电机调速课设实验大纲及报告-单相PWM、SPWM脉宽调制波形发生电路的研究.doc

成 绩 专业综合实验实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称 学生学号 学生姓名 指导教师2015年12月1实验大纲部分实验一 单相PWM、SPWM脉宽调制波形发生电路的研究实验时间 2015.12.8 同组同学 一、实验目的1. 了解单相PWM、SPWM波形发生电路的工作原理。2. 熟悉单相PWM、SPWM波形发生电路的一般特点。3. 熟悉DT03单元的使用方法，为后续实验操作做准备。二、实验内容用示波器观察触发电路各测试点，记录各点波形，分析电路的工作原理。三、实验系统组成单相PWM、SPWM波形发生器面板如图1所示。图 1.1 单相PWM、SPWM波形发生器面板图中P+、P-为两路相位互差180的PWM或SPWM波形输出端口；A、A1、B 为同步信号引入端；M 为信号输出供单相调功电路使用；PM、PA 是给软开关实验中辅管脉冲输出端；IN1、IN2 为两路脉冲功率放大电路的输入端口，一般对应将P、P信号输出引入其端口，通过放大输出。DT03 单元为多功能波形发生器电路，可以实现PWM 波形发生、SPWM 波形发生以及单相调功电路的可控宽度脉冲列的产生等。电路中包含三角波发生器、正弦波发生器、直流电压给定、死区生成电路、软开关控制脉冲生成电路、调功控制脉冲生成电路以及脉冲功率放大电路等。四、实验原理1. PWM波形检测本实验采用三角波调制，以三角波为载波，与调制波信号进行比较输出不同宽度的脉冲。开关S1拨向下时，DT03单元中的两运放的正向、反向输入端分别接三角波发生器及电位器，但接入的极性相反。当运放正向输入端电压高于反向输入端电压时，运放输出高电平，反之输出低电平。故当两运放的三角波及参考电压接入极性相反时，输出P+、P-的波形为两路相位互差180的PWM信号。调节参考电压的大小可改变输出PWM信号的占空比。在Multisim中的仿真电路及仿真波形如图2a, b, c所示，可见当三角波分别从两运放的正向、反向输入端且相同的参考电压从另一端输入时，输出为两路互差180的PWM信号，调节参考电压大小可改变占空比。 图 1.2a PWM波形发生器的仿真电路模型 图 1.2b PWM波形发生器的仿真波形 图 1.2c 改变参考电压幅值使输出占空比变化2. SPWM波形检测SPWM的调制波为正弦波，DT03采用单项双极性调制方法，利用两个放大器将调制信号和三角载波信号进行比较。当调制波大于三角载波时，输出高电平；当调制波小于三角载波时，输出低电平，这样就将正弦给定信号解析成了SPWM信号。在Multisim中搭建仿真电路，得到仿真结果如图3a, b所示。 图 1.3a SPWM仿真波形 图 1.3b 改变正弦波幅值及频率可改变输出占空比改变正弦信号的电压值和频率可改变输出波形的占空比。五、实验步骤1. PWM波形检测1）打开系统总电源，系统工作模式设置为“高级应用”。2）依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。将波形发生器单元“DT03”的开关“S1”拨向下，此时波形发生器为PWM 波形发生器。3）调节给定电位器RP2，用示波器分别对地观测“P+” 、“P-”点波形，改变给定电压，观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。4）参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。实验完毕，依次断开挂箱电源开关、控制电路开关。2. SPWM波形检测1）依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。将波形发生器单元“DT03”的开关“S1”拨向上，此时波形发生器为SPWM 波形发生器。2）调节正弦波给定电位器“RP1”，用示波器分别对地观测“P+” 、“P-”点波形，改变正弦波的电压和频率（调节“RP1”），观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。