=0，G1= =G2，Ta、Tb两路输出相同，如图29-2中所示。即单路输出，本实验中只驱动一个开关管，故将13点接地用单路输出，若将两路并联可扩大输出容量。 G,Q，CG,Q，C12?若13点接+5V，V13为高电位时，P=1，， 在C=1时，G1=0，G2=0，T1，T2都截止，无驱动信号。 若C=0，Q=0时，G1=1，驱动T1，G2=0，T2截止 Q若C=0，=0时，G2=1，驱动T2，G1=0，T1截止 这时G1 G2的输出相差180?，为双路输出。双路输出时G1 G2的电位或T1、T2的通、断状况与RS触发器状态有关。 RCR,CTTTTf当6端外接电阻,5端外接时，5端将产生频率=1.1/的锯齿波 VVVgCTf; 2、1两端引入DC/DC变换器输出电压的给定值和反馈值;3端为电 V,VVVVfg333压调节器输出的误差电压，,K()，送至PWM比较器的同相端， vVVVCTKCT3反相端电压为0.7V，。当(+0.7V)<时，PWM比较器输出电压,1(高电位)，C点高电位，或非门输出G1、G2点电位为零，Ta、Tb截止，无输出 信号，主开关管T1、T2截止。 三、方案实现和具体设计 1.选择主电路元件的参数，搭建主电路 20%;输出电压为50V。可以使用实验面BUCK电路要求输入电压为100V? 板上的BUCK电路进行连线搭建。 2.选择滤波器的参数 选择滤波器的参数主要从两个方面来考虑: (1)从断流考虑。在运行范围内保证不出现断流的情况。 临界负载电流为: VVSO (29-1) I,D(1,D),(1,D)OB2Lf2LfSS 负载电流最小值为0.2A, 取占空比Dmin=0.4 ，fs=10KHz, 对应得出的最小电感值应为3.65mH。 (2)脉动电压不大于1% 2,Vf,2OC根据脉动电压公式: (29-2) ,()(1,D)V2fOS 1其中:fs为开关频率， (29-3) f,C2,LC 取占空比D0.4，fs=10KHz,可以得C= 7.5uF min=min 根据以上原则，并且保留一定的阈值，选择电感参数为:10mH,电容参数为:100uF。 3.传感器的选择 本次试验使用霍尔电压传感器和电流传感器。一方面测量电流以及电压的大小，另一方面将电压信号和电流信号反馈至控制电路板中实现保护和反馈控制的功能。 (1)霍尔电流传感器的设计 本试验板上的霍尔电流传感器的传输比为:50A/50 mA,可见在一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为1mA。为了提高试验测量的精度选择5匝端子使得灵敏度提高5倍即一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为5mA。 传感器二次侧电阻的选择: 电流传感器可以将输出电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I1引脚。当输入I1电压大于一定值时可以使得电路启动过电流封锁。输出电流的额定电流为2A，可以考虑一定的阈度，当电流大于3A时启动过电流封锁功能。此时对应的霍尔传感器的二次侧电流为15mA。所以在二次侧可以接入300欧姆的电阻使得当输出电流为3A时对应二次侧的输出电压为4.5V，使得控制电路启动电流封锁功能。 电流传感器也可以将输入电流信号转化为电压信号反馈至控制电路板的I2引脚，在二次侧可以接入2000欧姆的电阻，从而通过测量电压值来观察输入电流的变化。 (2)霍尔电压传感器的设计 电压传感器的作用主要是实现电压反馈功能实现输出电压的闭环控制。 电压传感器的本质也为电流传感器。在被测量的支路上并联一大电阻。电阻侧流过的电流为V1/R (V1为输出电压的大小，R为并联在支路侧的电阻，在实验台上为15K欧姆),电阻侧流过的电流类似于霍尔传感器的一次侧电流。已知传感器的电流传输比为10mA/25mA。所以对应的二次侧输出电压为: V1 (29-4) V,，2.5R22R ,(为二次侧所接的电阻)。 R2 输出电压经过传感器测量产生电压信号输入至控制电路的V1口，再进过电路内部的分压之后输入至TL494芯片的V+引脚处实现电压反馈，使得输出电压一定。 额定运行时输出电压为50V，希望反馈至V+端的电压值为2.5V，即V+=V-=2.5V使得电路稳定工作。根据此原则可以确定电压传感器二次侧的电阻值。 V+=2.5V时对应的V1电压值应为5V。所以当输出电压为额定值50V 时，传 ，根据上述公式可以确定R2值应为600欧姆。 感器输出电压的大小应为5V 本实验输出电压小于100V，所以可以选择150V量程。 