电力电子实验指导书2018—4.doc

电力电子技术实验指导书目录电力电子实验平台说明2实验一 三相半波可控整流电路实验5实验二 三相桥式可控整流电路实验11实验三 降压式（Buck）直直变换器实验15实验四 升压式（Boost）直直变换器实验20实验五 单端反激式直直变换器实验24实验六 单端正激式直直变换器实验29实验七 半桥直直变换器实验34电力电子实验平台说明一实验台总体结构电力电子技术教学实验台总体外观结构如下图所示。整个实验台由仪表屏、电源控制屏、实验挂箱区、下组件区、实验桌等组成。图 1 电力电子技术实验平台仪表屏：配置指针式和数字式仪表，提供实验时需要的仪表。电源控制屏：控制整个实验台的电源，通过隔离变压器输出三相交流电源。实验桌：内可放置各种组件。实验挂箱区：放置实验时所需的功能组件。下组件区：放置直流电源以及变压器、可调电阻、电抗器等。二、供电电源1整机容量：60时：式中，Ud为整流电压平均值，U2为变压器副边相电压。由上可知，在阻性负载下，控制角的最大移相范围为120。(2) 大电感负载假设负载为阻感性，且电感感值很大，电感电流连续。在感性负载下，电路的控制角的最大移相范围为90。三、实验设备及介绍1、实验设备(1) NMCL-III电力电子技术及电气控制实验装置；(2) NMCL-33F触发电路及晶闸管主回路挂箱，如图6所示；(3) NMCL-03G可变电阻器，如图8所示；(4) NMCL-331平波电抗器，如图9所示；(5) 示波器；(6) 万用表；(7) 导线。2、NMCL-33F触发电路和晶闸管主回路挂箱面板介绍同三相半波可控整流电路。3、实验接线图图 12 三相桥式全控整流电路实验接线图四、预习内容(1) 预习三相桥式全控整流电路工作原理、可控硅触发电路工作原理。(2) 根据实验目的及要求完成的实验内容和实验报告拟定实验方案，写出实验步骤、要测取的实验数据、波形及要达成的目标。五、实验报告（1）用曲线说明电阻性负载和电感性负载下输出电压与触发角的关系；（2） 研究主电路在电感性负载和电阻性负载情况下的基本电量关系并与理论值比较，说明差异原因；（3） 为什么实验中电阻性负载的移相范围没有达到120？实验三 降压式（Buck）直直变换器实验一、实验目的(1) 理解电压控制型芯片脉宽调制原理；(2) 加深对降压式(Buck)直直变换器工作原理及特性的理解。二、实验原理图 13 Buck直直变换器主电路拓扑图 14 Buck直直变换器电感电流连续时波形图Buck降压式直直变换器主电路拓扑如图 13所示，电感电流工作在连续模式下的主电波形图如图 14所示。在开关管Q关断期间，电感电流始终不小于零的状态称为连续导通模式（CCM）。从电路图中可以看到当开关管Q导通时，二极管D反向截止，当开关管Q截止时，二极管D正向导通，使电感L中流过不间断的电流。稳态运行时，根据法拉第定律，电感电压一个周期内的伏秒积等于零，有如下式Ui-UDT=1-DT 此时，输出电压与输入电压的比值是 因此，输出电压总是小于输入电压。如果输出电流较小或者开关频率较低，在开关管Q关断期间，电感电流在部分时间内等于零，变换器就工作在断续导通模式（DCM）。此时，输出电压和输入电压之间关系是UUi=11+I/(4IGmaxD2)式中，Ui是输入电压，Uo是输出电压，D=TON/T为占空度，TON是开关管导通时间，T是开关管控制信号周期，Io是输出电流，IGmax是电感临界连续电流的最大值。