3）参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。实验完毕，依次断开挂箱电源开关、控制电路开关。六、注意事项1. “综合实验台” 及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前应首先对“实验台”及其相关挂箱进行全面检查和单元环节调试，确保主电源、保护电路和相关触发电路单元工作正常。2. 每次实验前，务必设置“状态”开关，并检查其它开关和旋钮的位置。实验接线，必须经教师审核无误后方可开始实验。3. 除非特定的实验操作要求（必要的实验方法），任何需要改接线时，必须先切除系统工作电源：首先使系统的给定为零，然后依次断开主电路总电源、断开控制电路电源。4. 双踪示波器的两个探头，其地线已通过示波器机壳短接。使用时务必使两个探头的地线等电位（或只用一根地线即可），以免测试时系统经示波器机壳短路。5. 每个挂箱都有独立电源，使用时要打开上面的电源开关才能工作，同时在不同挂件上的单元电路配合使用时需要共信号地。实验二 基本型三相SPWM脉宽调制波形发生电路的研究一、实验目的1. 了解三相SPWM波形发生电路的工作原理。2. 熟悉三相SPWM波形发生电路的一般特点。3. 熟悉三相SPWM波形发生器的应用。二、实验内容用示波器观察触发电路各测试点，记录各点波形，分析电路的工作原理。三、实验系统组成SPWM波形发生器电路面板设置见图4。图 2.1 SPWM波形发生器电路面板设置左下方端子“Ukv”为电压控制端，用来控制调制信号电压幅值，“Ukf”为频率控制端，用来控制调制信号的频率。“Tc”为三角波测试端，“Vc”为幅值测试端，“Fc”为频率测试端，对应左侧电位器为相应信号调整电位器。左上方数显表指示调制信号的频率，“TYPE”模式控制端，用来设置波形发生器的工作模式，该端接地为基本SPWM工作模式，悬空为改进型（三次谐波注入）SPWM 工作模式。“FR”为相序控制端，悬空为正序，接地为逆序，使用时需要通过转向控制单元对其进行控制。“封锁”端用来封锁输出脉冲信号。“U，V，W”为三相调制信号的测试端。“UM1，UM2，VM1，VM2，WM1，WM2”为SPWM 输出脉冲测试端。四、实验原理对于三相逆变器采用SPWM控制方式，三相调制参考信号var, vbr, vcr是三相对称的正弦波，三角形高频载波幅值为Vcm，频率为fc，如图5a所示。var, vbr, vcr与双极性三角载波相比较，按双极性自然采样SPWM规律产生驱动信号，控制各桥臂全控型开关器件的通、断状态，从而控制逆变器输出的三相交流电压。 图 2.2a 三相调制参考信号及载波信号波形图5a中载波比，即。在simulink中创建如图5b所示的三相逆变器模型进行仿真，载波比N=15时，得到逆变器输出一相电压波形如图5c所示。 图 2.2b 三相逆变器仿真电路模型 图 2.2c 逆变器一相输出波形图5b中，上图为A相负载与电源中点N之间电压，中图为输出A相电压，下图为A, B相之间线电压。对A相电压进行FFT分析，得到结果如图5d所示，输出中包含载波倍频的边带谐波，THD=88.47%。 图 2.2d 三相逆变器A相输出相电压的FFT分析五、实验步骤1. 打开系统总电源，将系统工作模式设置为“高级应用”。2. 用导线连接给定单元“DG01”输出“Un*1”与波形发生单元“DT05”的频率控制端“UKF”和电压控制端“UKV”；两单元的信号地也要通过导线相连；依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。3. 将“DG01”单元的极性开关S1 拨向正、阶跃开关拨向上方；“DT05”单元模式控制端“TYPE”接信号地，此时波形发生器为基本型SPWM波形发生器。4. 调节给定电位器RP1，用示波器分别观测各测试点波形；改变给定电压，观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。5. 参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。实验完毕，依次断开挂箱电源开关、控制电路开关。六、注意事项同实验1。实验三 三相锯齿波移相触发电路的研究一、实验目的1. 了解三相锯齿波移相触发电路的工作原理。