四、实验设计和实验结果 通过调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化 1. 开环实验 采用控制变量法，即:保持负载电阻大小不变，调控输入的直流电压值，观测输出电压大小的变化;保持输入的直流电压值不变，变化负载电阻大小，观测输出电压大小的变化。 (1)空载(实际负载电阻值为250欧姆),占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。 (2)输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻分别并联500Ω、200Ω、100Ω电阻，观察输出电压以及输出电流的变化。 2. 闭环实验 同样也是采用控制变量法，将实验的结果和开环实验的结果进行比较。 (1)空载(实际负载电阻值为250欧姆),占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。 (2)输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻分别并联500Ω、200Ω、100Ω电阻，观察输出电压以及输出电流的变化。 实验结果如下: 1. 开环实验数据 (1)空载,占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。 输入电压/V 120 110 100 90 80 输出电压/V 66.2 60.52 54.92 49.26 43.94 输入电流/A 0(02 0(02 0(02 0(02 0(02 输出电流/A 0(27 0(25 0.23 0.19 0.18 表29-1 输出电压实验数据表 分析:D=0.5时，变换电路的变比为0.5，当输入电压从80V变化至120V时，输出电压也是近似的从43V变化至66V。可见在开环的情况下当输入电压变化时输出电压将随输入电压成比例变化。 (2)输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻分别并联500Ω、200Ω、100Ω电阻，观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表2所示。 并联500并联200并联100 RL/欧姆 Ω Ω Ω 输出电压/V 38 42(5 45 输入电流/A 0(019 0(020 0(034 输出电流/A 0(31 0(37 0(64 表29-2 输出电压实验数据表 分析:负载增大时，输出电流增大，由于存在输出电阻使得输出电阻分压增大，负载端电压下降。可见当电路开环运行时，当输入电压的大小以及输出负载的大小变化时，输出电压将随负载电阻增大而增大。 2. 闭环实验数据 (1)空载(实际负载电阻值为250欧姆),占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。 输入电压/V 120 110 100 90 80 输出电压/V 66.34 60.86 55.12 50(04 44.28 输入电流/A 0(019 0(018 0(016 0(015 0(013 输出电流/A 0(20 0(20 0(20 0(20 0(20 表29-3 输出电压实验数据表 (2)输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻分别并联500Ω、200Ω、100Ω电阻，观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表4所示。 RL/欧姆 并联500Ω 并联200Ω 并联100Ω 输出电压/V 38 42(5 45 输入电流/A 0(021 0(026 0(033 输出电流/A 0(30 0(42 0(60 表29-4 输出电压实验数据表 分析:当负载变化时，输出电阻的存在会使得输出电压发生变化，但是由于引入电压反馈，当电阻变化时，输出电压的变化将比开环是平缓很多，即电压变化量很小。综合实验可以发现当输入电压以及负载电阻变化时，由于电压反馈的作用，输出电压并不会发生变化。电压反馈可以很好的维持输出电压的稳定。 3、实验测得PWM波形 图29-3 实验测得PWM波形 五、实验结果讨论 本实验从掌握基本的实验电路入手，熟练掌握电路的功能和工作过程，在开环控制中只有简单的驱动控制，而在闭环环节中则要添加输出电压反馈环节，且在进行每个实验环节的同时，必须要有电流控制环节(防止电路过流)。 