[工学]电力电子基本实验.doc

电气学科大类信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验三: 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 日 期 实验成绩 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分PWM信号的生成和PWM控制的实现20DC/DC PWM 升压降压变换电路性能研究20三相桥式相控整流电路性能的研究20DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究20设计性实验实验名称/内容实验分值评分创新性实验实验名称/内容实验分值评分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4实验二十九 DC/DC PWM 升压降压变换电路性能研究15实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究26实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究37思考与体会 48参考文献 51实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现一、任务和目标1.熟悉PWM集成电路芯片TL494的工作原理及实现；2.基于PWM芯片的控制电路设计；3. 掌握控制电路的调试方法。二、原理和思路本实验的理论基础是PWM控制的基本原理：将宽度变化而频率不变的的脉冲作为电力电子变换器电路中的开关管驱动信号，控制开关管的适时、适式的通断；引入输出反馈后，输出电压即由脉冲宽度来跟踪调控，且其谐波频率固定，易于设计滤波电路。采用PWM控制芯片TL494来完成实验，所以我们必须要详细的了解和认识该控制芯片的工作原理和方式：参考信号和载波信号是如何形成的；反馈信号是如何加载到控制芯片上，同时又是如何以此反馈信号来完成输出控制的；为保证开关管的完全可关断和电路的正常可靠工作，死区时间的控制方式。最后我们也要了解为防止电力电子变换器在突然启动时，为降低较大冲击电流对电路的影响，控制芯片要采用“软启动”的方式，等等。图28-1为TL494控制芯片内部电路的原理框图,图28-2为基于该芯片所搭建的PWM控制电路: 图28-1 PWM集成电路芯片TL494原理框图图28-2 基于TL494芯片实现的PWM控制电路1.软启动功能 根据图28-1，电路启动前，死区电压比较器输出高电平，G1、G2输出低电平，S1、S2截止。电路启动后，利用图2中所示的继电器将R21电阻断开，5V 电源对电容C21进行充电使V4逐渐降低，当 时，与锯齿波存在交点，在交点上方有，此时比较器输出低电平，G1，G2输出高电平，S1、S2导通，电路有脉冲输出。随着V4降低，的时间渐长，占空比变大，直至V4稳定为止，此后占空比保持不变。图28-3给出了软启动过程中的脉宽变化趋势，从中还可以看出，输出脉冲并非与V4的下降同时发生，而是需要经过一段时间，至后才出现。图28-3 电路的软启动过程当V4稳定后，由其几何关系可以看出： （28-1）其中，V为V4的稳定值。2.稳压控制方式 由图28-1可知，电路启动达到稳定状态后，除V4外，占空比D还与PWM同相端电压V3有关：图中2号端口输入电位Vg为定值，若接入1端口的反馈电压VfVg，则V3=K(Vf-Vg)，随Vf的增大而增大。图28-4给出了占空比D与V3、V4的关系，根据公式（28-1），可得：图28-4 稳压控制下占空比D的计算 从式（28-3）可知，V3越大，占空比D越小，从而使主电路中的输出电压减小，导致反馈电压Vf减小，V3下降，D增大，如此往复，最终Vf、V3与D均稳定在某个值上，其中Vf=Vg，V3=VA，。根据图28-2可知，若VA2.5V,则D0.42。3.限流控制与脉冲锁闭 限流控制与脉冲锁闭既有联系，又有区别。从控制对象与目的上看，两者检测的均是反馈电流，当其超过设定阈值时，通过使图28-1中逻辑参数C=1，使G1、G2输出低电平，S1、S2截止，从而关断较大的反馈电流。从控制手段上看，限流控制是通过芯片内部的15，16端口，将反馈电流If与阈值电流IM进行比较，使，进而使图28-1中PWM比较器的输出低电平，C=1，实现停止输出；而脉冲锁闭则是通过在芯片外部布设如下图28-5所示的电流检测模块，比较If与IM使得，图28-1中死区电压比较器输出低电平，C=1，实现锁闭输出。另外，脉冲锁闭功能在过流情况下，能通过二极管HL1或HL2的发光对操作者进行提示，而限流控制除了使输出脉冲为零外，并无其他提示信号。三、实验设备1PWM控制芯片TL494、外围电路元件；控制电源 2具有PWM芯片及外围电路的实验板 四、实验内容及方案设计本实验采用单路输出，将端口13接地。方案设计如下：（1） 软启动功能：电路的软启动是利用电容的充放电原理实现的。当开关断开时电容C21 和R21、R22 并联。由于R21 阻值仅为100 欧姆，并联支路分压很小。TP5 处电压近似等于电源电压5V。当按下启动键时，R21 被旁路不再与电容并联，而R22 阻值很大近似于开路，所以启动时电容逐渐充电，压降增大。TP3 的电压从5V 逐渐下降。可以使得死区时间从长到短，从而使得占空比从小到大变化使得输出的电压从0 开始逐渐增大。如此实现了软启动。