2. 进一步熟悉锯齿波移相触发电路的一般特点。3. 熟悉三相锯齿波移相触发电路的应用。二、实验内容用示波器观察触发电路各测试点，记录各点波形，分析电路的工作原理。三、实验系统组成 图 3.1集成三相锯齿波移相触发电路“集成三相锯齿波移相触发电路”面板布置见图3.1，电路以一片集成三相锯齿波移相触发电路芯片(TC787)为核心，辅以少量外围器件构成。图中“Uk2”为移相控制输入端；“封锁”为输出脉冲封锁控制端；“a、b、c”为同步信号测试端，其对应左侧的电位器用来调整同步信号的相位；“u2、v2、w2”为三相锯齿波测试端；“G21-G26”为输出脉冲测试端；左下方三个电位器分别用来控制移相角初始偏置值和最大、最小逆变角。四、实验原理电力电子变换器中，触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的功率器件提供控制极触发脉冲使其导通。触发脉冲与主回路电源电压必须同步。本实验中使用的是同步信号为锯齿波的触发电路，每相的锯齿波移相触发电路如图3.2所示。 图 3.2 单相锯齿波移相触发电路该触发电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电路、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路组成。该触发电路受电网电压波动影响较小。锯齿波同步电压就是使锯齿波与主电源频率相同，同时满足控制角相位和移相的要求。试验中通过DD05环节提供了主电源的六路同步正弦信号，输入到DT04后变换为与正弦波半周期同步的锯齿波信号，如与U相正弦波正向同步的锯齿波如图3.3所示。 图 3.3 与U向正弦波正向同步的锯齿波锯齿波的移相的实现是一个直流电压对锯齿波进行相对电压零点的平移实现的。触发脉冲的形成是在平移后的锯齿波超过某一值（电位零点）的位置产生脉冲。原理如图3.4所示。 图 3.4 锯齿波移相的原理实验电路的连接如图3.5所示。 图 3.5 三相锯齿波移相触发电路实验的连接五、实验步骤1. 打开系统总电源，系统工作模式设置为“高级应用”。2. 用导线连接给定单元“DG01”输出“Un2*”和触发单元“DT04”的输入端“UK1”；两单元的信号地也要通过导线相连；用同步信号电缆连接“DD05”单元输出口“XST1”与“DT04”单元GT1 的同步信号输入口“XST”。3. 完成连线后，后依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关以及主电路。将“DG01”单元的给定极性开关拨向上，调节正给定电位器，用双踪示波器测量U相电压与G21输出波形，观察两者的相位差。通过调节触发器的偏置，使输出脉冲滞后U相电压150。4. 用双踪示波器测量G21、G22的输出波形，观察两者之间的相位差。5. 参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。实验完毕，依次断开主电路、挂箱电源、控制电路。六、注意事项同实验1。实验四 三相交流调压电路一、实验目的1. 掌握三相交流调压电路的基本原理和组成。2. 熟悉三相交流调压电路的基本特性二、实验内容1. 验证三相交流调压电路的工作特性。2. 观测三相交流调压电路的工作波形。三、实验设备与仪器1. 触发电路挂箱II(DST02)DT04单元。2. 主控同步变压器DD05单元（同步信号）。3. 给定单元挂箱(DSG01)或给定及调节器挂箱(DSG02)DG01单元。4. 可控硅主电路挂箱(DSM01)DM01单元。5. 主控电机接口电路DD14单元（电阻负载）。6. 电源及负载挂箱I(DSP01)DP03单元（灯泡负载）。7. 慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。四、实验系统组成实验电路主要由三相晶闸管桥电路、三相交流电源、三相锯齿波移相触发器（DT04）、脉冲隔离以及负载组成。三相交流调压电路的工作情况与单相类似，就每一相来说与单相基本一样。在电源的正半周期，触发信号到来时，正方向的晶闸管具备条件开通，在电源的过零点自然关断；进入电源的负半个周期，当触发脉冲到来时，反方向晶闸管获得开通条件而导通，在电源再次过零时自然关断；如此，只要同时控制每个晶闸管的导通时间，就能够控制正负半周的导通时间，从而达到调压的目的。