从实验数据上看，本次实验的实测值与理论值之间存在着误差，当然误差的原因是来自多方面的。首先占空比的测量由于示波器的精度不高而存在误差，而输入输出电压的读取则是用眼睛估读的(机械式仪表)，存在较大误差;此外线路误差及系统模型本身存在的系统误差也是客观存在的。在闭环实验中，误差除了以上因素外，还有就是霍尔电压传感器中采样电阻的选取不够精确，这是受到实验条件和环境限制的，我们不可能选取可以进行阻值微调的采样电阻，这也是造成误差的一个重要来源。从闭环实验数据不难发现，闭环实验相对开环实验而言还是具有较小的误差的，这是因为反馈环节造成的，因为输出反馈可以有效抵消前向通道中的系统误差。 从开环实验数据中，我们不难发现，输出电压跟随输入电压、占空比和负载而发生变化，特别是负载变化时，输出电压会随着负载发生较大幅度的波动(负载变大，输出变大)，但波动范围实在理论值左右，造成这种结果的原因是负载电流的变化，随着负载电阻的变大，输出电流不断变小以致断流，这样使输出电 D压不断变大，而不再符合电流连续时的，而是，因此实验VDV,VV,0s0sDD，1结果是与理论相符合的。而输出电压与占空比及输入电压的变化，则基本符合 ，只是存在误差而已。 VDV,0s 闭环实验中，输出电压随着输入电压和负载的变化，基本不发生变化(浮动很小，是由系统误差和采样电阻误差造成的)，即使负载很大而造成电流断流，也能很好的维持输出电压的很定。由此可以得出结论，电压反馈环节具有很强的稳压功能。 比较Buck电路的开环特性和闭环特性，可以得出结论:开环特性不具备稳压功能，而闭环特性则具有良好的稳压特性，能够实现很好的稳压控制，优点突出。可以应用于电机的稳压调速等多种场合。另需说明的时由于驱动电路内部产生的驱动信号的产生存在反向环节，因此是驱动信号为低电平，开关管导通，为高电平时，开关管阻断。 建议:个人认为实验主体箱上最好有微调电阻，这样我们便可以进一步精确采样电阻的选择，减小实验误差;主体箱上各仪表采用数字式仪表，减小读数误差;提高实验室示波器的分辨率。 六、实验思考题 1. BUCK电路中的电感电流连续与否会有什么影响,哪些参数会影响电流连 续,实验如何保证电流连续, V答:是。由于电感断流后，续流二极管不导电，其阴极电位不再等于0而等于，o VV因而提高了输出电压平均值。临界负载电流与输出电压、电感L、开关频率oo fs以及开关管的D占空比都有关。实验室中电感很大时，临I,V(1,D)/2LfOBoS 界电流很小，就很容易使电流连续 2. BOOST电路中，为什么D不能等于1,实验中如何保证D不等于1, 答:在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能量通过二极管D的释放过程，也就是说必有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必会使Vo不断升高，最后使变换器损坏。实际工作中，为了防止输出电压过高，Boost电路不宜在占空比D接近于1的情况下工作。 利用死区时间可以使得D不接近1 3. 两种电路中L和C的设计应满足什么原则, 答:(1)脉动电压值控制在1%以内。 2,Vf,2OC,()(1,D),0.01V2f根据脉动电压公式:Buck OS ,V11O Boost ,D,0.01VfRCOS 1f,其中:fs为开关频率， C2,LC 根据电路实际运行的参可以推得Buck中LC的最小值或Boost中电容的最小值。 (2)从断流考虑。在正常运行范围内保证不出现断流的情况。 VO临界负载电流为: Buck I,(1,D)OB2LfS V2O Boost I,D(1,D)OB2LfS 根据运行时的具体情况可以得求Buck中电感L最小值，最后再求出电容的最小值或Boost中电感的最小值。 4. 实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些, 答:本实验电路的开关管为三极管。驱动电路的要求为: (1)控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离，使得主电路的高电压大电流不会对控制电路产生电磁干扰。 (2)开通时有较高的强触发，以减短开通时间。 (3)开通后基极电流要适当减小，以减小通态时基射结损耗，同时使得三极管不至于过饱和导通。 (4)关断时施加反向脉冲电流，缩短关断时间。 (5)断态时最好施加反向基射电流，增加晶体管阻断电压的能力。 5. 实验电路中，传感器选取有哪些原则, 答:(1)根据实验要求选择合适的传感器，例如本实验选取霍尔传感器是因为该类型传感器精度高、原边与副边完全隔离、动态性能好、可靠性高以及抗电磁干扰能力强。 