稳态时电容开路，TP3 大小由JP2 所接电阻和R22 串联分压决定。 按照原理图28-2，正确完成实验电路的电源连接，选择跳板JP1=1&2，JP3=1&2，JP4=1&2；打开电源，使三角波输出频率为20kHz，通过TP4用示波器CH2观测并记录其输出频率及幅值；选择JP2=1&2，启动PWM控制电路，同时用示波器的CH1、CH2端口分别记录Vg1与TP3的波形；重新启动控制电路，以同样的方法完成JP2=3&4、JP2=5&6时启动波形的观测后，将其关闭。 （2）反馈电压Vf对输出脉宽的影响：选择跳板JP2=5&6，将可调直流电压源连入电路的V1端，启动控制电路，调节电源输出电压，使TP1处的电位在200mV2.6V范围内变化，利用示波器CH1、CH2分别检测TP1的电位值及Vg1的输出脉宽，并计算对应的占空比D，同时用万用表测量TL494芯片的3端口电位V3，至D0为止，而后关闭电路与电源；JP2=3&4、JP2=1&2时的数据记录同上。（预计结果：反馈电压越大，V3越大，K越大，C=J+K越大，脉宽越小；反之脉宽越大。） （3）脉冲封锁功能:脉冲封锁通过增大V4电位实现，改变JP2接法增大V4电位，使得V4+0.12Vct，则输出立即封锁。（4）死区时间测量：死区时间的长短由V4 决定。而V4 由JP2 所连的电阻分压形成。所以改变JP2 所联电阻的大小值即可以改变死区时间的长短。V4 越高，死区时间越长。可以改变JP2 所接的电阻，观察Vg1 和Vg2 的输出电压。同时还可以改变输出方式，观察死区时间对于不同的输出方式电压的影响实验波形。（5）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。实验结束后，关闭电路，切断电源。五、实验结果与分析1、软启动功能（1）验证锯齿波的产生，f=20kHz图28-5 TP4测得的锯齿波波形（2） 改变JP2，启动PWM控制电路图28-6 JP2=1&2的波形图28-7 JP2=3&4的波形图28-8 JP2=5&6的波形结论：开机后，电阻分压比立即变化，但由于电容电压不能突变，因此死区电压VTP3只能逐渐衰减至稳态值，实现软启动的功能。分析跳线开关JP2置于不同位置时的曲线，发现当改变跳线开关JP2对应电阻时，死区电压衰减速度不一样，而且最终的稳态值不一样。软启动过程中Vg1 输出脉冲电压占空比从0 开始逐渐增大，防止电路中出现较大的冲击电流。2、反馈电压Vf对输出脉宽的影响表一 反馈电压对输出脉宽的影响（JP2=5&6，fs=20kHZ，Ts=50us）反馈电压VTP1/V0.20.40.61.222.32.42.412.432.452.47比较电压V3/V0.0580.0580.0580.0580.0580.0580.82.442.52.783.87脉宽Ton/us373737373737373116130占空比D0.760.760.760.760.760.760.760.640.330.270从上表可以看出： 在Vf小于2.5V时，占空比D与反馈电压没有关系，输出脉宽基本不变，而当Vf接近于2.5V时，脉宽迅速减小，直至为零。下图28-9 （a）、（b）、（c）示出了反馈电压大小对驱动信号占空比的影响：（a）VTP1=2.39V时驱动信号占空比（b）VTP1=2.41V时驱动信号占空比（c）VTP1=2.43V时驱动信号占空比图28-9 反馈电压大小对驱动信号占空比的影响由上图可见：反馈电压越大，V3越大，脉宽越小，与预计结果相吻合。3、死区时间测量双路输出，改变JP2 所接的电阻，观察Vg1 和Vg2 的输出电压： 图28-10 JP2=1&2时死区时间测量（11us） 图28-11 JP2=3&4时死区时间测量(12us)结论：比较图28-10和图28-11的死区时间可知，t（JP2=1&2）t（JP2=3&4），这是因为死区时间的长短由V4 决定，而V4 由JP2 所连的电阻分压形成。所以改变JP2 所联电阻的大小值即可以改变死区时间的长短。JP2=3&4时对应的V4 值较高，故死区时间更长。可以改变JP2 所接的电阻，观察Vg1 和Vg2 的输出电压。4、过电流保护结果和结论：当VTP2小于2.43V时，并未观察到随反馈电流的增大（即VTP2），占空比下降。但随着VTP2从2.43V突然增加到2.62V的过程，占空比降为0，过流二极管发光提示电流已超过阈值。可见过电流封锁的动作范围大于过电流保护的范围，使得输出电流过大时直接使控制电路输出的脉冲电压占空比为0。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：在电力电子PWM变换电路中，由于稳压调节的关系，输出脉冲可能长时间处在很宽的状态下，此时虽然电路电流为达到保护保护动作电流，但此时变换器的输出功率可能已超过允许负荷，长时间超负荷运行会严重影响开关管寿命并导致电路故障，因此此时需对电流进行限制，使PWM由稳压控制方式转换为限制电流的非稳压方式。此时从端口15（以TL494为例）输入主电路变换器的允许极限电流，16端口接霍尔电流传感器的实际电流检测值，正常工作时，此时控制芯片仍工作在稳压方式，一旦，则电流比较器输出端Y输出高电位，使V3为高电位，则C=1，输出立即封锁。七、实验小结本实验的基础和核心是对TL494控制芯片及其外围电路的工作原理和功能的准确理解和运用。在上电力电子学的理论课程时虽然知道脉冲触发信号对主电路的控制机理，却不明白如何在实际中产生所需的触发信号，这次实验正好给了我们这样一个学习和探索的机会，所以从实验前的预习准备到答辩到最后完成整个工作，我们始终保持着孜孜不倦的心态。