实验电路接线图如图4.1所示。 图 4.1 三相交流调压电路接线图五、实验原理在simulink中创建三相交流调压电路模型如图4.2所示，负载设为纯电阻。六个晶闸管VT1VT6的触发信号依序相差60，采用宽于60的宽脉冲触发，使两相晶闸管同时导电形成电流回路，将交流电源电压、电流送至负载。 图 4.2 三相交流调压电路simulink模型分析交流电压控制器时，习惯上都取各相相电压的过零点为触发控制角的起点。三相电压控制器中，当触发角改变时，电路可能出现三相同时工作或两相同时工作两种工作状态。图4.3，图4.4给出了=0及=30时A相负载的波形。继续增大，电路将从三相同时工作状态变化为两相同时工作的状态。 图 4.3 =0A相负载波形 图 4.4 =30A相负载波形六、实验步骤1. 打开系统总电源，系统工作模式设置为“高级应用”。将主电源面板上的电压选择开关置于“1” 位置，即主电源相电压输出设定为52V。2. 按图4.1完成实验接线，将DG01 单元的极性开关和阶跃开关都拨向上方，正给定电位器RP1逆时针旋到头；经指导教师检查无误后，可上电开始实验。3. 依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关；将DT04 单元输出脉冲的相位整定在同步信号的180过零点处，之后闭合主电路；用示波器分别监测每相负载两端的波形，顺时针缓慢调节给定电位器RP1，观察并记录负载电压波形的变化情况，分析电路工作原理。4. 实验完毕依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。七、注意事项1. 校正脉冲触发信号时，必须保证当U*n20时，150，否则可能导致后续电机启动失败。2. 触发信号应采用宽度为60的单脉冲或双窄脉冲，以保证电动机可靠启动。实验五 鼠笼三相异步电动机变压调速电路的研究一、实验目的1. 熟悉鼠笼转子异步电动机开环变压调速系统的组成。2. 了解实验系统主要组成单元的作用及其基本调试方法与注意事项。3. 熟悉鼠笼转子异步电动机的开环机械特性及其实验测定方法。4. 熟悉鼠笼转子异步电动机变压调速系统的起、制动控制。二、实验内容1. 鼠笼转子异步电动机变压调速系统的电路连接及静态参数整定。2. 鼠笼转子异步电动机的开环机械特性测试。3. 鼠笼转子异步电动机变压调速系统的起、制动控制。4. 分析、讨论给定积分器在鼠笼转子异步电动机变压调速系统中的作用。三、实验设备与仪器1. 综合实验系统主体（主控制箱）及其主控电路、转速变换、电流检测电路等单元以及负载控制器单元。2. 可控硅主电路挂箱(DSM01)“I组晶闸管”单元。3. 触发电路挂箱II(DST02)DT04单元GTI或GTII。4. 给定单元挂箱(DSG01) DG01单元。5. 鼠笼转子异步电动机 +磁粉制动器+旋转编码器机组。6. 慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。7. 微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应实验内容省略）。四、实验系统组成“鼠笼转子异步电动机开环变压调速系统”是较简单的交流变压调速系统，但由于不存在转速和电流闭环，动、静态特性都很差，并无实际应用，此处仅作为基本实验内容而予以分析、讨论。系统的组成如图5.1所示，接线电路见图5.2。如图5.1所示，系统主要由“DG01”、“DT04”、“DSM01”和转速变换（DD02）、电流检测等基本单元以及主控电路、鼠笼转子异步电动机 +磁粉制动器+旋转编码器机组等组成。图 5.1 鼠笼转子异步电动机变压调速系统框图图 5.2 鼠笼转子异步电动机变压调速系统五、实验原理（一）异步电动机变压调速系统原理改变定子电压调速属于异步电动机变转差率调速的一种。异步电动机T形等效电路如图5.3所示。图 5.3 异步电动机T形等效电路图异步电动机转速转矩图 5.4 异步电动机电磁转矩与转差率的关系当0ssm(s=00.2)时， 及，所以上式可简化为当sm s1 (s=0.21)时，上式可简化为减小感应电动机的端电压来实现调速时，对于恒转矩负载T，减小定子端电压则转差率s增大，由异步电机转速公式可得转速n减小。