2)选取的传感器的量程应大于被测量，但不能过大。 ( (3)传感器的精度应该满足要求。 (4)当传感器用于反馈时还需要考虑传感器的动态响应性能。 实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究 一、任务与目标 1. 了解相控整流的基本原理，掌握不同性质负载时三相桥式相控整流电路 输出直流电压的控制特性。 2(观察输出直流和输入交流的波形。 二、总体方案设计 图30-1 三相全桥相控整流主电路 三、方案实现和具体设计 (1)输入电流瞬时值，可以在A相电源引线上传入霍尔传感器; (2)输出直流电压的大小，可以在负载侧直接使用示波器测量(衰减10倍); (3)霍尔电流传感器的设计 霍尔传感器主要用于测量输入电流大小。为了提高测量的灵敏度，可以选择“5匝”端使得灵敏度变为5倍。同时在二次侧传入300欧姆电阻。此时传感器变比为1A/1.5V。 触发控制角α与整流直流输出电压平局值的关系为 vD 32 ,cosα,cosαvvv D1D0π 四、实现设计与实验结果 1.寻找相控角和指针式电位器电阻值的关系。 接通主电路，令输出侧空载，直接接示波器的输入引脚观察相控角和电位器阻值之间的关系。 相控角/? 0 30 60 90 电阻值/欧姆 7.36 5.58 3.95 2.31 表30-1 相控角和电位器阻值之间的关系表 2.接纯电阻负载R=200欧姆，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、输入电流波形。 相控角/? 0 30 60 90 理论V/V 115 101.3 58.5 0 D 实测V/V 106 90.2 48.5 8.9 D 表30-2 纯阻性负载下相控角和输出电压的关系 当α=0时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-2 相控角等于0?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=30时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-3 相控角等于30?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=60时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-4 相控角等于60?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=90时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-5 相控角等于90?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 2、接负载，观察相控角对输出电压的影响，记录输出电压、R,200,,L,133mH 输入电流波形 表30-3 RL负载下相控角和输出电压的关系 相控角/? 0 30 60 90 理论 V/V115 101.3 58.5 0 D 实测 V/V106.3 89(8 47.8 6 D 当α=0时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-6 相控角等于0?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=30时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-7 相控角等于30?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=60时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-8 相控角等于60?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 当α=90时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-9 相控角等于90?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 3、接纯感性负载且不接滤波器，观察某相控角下输出电压、输入电流波形 当α=60时，输出电压和输入电流波形如下图 图30-10相控角等于60?