邓春花老师是一位治学严谨的老师，这不得不说是学生之幸。为了在答辩时顺利通过，我们花了很长时间琢磨附录纸上的控制原理图，对锯齿波的形成和控制、比较回路的原理、软启动的过程分析，以及芯片的脉冲封锁功能和过流保护功能等作了全面的思考和讨论。邓老师当时的讲解和指导也起了很大的作用。这是第一次进行电力电子学的实验，也是第一次接触这种较为复杂的控制电路，实验过程中自然地经历了一番纠结和探索，但到最后试验完成舒了一口气时感觉十分的喜悦和满足。这就是一种蜕变和收获的过程。“大必作于细，难必作于易”，抱着耐心和求实的态度才能得到真正的锻炼。实验完成时间：第4周6，3月10日下午实验二十九 DC/DC PWM 升压、降压变换电路性能研究一、 任务和目标1验证并研究DC/DC PWM降压变换电路的工作原理和特性。2. 在实验28的基础上，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.掌握反馈环节与滤波电路的设计。二、 原理和思路本实验的原理十分清晰，即利用实验二十八中的PWM控制芯片产生驱动信号，驱动Buck（直流降压）电路开关管，实现DC/DC 降压变换。为较为详细的了解和认识Buck电路的性能，我们首先进行的是，Buck的开环特性，不加反馈环节，研究输出与占空比、输入电压和负载的关系；在此基础上，添加反馈环节，实现电压反馈控制，固定占空比使最大（尽量拓宽电压和负载的变化范围），研究输入电压、负载变化时，输出的变化情况。完成实验后，对开环特性和闭环特性进行比较，分析得出结论。1. DC/DC变换器主电路原理图29-1 DC/DC BUCk变换器主电路原理图DC/DC变换器主电路原理图如图29-1所示，在输出电流连续时有：Vo=DVs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。输出侧接霍尔电压传感器，测量输出电压并实现反馈控制。2. PWM集成电路芯片TL494原理（见实验28）三、实验设备：1电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源、各种功率和参数的电感、电容、电阻2.数字式示波器3.面包板和若干元器件实验要求指标：降压试验输入电压：100v+20%；输出50v输出功率：100w四、滤波器、传感器的参数设计1.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： 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%根据脉动电压公式： 其中：fs为开关频率， 取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,可以得Cmin= 7.5uF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。2.传感器及采样电阻的选择 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。（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： 式中为二次侧所接的电阻。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，传感器输出电压的大小应为5V，根据上述公式可以确定R2值应为600欧姆。本实验输出电压小于100V，所以可以选择150V量程。五、实验内容与方案设计首先按照实验28结论，检查控制电路是否正常，核算稳压值、占空比和保护动作值。按图29-1连接主电路（Buck电路），接入控制电路，具体参数选择按上述分析计算。本实验通过调整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，负载电阻从30欧姆变化至空载，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，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化。在做上一实验的过程中发现参考电压值V-实际上小于2.5V。当接入主电路之后当输出电压为额定值时，反馈至V+端的电压总是大于参考电压V-，因为之前是将V-当作2.5V来设计的 。此时可通过再调整RP1大小使得输出电压为额定值时，V+=V-。六、实验结果与分析1. 开环实验数据（1） 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（Vi不能太小，否则容易产生断流），观察输出电压及输出电流的变化。实验结果记录于表1：表1 输出电压实验数据表输入电压/V1201101009080理论输出/V6055504540输出电压/V62.056.95147.842绝对误差/V21.912.82输入电流/A02001950180.150.13输出电流/A0.280.25022020018实验分析与结论：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，输出电压从42V变化至62V。可见在开环的情况下当输入电压变化时输出电压并不可以维持不变。