这种调速方式调速范围较小，特别是在电机空载或轻载时，调速范围就更小了。图5.5画出了电压为Ua、Ub、Uc(UaUb1时，进入过调制区域，在多个载波周期内载波和正弦波都没有交点，输出脉宽不再按正弦规律变化，而接近方波。第二组： 图1.5a 图1.5b第三组： 图1.6a 图1.6b第四组： 图1.7a 图1.7b由图1.5-1.7可见，随调制波幅值减小，输出波形逐渐接近SPWM规律变化，且P+、P-输出互差180。与实验大纲中的仿真波形相比较，可见实验结果与原理波形相近。七、实验总结与体会作为专业综合实验的第一项，单相PWM、SPWM波形发生电路实验还是比较简单的。通过实验1，我掌握了单相PWM、SPWM波形发生及调节的方法，也熟悉了示波器探测波形的使用，为后面的实验打好了基础。实验二 基本型三相SPWM脉宽调制波形发生电路的研究一、实验目的-五、实验步骤见实验大纲。六、实验数据记录第一组：三角载波频率fc=1.56kHz，调节调制波频率fr=98.9Hz，用示波器测试UM1, VM1, WM1输出端的SPWM波形，如图2.1a, b, c所示。图2.1a U, V相SPWM波形相位比较图2.1b U, W相SPWM波形相位比较图2.1c V, W相SPWM波形相位比较由图2.1a-c可见三相SPWM输出波形互差1/3周期，即120相位，与三相正弦调制信号的相位差一致，且每相SPWM脉冲的宽窄与相应相的正弦调制信号幅值大小对应，如图2.2a, b所示。 图2.2a U, V两相正弦调制波形 图2.2b U相正弦调制波与输出SPWM波形的比较改变正弦调制波的频率fr=131.7Hz, 192.7Hz，再次测量三相SPWM输出波形，得到类似结果如图2.3，2.4所示。 图2.3a U, V相 图2.3b U, W相 图2.3c V, W相 图2.4a U, V相 图2.4b U, W相 图2.4c V, W相由图2.3，2.4可见，三相SPWM输出波形相位差与三相正弦调制波形基本一致。七、总结与体会实验2在实验1单相SPWM调制的基础上，进一步研究了三相SPWM调制的规律，为后续利用SPWM方法控制电机打好了基础。实验三 三相锯齿波移相触发电路的研究一、实验目的-五、实验步骤见实验大纲。六、实验数据记录1. 测量U相电压与G21输出波形。将给定单元DG01的RP1调节旋钮逆时针旋至最底，移相触发脉冲的触发角将达到最大，如图3.1所示。受该试验台限制，触发角无法达到150，在示波器上测量得到触发角约为134。 图3.1 触发角最大时U相电压与G1触发脉冲输出调节给定单元DG01的RP1旋钮，使触发角逐渐减小，得到120至0等各个位置的触发脉冲如图3.23.6所示。 图3.2 =120 图3.3 =90 图3.4 =60 图3.5 =30 图3.6 =02. 测量G21与G22输出波形G21与G22输出波形的测量如图3.7所示，G21与G22分别为U相正向及W相负向晶闸管的触发脉冲，在一个周期(2)内相差60，实验测量结果与理论值符合较好。图3.7 G21与G22输出波形七、总结与体会通过该实验我学会了锯齿波移相触发电路的调节，直观认识了双窄脉冲触发的波形，为开环调节电机做了准备。实验四 三相交流调压电路一、实验目的-六、实验步骤见实验大纲。七、实验数据记录1. 触发角=150如图4.1a，逆时针调节给定模块电位器RP1至最底，使触发角=150时，U相电压波形如图4.1b所示，正向电压为正向晶闸管导通时负载两端波形，负向电压为负向晶闸管导通时负载两端波形。由于导通角很小，正、负向电压持续时间和幅值都很小。由于没有将中线接地，单相负载电压收受到另外两相电压的影响，与电源的正弦波形有一定偏差。 图4.1a 触发角=150 图4.1b U相电压波形2. 触发角分别为120/90/60/30/0调节给定模块电位器RP1，使触发角分别为120/90/60/30/0，如图4.2a4.6a所示，测量U向负载电压，得到波形分别如图4.2b4.6b所示。 图4.2a 触发角=120 图4.2b U相电压波形 图4.3a 触发角=90 图4.3b U相电压波形 图4.