时输入电流(下)和输出电压(上)波形图 分析:通过改变相控角，可以改变整流桥的输出电压的大小，因为 32 ,cosα,cosα。同时改变相控角，会影响输入电流的波vvvD1D0π 形，使输入电流谐波成分增高，对电网的影响比较大。 五、结果分析与讨论 在本实验中采用手动调节电位器(即开环控制)，改变相关控制信号端子上的电位，进而来改变相控角。但是手动调节时，我们却不能明确地观察或计算出相控角的大小变化，这给实验本身带来了许多不确定性，为后面的准确测量和误差分析也带来了许多的不便。我想这样也是本实验需要改进的地方。 在实验中首先进行了纯阻性负载(分轻载和满载)情况下输出与相控角的关系研究，由于不能准确确定电位器调节时相控角的准确变化，实验前列写的实, 验表格不能经过实验而准确填写。 接着我们进行了阻感性负载的实验，在参数设计时，为使输出电流尽量接近恒流，我们选取了较大平波电抗器，同时为有效滤除输出电压中的高次谐波，我们根据滤波器自身谐振频率要远小于最低次谐波频率的原则，选取了合适的电容参数。从输出波形上可以看出，滤波的效果较为明显，输出电压基本为直流电压，效果基本令人满意。但不能否认的是输出电压中仍存在小的毛刺(即高频谐波)，滤波效果仍待改进。 建议:在调节相控角，最好能够通过仪表显示的大小变化，并且应使有,,,较大的调节范围，最好能够实现范围内的调节，进一步满足实验调90180:,,:, 节的要求。 六 实验思考题 1.观察相控整流电路的功率因数应该观察哪些因素(波形或数据),如何观察, 答:相控整流电路的功率因数有以下几种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 : 通过观察输入电流以及输入电压的波形来实现。通过示波器软件的谐波分析FFT计算功能，直接得到所需要的数据。 (1)对输入电流电压的波形进行分析可以得到其有效值基波分量的有效值 VIcos,SS1PF,VISS以及基波电压和基波电流的相位差。可以得功率因素为: VII,SSS1 为输入电压有效值，为输入电流有效值，为基波分量有效值，为基波电流和电压的相位差。 (2)若输出电压为比较平稳的直流，则可以使用示波器或者万用表测量输出的有功功率，若忽略电路本身的功率损耗，则可以将该输出有功功率看作是电 PPF,VISS源侧输入的有功功率。因此可以得功率因数为:。 2.影响相控整流的电路功率因数的原因有哪些,如何提高功率因数, VIcos,SS1PF,VISS答:所以功率因数由两个方面来决定: )输入基波电压和基波电流之间的相位差。 (1 (2)输入电压电流的基波分量的大小。 因此可附加无源滤波器或有源功率因素校正器的来提高功率因数。 有源功率因素校正器的作用: 使得交流电流跟踪输入正弦电压波形，使两者同相，从而使输入端总谐波畸变率THD小于5%，而功率因数提高到0.95或更高。 3.相控整流电路滤波器设计的原则有哪些, 答:(1)特征频率应该远小于最低次谐波的频率。 (2)滤波器的电感值不应太大，保证输出负载变化时，输出电压变化不大。 (3)滤波器的电容值不应太大，使得流过电容的电流不至于过分的增加开关管的容量。 4.相控整流电路的稳压控制需要考虑哪些问题, 答:稳压控制要考虑: (1)相控角的变化范围，需要稳定的电压必须在相控角可以调控的范围之内。 )注意输出电流的变化，当输出电流过大时，应该启动过电流保护功能。 (2 实验三十一:DC/AC 单相桥式SPWM逆变电路性能研究 一、任务与目标 1.熟悉和掌握和逆变电流控制芯片的使用方法。 2.掌握SPWM逆变电路的基本工作原理。 3.理解逆变电路滤波器的设计原则。 4.学习、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法。 二、总体方案设计 实验电路如下 图31-1 DC/AC单相全桥电路原理图 三、方案实现和具体设计 ;输出交流电压可调，输出功率<100W 要求输入直流电压<100V 1、滤波器设计 设计的滤波器L=10mH,C=10uF，得到的截止频率为503.29Hz。已知N=5k/50=100,则SPWM的最低次谐波分量约为4800Hz，基波分量为50Hz。所以该滤波器既可以衰减最低次谐波分量，又不会使基波分量衰减。 2、传感器的选择 本次试验使用霍尔电流传感器和电压互感器、电流互感器。将电压信号和电流信号反馈至控制电路板实现过压、过流保护功能。 (1)霍尔电流传感器的设计 本试验板上的霍尔电流传感器的传输比为:50A/50 mA,可见在一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为1mA。