（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至250欧姆（负载R不能太大，否则容易产生断流），观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表2所示。表2 输出电压实验数据表R/欧姆50100200250理论输出/V50505050输出电压/V5456.757.959绝对误差/V46.77.99输入电流/A0.630.370.20010输出电流/A1.000.580.30012 实验分析与结论：本实验选取占空比的方法是先令空载（实际负载电阻值为250欧姆），输入电压为100V,调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化，当输出电压为50V时认为此时对应的占空比为0.5。在之后调整电路的实验中不改变JP2所接电阻的大小。负载增大（R减小）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，输出电压的大小并不能保持恒定。从实验数据上看，输出电压实测值与理论值之间存在着误差，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），存在较大误差等。2. 闭环实验数据（1）负载电阻为250欧姆,占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V（实验中应注意Vi不能太小，否则容易产生断流），观察输出电压及输出电流的变化。记录于表3：表3 输出电压实验数据表输入电压/V1201101009080理论输出/V5050505050输出电压/V50.3450.2550.2150.1149.99绝对误差/V0.340.250.210.11-0.01输入电流/A0200210190.170.16输出电流/A0.210.23022019020由于电压反馈的作用，输出电压基本维持在50V恒定。故输入电压增大时占空D比减小，如图29-2所示：（a） 输入电压80V（b）输入电压90V（c）输入电压100V（d）输入电压110V（e）输入电压120V图29-2 闭环时不同输入电压下占空比变化（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化实验数据如表4所示。表4 输出电压实验数据表R/欧姆50100200250理论输出/V50505050输出电压/V50.550.1550.4649.89绝对误差/V0.50.150.46-0.11输入电流/A0.630.370.20010输出电流/A0.920.50.250结论：从表3和表4可知，当输入电压以及负载电阻变化时，由于电压反馈的作用，输出电压基本维持恒定。误差分析：闭环实验中输出电压的实测值与理论值之间也存在一定的偏差，误差来源除了开环实验中分析的因素外，还存在着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。此外，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。七、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？答：是。1）电流连续时输出与输入电压之间存在简单的线性关系，这使对输出特性的研究易于把握，同时也更便于对该电路的应用。一旦电流不连续，（D1对应从开关管截止到续流二极管断流所对应的时间比值），由于断流时间无法准确把握，同时这也使得输入输出关系无法准确把握，给研究和应用带来了问题和麻烦，因此正常情况下，我们都应使电路工作于电流连续区。2）影响电流连续的因素很多，主要有输出电压、负载、开关频率、占空比和平波电感。3）实验中我们采用较大的平波电感和适当的负载，保证最小负载电流大于电路的临界连续电流。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。根据脉动电压公式：Buck Boost 其中：fs为开关频率，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。临界负载电流为： Buck Boost 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。八、小结这次试验和上次的实验二十八是紧密相连的。实验二十八中控制电路的反馈输入电压和电流信号都是人为加入的，而本次试验则真正结合Buck电路的控制，通过特定参数的霍尔电压传感器引入其输出电压至控制电路（TL494）的输入端，产生PWM触发脉冲，实时适式地对主电路开关管进行触发控制，从而较好地实现对输出电压的稳定控制。通过对开环和闭环实验结果的对比分析，反馈控制的效果是令人满意的。总体而言，这次实验进行得很顺利。上次实验的过程偏于对控制电路的原理及功能的探索，本次实验更多的则是基于主电路的实时控制和实现。此外，滤波器和传感器的设计是本次实验的另一收获，最终的参数很简单明了，但设计的过程包括对指导书有关章节的学习却很费了一番周折，答辩时感谢邓春花老师指出了某处的错误。实验完成时间：第6周6，3月24日下午实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究一、任务和目标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，了解相控整流功率因数低下的缺点；3. 