三、实验内容(1) PWM控制芯片SG3525的工作原理和控制电路原理实验；(2) 观测开环控制下、电感电流连续时Buck变换器主电路各工作器件的电压状态、各支路电流状态；(3)观测输出电压纹波，观测开关频率对电感电流连续状态的影响；(4) 研究开环控制下、电感电流连续工作时Buck变换器输入输出的基本电量关系和外特性；(5) 观测开环控制下、电感电流断续工作时Buck变换器主电路的电量关系和各工作器件的电压状态；(6) 研究闭环控制下电压调整率及外特性；(7) 电感量设计实验。电感设计的条件为： 30V输入电压，15V输出电压，50Khz工作频率，设计输出滤波电感值，使得当输出电流为0.2A时电感电流临界连续，并作出设计报告。并根据设计结果采用相应的电感量验证设计结果是否满足设计的技术要求。四、实验仪器及设备(1) NMCL-111电力电子技术及电气传动实验装置平台；(2) NMCL-50A 直流电源单元，如图 15所示；(3) NMCL-54A 降压式（Buck）变换器实验箱；(4) NMCL-03G 可变电阻器；(5) NMCL-331 平波电抗器；(6) NMCL-53 直流电压电流表箱；(7) 示波器；(8) 万用表。实验设备说明：降压式（Buck）变换器实挂箱如图 16所示，主电路供电电压是20V30V可调直流电压，控制电路供电电压是20V直流电压，主电路中R1、R2、R3为三条支路电流的采样电阻，阻值为0.5，主电路输出端需外接可调电阻器和直流电压电流表箱。面板上主电路输出电压UO与控制电路开关S3左侧的主电路输出反馈信号Uo在挂箱内部已经连接好，开关S3拨向“开环”则主电路工作在开环状态，S3拨向“闭环”则主电路工作在闭环状态，此时主电路输出电压Uo就直接加在控制电路RW1电位器上，RW1旋钮可调节RW1电位器的阻值，RW2旋钮可调节RW2电位器的阻值。五、降压式（Buck）变换器实验箱主电路基本数据输入电压：2030V DC；输出电压：15V DC；输出负载电流：0.11A；工作频率：50kHz；输出纹波电压：100mV。六、预习要求(1) 预习电压控制型脉宽调制控制电路原理及芯片SG3525原理。(2) 根据实验目的及要完成的实验内容和实验报告拟定实验方案，写出实验步骤、要测取的实验数据、波形及要达成的目标。(3) 根据输入输出条件设计Buck变换器主电路输出滤波电感，并作出设计报告。在实验室制做电感，并接入电路进行实验，通过对波形的测试，判读，检查电感设计是否正确合理，并做出实验报告，分析和理论值存在差异的原因。七、实验报告(1) 通过实测的芯片SG3525各管脚波形，简述电压控制型芯片SG3525的工作原理。(2) 依据实验数据及做出的曲线研究主电路工作在电感电流连续状态下的输入输出基本电量关系，与理论值相比较，说明差异原因；(3) 做出外特性曲线，并讨论；(4) 简述变换器闭环工作过程。图 15 直流电源单元图 16 降压式（Buck）变换器实验箱实验四 升压式（Boost）直直变换器实验一、实验目的(1) 理解电压控制型芯片脉宽调制原理；(2) 加深对升压式(Boost)直直变换器工作原理及特性的理解。二、实验原理图 17 Boost直直变换器主电路拓扑图 18 Boost直直变换器电感电流连续时波形图Boost变换器主电路拓扑如图 17所示，在开关管Q关断期间，电感电流连续导通模式（CCM）下的主电路波形图如图 18所示。当开关Q导通时，电源Ui加在电感L 上，电感储能，电感电流线性增加，二极管D截止，负载由电容供电。当开关Q关断时，储藏在电感L中的能量迫使二极管D导通，能量释放到输出电路，和电源电压Ui一起向负载供电，同时向电容C充电。对BOOST电感使用法拉第定律（1）Ui DT=U-Ui1-DT因此，输出电压与输入电压之比UO/Ui =1/(1-D)电感电流断续时输入输出电压关系是UiUO=11+4IGmaxD2IO式中，Ui是输入电压，UO是输出电压，D=TON/T为占空度，TON是开关管导通时间，T是开关管控制信号周期，IO是输出电流，IGmax是电感临界连续电流的最大值。