为了提高试验测量的精度选择5匝端子使得灵敏度提高5倍即一次侧输入1A的电流，二次侧产生的电压为5mA。 传感器二次侧电阻的选择: 在二次侧可以接入300欧姆的电阻使得当直流电流为2A(正常情况不会出现)时对应二次侧的输出电压为3V，调节B05控制板上Rp5,使得对应参数匹配，便可起到过流保护功能。 电压电流互感器及霍尔传感器按上图中所示安装。 四、实验设计与实验结果 1) 首先进行参考信号与驱动信号死区时间的的测量: 图31-2 参考正弦波 f=51.3Hz Vp-p=5.21v 图31-3高频三角载波 f=4.76kHz Vp-p=21.3v -4 死区时间 图31 ,,ts14, 2)固定直流输入电压Vd=40v，Vc=7.02，改变Vr(即改变调制比M)，记录输 出电压大小及波形 Vr/v 3.6 4 5 6.8 理论值V0m/V 10.26 11.4 14.24 19.4 实际值V0m/V 8.6 9.6 11.9 17.7 调制比M 0.513 0.57 0.712 0.969 表31-1 调节Vr引起的参数变化 时的输出电压波形(CH2) Vv,6.8r图31-5 时的输出电压波形(CH2) Vv,5r图31-6 时的输出电压波形(CH2) Vv,4r图31-7 时的输出电压波形(CH2) Vv,3.6r图31-8 2) 固定调制比M=1(Vc=6.1v，Vr=6.1v)，改变输入电压，记录输出电压大小及 波形 Vd/v 20 30 40 45 理论值V0m/V 10 15 20 22.5 实际值V0m/V 8.3 12.5 17.3 19.6 表31-2 改变输入电压 图31-9 输入电压Vd=20v时的输出电压波形 图31-10 输入电压Vd=30v时的输出电压波形 图31-11 输入电压Vd=40v时的输出电压波形 图31-12 输入电压Vd=45v时的输出电压波形 4)固定调制比M=1(Vc=6.1v，Vr=6.1v)，输入电压Vd=40v，，改fKHz,5c变(即改变载波比)，记录输出电压大小及波形 fr fr/Hz 50 60 80 f0/Hz 50.1 60. 2 80.41 表3 改变fr引起的频率变化 图31-13 参考正弦波频率fr=50Hz时的输出波形 图31-14 参考正弦波频率fr=60Hz时的输出波形 图31-15 参考正弦波频率fr=80Hz时的输出波形 五、结果分析与讨论 从实验结果看，理论值和实验只存在着普遍的误差，输出误差左,,Vv2右，并且输出较理论值偏小，这个误差相对来说是比较大的。造成这个误差的主要原因应来自于载波比的影响，因为我们的整个理论计算环节都是载波比N足够大为前提的，因为只有这样，开关开关频率才会足够高，从而消除更多低次谐波，使逆变电路的的输出电压更近似于正弦波，相关的理论计算才会相对精确，反观实验是在 的条件下进行的，此时N=93，这fHz,51.5fKHz,4.77rc 对SPWM调节来说显得并不够大，这正是本实验误差的主要来源。其次参考信号在测量过程中的稳定问题也是一个需要考虑的误差因素。因为在实验中，我们曾反复多次对高频三角载波信号进行测量，发现其幅值在一个有限的范围内在不断地浮动，这样便导致调制比M 不断浮动，这就使实验测量带有随机性，造成了测量的随机误差。另外接线及系统给本身也存在着不可消除的系统误差。 然后，固定调制比(其实由于参考信号的不稳定性而存在浮动)，研究输入直流电压变化对输出的影响，从实验数据中我们发现，和第一个实验环节一样存在着相似的误差情况，输出都较理论值偏小，且误差范围基本相同在2v左右浮动，因此我们可以进一步肯定上述误差分析的合理性，因为在进行这一实验环节时，我们并未对载波比进行调节，仍采用和第一环节一样的载波比，这也正是具有相似实验误差的原因所在。 本实验的最后环节是考察输出电压频率与参考正弦信号频率之间的关系，从实验数据中容易，发现输出信号频率与参考正弦信号频率近似相等，而微小的实验误差是由主电路和驱动信号产生电路的系统误差造成的，是不可消除的。 小建议:为减小实验误差，应使高频三角载波的频率也可调，调高三角载波频率，可使载波比进一步增大，进而减小实验理论上的计算误差，增强与实验结果的可对比性。 六、 实验思考题 1. 为什么单相半桥逆变电路的过流保护检测要比单相全桥和三相桥逆变电路多用一个电流传感器, 答:这是因为在单相全桥和三相全桥中，无论是单管过流或桥臂直通，直流输入侧的电流传感器均可检测到过电流，通过控制电路的保护检测电路后发出保护信号，关断所有开关管;而单相半桥电路如果仅在桥式电路的直流输入的一个端子(正端或者负端)串联一个电流传感器，则只能检测半个周期内一个开关管的过流状态，不能完全反映整个桥臂开关元件的过流状态，如果半个周期大于开关元件过流承受能力则会导致开关元件损坏。