掌握滤波器设计、闭环稳压控制设计和校正方法的运用。二、原理和思路相控整流的基本原理即为通过控制开关管触发脉冲相对于所承受交流电源的相位（及相控角），来控制导通时间，在整流电路的输出端得到脉动的整流电压，在经过恰当的滤波器，即可得到较为理想的直流电压。本实验着重研究三相全桥相控整流，研究负载性质对输出地影响，同时研究相控角变化对输出的影响。负载及相控角的变化对输出的影响，我们在理论方面已经有了较深的研究，因此本实验的重点在于进行实践性的检验。当然对于如何组建电路、如何产生满足要求的驱动触发脉冲及如何实现触发脉冲与晶闸管两端电压的同步，都是本实验当中需要思考和解决的问题；此外，在实验过程中，如何调节才能实现对相控角的控制，控制的原理是什么，这些也都是需要我们在实验之前明确的。图30-1为三相全桥相控整流主电路图：图30-1 三相全桥相控整流主电路（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。三、实验设备：电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源、各种功率和参数的电感、电容、电阻；数字式示波器等。实验要求指标输入三相交流电压：=100v输入功率： =100w三、 方案设计与结果分析本实验采用手动调节电位器改变触发控制角大小：设置控制电路输入0至10V直流控制信号，以产生变化的控制角，对主电路输出电压进行平滑调节。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。表30-1 相控角和电位器阻值之间的关系表相控角/0306090电阻值/欧姆最大值 54.543.5 27.02. 纯阻性负载（输入三相交流电压有效值V1=80V）满载时取R=200，轻载时取R=400，分别记录输入电流和输出电压波形。输出理论值计算： （） （）1） 满载R=200欧姆且不接滤波器，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。表30-2 纯阻性负载下相控角和输出电压的关系相控角/0306090理论10893.55414.5实测105.4 89.7 50.3 11.9取不同值时，输出电压和输入电流波形如图30-2至5所示：图30-2 相控角等于0时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-3 相控角等于30时输入电流（下）和输出电压（上）波形图 图30-4 相控角等于60时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-5 相控角等于90时输入电流（下）和输出电压（上）波形图结论：由图30-2至5可见，输出电压大小随相控角改变而变化。在纯阻性负载R=200欧的情况下，相控角等于60度为临界断流工况，相控角小于60度时输出电压波形连续，大于60度时输出电压波形出现中断。这是由于阻性负载不能续流的缘故。2） 轻载R=400欧姆且不接滤波器，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。相控角和输出电压关系如表30-3所示：表30-3 纯阻性负载下相控角和输出电压的关系相控角/0306090理论10893.55414.5实测107.1 91.9 53.3 12.8取不同值时，输出电压和输入电流波形如图30-6至9所示：图30-6 相控角等于0时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-7 相控角等于30时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-8 相控角等于60时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-9 相控角等于90时输入电流（下）和输出电压（上）波形图结论：由图30-6至9可见，输出电压大小随相控角改变而变化，且负载电阻R=400欧时输出电压大小比R=200欧时更加接近于理论值。在纯阻性负载的情况下，相控角等于60度为临界断流工况，相控角小于60度时输出电压波形连续，大于60度时输出电压波形出现中断。这是由于阻性负载不能续流的缘故。3、阻感性负载（V1=50V）：的范围为，电感足够大时，输出电流可以忽略脉动，看做恒定电流 ,则满载时，则取L=133mH确定滤波电容：最低次谐波频率为6f=300Hz，由，取取C=220。因此取R=200，L=133mH，C=220相控角和输出电压关系如表30-4所示：表30-4 RL负载下相控角和输出电压的关系相控角/0306090理论值VD/V67.558.433.80实际值VD/V66.857.632.40取不同值时，输出电压和输入电流波形如图30-10至13所示：图30-10 相控角等于0时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-11 相控角等于30时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-12 相控角等于60时输入电流（下）和输出电压（上）波形图图30-13 相控角等于90时输入电流（下）和输出电压（上）波形图结论：由图30-10至13可见，输出电压大小随相控角改变而变化。