因此半桥逆变电路一般需在直流输入与桥臂间的两个端子均串接电流传感器，只有这样才能可靠的检测到过流，有效地保护整个电路。 2. 怎么设计死区电路?设计的原则是什么, 答:本实验所采用的半桥逆变电路中的死区控制，通过芯片4528单稳态电路实现，控制该芯片相关端口的高低电平状态，即可使两个驱动信号之间产生可靠的延时，调节改变相关参数即可改变死区时间的大小; 死区时间设计的原则是要保证每个开关管都能可靠的关断，即死区时间应远大于开关管所需的的关断时间，防止同一桥臂上的开关管同时导通，造成电源短路形成短路电流损毁开关管和变换器。 3. 示例中，采用 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 发生器作为SPWM的正弦波来源，这样的方式是开环控制还是闭环控制,可否实现稳压, 答:很明显是开环控制，参考正弦波信号由函数发生器提供，是固定不变的，而高频三角载波的产生也不存在反馈调节(也是固定的)，因此输出电压不可能影响到驱动信号，这样是不可能实现稳压控制的。 若要实现稳压控制，必须将输出电压信号进行采样后反馈到驱动信号产生电路，由输出电压检测信号和输出给定信号比较后影响驱动电路产生新的驱动信号，改变开关管的导通时间和方式，这样才能最终使输出电压稳定于给定输出电压。 4. SPWM逆变电路的输出滤波器设计原则是什么, 答:本实验中滤波器的设计较为简单，只要使滤波器自身谐振频率远小于最低次谐波频率(本实验中约为1KHz)，因此在已有的实验条件和环境下，我们可采用尽可能大的电感和电容参数，以获得好的滤波效果，这样滤除输出电压中的高次谐波后，便可得到较理想的正弦基波。 当然滤波器的设计有一些基本要则也要考虑，这在实验三十中已经讲过，就是电感和电容参数的在尽量取得好的滤波效果的前提下，都不能过大，以减少电感(电容)对电路电源和输出电压(输入电流和输出电流)的影响。此外，容 量应尽量小，价格、体积和重量在实际设计中都是应该考虑的因素。 实验心得与体会 电力电子实验的完成是一次难得和难忘的经历，以前的实验总是草草的开始、草草的结束，没有这么深的经历，也没有这么深的印象。 本实验的内容都是电力电子电子学课程中的精华部分。从最基本的PWM驱动控制芯片的认识和学习开始，不仅进一步加深了对PWM控制原理的理解和把握，结合对具体芯片(TL494)芯片各项功能部件的学习和实验实测，对PWM控制芯片的工作原理、内部结构和工作方式都有了进一步的认识，同时结合PWM控制芯片设计的各项要求，对PWM控制芯片的设计原则有了更明晰的认识。学习和实验的最终目的是应用，如何根据自己已学习到的知识，进行PWM驱动信号控制芯片的设计和应用，是进行本实验的题中之义。 总结做过的四个基本实验，会发现这样的问题:实验和理论是不等同的，理论是理想的分析，忽略一切干扰和误差因素下得出的分析结果;而实验则恰恰相反，在实验当中我们必须详细考虑影响实验精度的任何一种误差和干扰因素，同时我们也必须认识到到我们实验的完成程度和所能得到的实验结论受现有实验条件和实验环境的综合制约。在以上四个基本实验便会深切感受到这个问题，我们的实验结果和误差来源及实验的完成程度，有一部分是来自于实验条件的限制的，因此在每个基本实验的后面，我都附上了小的实验改进建议，虽然具体的改进方式上想法并不成熟，但我们可以朝着这个方向努力，以使我们的实验更加的完善，服务后来的学习者。实验的目的不仅仅在于实验结果，获得好的实验结果不代表你的实验就做的最好，相反不好的实验结果只要认真分析、细心总结误差来源，我们可能会获得更多。 同时我认为真正的实验不应该仅仅停留在验证阶段，历史上各个学科的发展的领头学科总是实验学科，实验是指导理论的一块法宝，是一个强大的工具，我们只有敢于实验创新和设计，我们的理论和实践应用才会有所突破。 在此我要感谢我的实验指导老师，说实话，以前从没有这么用心的做过实验，也从没有如此认真的写过实验结果分析和个人评价，也从来没有觉得如此的充实和兴奋。说实话，在实验开始阶段，确实有点不习惯老师的“高质量、严要求”，也产生过抱怨，但最终还是适应了，并且理解了老师严格要求的良苦用心以及每一次实验的用心指导。在电力电子实验即将结束的这个时候，我倍感收获巨多，想对老师们说一声简单的谢谢～ 参考文献 1.陈坚、康勇《电力电子学》 高等教育出版社 北京 2008 2.熊蕊 《信号与控制综合实验教程》 华中科技大学出版社 武汉 2011