在阻感性负载R=200，L=133mH的情况下，相控角大于60度时输出电压波形仍旧连续，即负载电感值L=133mH大于临界电感值时能保证在任意相控角下输出电压波形连续。负载电感起了续流的作用。值得注意的是，无论何种负载工况也无论相控角大小，三相相控整流的输入电流波形都发生严重畸变，其谐波成分很高，对电网的影响比较大；而输出电压除了含有希望得到的直流分量之外，还含有大量谐波分量（6、12、18次），这对滤波器设计提出了较高要求，也使得装置体积和重量大为增加。这些是相控整流电路的固有缺点，理想的解决方法是高频PWM整流。五、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：观察相控整流电路的功率因数有以下两种方法：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以及基波电压和基波电流的相位差。可以得功率因素为： 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？答：所以功率因数由两个方面来决定：（1）输入基波电压和基波电流之间的相位差。（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。（2）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。六、小结本实验对晶闸管三相桥式相控整流电路在不同负载性质时，触发控制角对输出直流电压的控制特性进行了比较全面的探索。实验时通过手动调节电位器来改变触发控制角的大小，因此在正式测取输出电压与触发控制角的关系特性前，找出电位器阻值与控制角的精确对应关系，这对后续实验的顺利进行和误差控制有很大帮助。当然，对相控整流原理的透彻把握，及其在不同负载和控制角下输入交流电流和输出直流电压波形的预测也十分重要。本实验对触发脉冲的生成机理并未像前两次实验那样进行深入探索，但通过参考图书馆其他有关书籍使我对此有了一定的了解。此外，相控整流电路对电网的谐波污染、输出直流电压的滤波要求高以及功率因素不可任意调控等都是其固有缺陷。而高频PWM整流是这一系列问题的最佳解决方案。实验完成时间：第8周6，4月7日下午实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究一、任务和目标1. 验证SPWM逆变电路的基本工作原理，进一步掌握SPWM驱动信号形成电路的设计方法；2. 掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法；3. 滤波器的设计；4. 掌握模拟控制电路的设计方法和有关集成电路芯片的使用。二、原理和思路1、基于惯性系统的等冲量原则的SPWM可以大大提高逆变输出的谐波次数，经过小型滤波器滤波处理便可得到较为标准的正弦波。且载波频率越高、脉冲波数越多效果越明显。2、采用参考正弦与三角载波信号经比较器形成触发脉冲。3、同一桥臂上下两管切不可同时导通：死区的设计。4、过电流保护：用电流霍尔传感器检测过电流。采用单相半桥逆变电路，研究正弦脉冲宽度调制的输出电压信号同输入电压、调制比及正弦参考电压频率的关系。下图是单相半桥逆变电路图（含电压、电流互感器及霍尔传感器）：图31-1 DC/AC单相半桥电路原理图a、滤波器设计：载波比N=5k/50=100,则SPWM的最低次谐波分量约为4800Hz，基波分量为50Hz。故可设计滤波器L=10mH,C=10uF，得到的截止频率为503.29Hz。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。b、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。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。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。三、实验设备：1电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源、各种功率和参数的电感、电容、电阻2.数字式示波器3.面包板和若干元器件实验要求指标：输入直流电压： =100v输入功率： =100w四、实验内容与方案设计：本实验基于实验指导书附录4.B05B 单相半桥模拟控制电路。1、观察芯片产生的三角载波（TR1）和参考正弦信号(SIN)：调节Rp1和Rp5可分别改变参考正弦信号频率fr和幅值Vsinm。2、将三角载波和正弦波进行比较得到SPWM脉冲波形，观察 SP1和SP2输出脉冲波形，观察经过CD14538芯片处理过的具有死区时间的控制信号（3、4号脚）。3、连接好主电路，并与控制电路连接。在主电路通电之前，检查控制电路各波形、死区是否正常。4、在以上正常的前提下，合上总电源开关及直流电压开关（直流输出，旋钮置0），逆变电路工作。主电路电源从低压到高压逐渐增加至80V,记录并分析输出电压：a) 观察无LC滤波器与有滤波器两种情况下的输出波形，对比分析b) 保证fr=50Hz,改变参考正弦信号幅值Vsinm，测量输出电压幅值c) 固定参考正弦信号幅值Vsinm=10.6V，改变频率fr, 测量输出电压频率5、减小负载电阻到一合适大小，增大参考正弦信号幅值Vsinm，观察当直流电流超过阈值时，电路的过流保护功能是如何实现的五、实验结果与分析1. 观察芯片产生的三角载波（TR1）和参考正弦信号(SIN)：图