三、实验内容研究主电路开环时各器件电压状态、各支路电流状态、输入电压和输出电压之间基本电量关系和外特性。观察电压纹波，观察不同电感对连续状态的影响。研究电路闭环工作时的电压调整率。四、实验仪器设备(1) NMCL-111电力电子技术及电气传动实验装置平台；(2) NMCL-50A直流电源单元；(3) NMCL-54B升压式（Boost）变换器实验箱；(4) NMCL-03G可变电阻；(5) NMCL-53直流电压电流表箱；(6) 示波器；(7) 万用表；(8) 导线。(9) 实验仪器设备说明：升压式（Boost）变换器实验箱面板图如图 19，其中主电路供电电压是20V30V可调直流电压，控制电路供电电压是20V直流电压，主电路中R1、R2、R3为三条支路电流的采样电阻，阻值为0.5，主电路输出端需外接电阻负载箱的电阻负载和直流电流表挂箱。面板上主电路输出电压Uo与控制电路开关S3左侧的主电路输出反馈信号Uo在挂箱内部已经连接好，开关S3拨向“开环”则主电路工作在开环状态，S3拨向“闭环”则主电路工作在闭环状态，此时主电路输出电压Uo就直接加在控制电路RW1电位器上，RW1旋钮可调节RW1电位器的阻值，RW2旋钮可调节RW2电位器的阻值。五、升压式（Boost）变换器实验箱主电路基本数据输入电压：2030V DC；输出电压：32V DC；输出负载电流：0.11A；工作频率：50kHz； 输出纹波电压：100mV。六、预习要求(1) 预习升压式（Boost）变换器工作原理。(2) 根据实验目的及要完成的实验内容和实验报告拟定实验方案，写出实验步骤、要测取的实验数据、波形及要达成的目标。七、实验报告(1) 依据实验数据及做出的曲线研究主电路电感电流连续状态的基本电量关系并与理论值相比较，说明差异原因；(2) 做出Boost变换器电感电流连续情况下外特性曲线，并讨论；(3) 简述Boost电路带死负载的目的，根据电路波形叙述功率半导体器件耐压选择的依据。图 19 升压式(Boost)变换器实验箱实验五 单端反激式直直变换器实验一、实验目的(1) 理解电压控制型芯片脉宽调制原理；(2) 加深对单端反激式直直变换器工作原理及特性的理解。二、实验原理图 20 单端反激式直直变换器主电路拓扑图 21 单端反激式直直变换器电流连续时波形图单端反激式直直变换器主电路拓扑如图 20所示，当开关管Q开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，其理想化波形如图 21所示。开关管Q开通前，N2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，断续时的理想化波形如图 22所示。电流连续模式时输入输出电压关系为UOUi=N2N1式中，Ui是输入电压，UO是输出电压，D为占空比，N1为变压器原边绕组匝数，N2为变压器副边绕组匝数。图 22 单端反激式直直变换器电流断续时波形图开关管Q开通后，二极管D处于断态，变压器原边N1绕组的电流线性增长，电感储能增加。Q关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过副边N2绕组和二极管D向输出端释放，开关管Q上承受的电压为电流断续模式时输出电压高于连续时的计算值，在负载为零的极限情况下，UO趋向于无穷大，所以要避免开环状态下负载开路。四、实验内容研究电路开环工作时电流连续状态下各器件电压状态、各支路电流状态、基本电量关系及外特性，观察电压纹波，了解开环工作时电流断续状态下各器件电压状态，研究电路闭环工作时电压调整率。五、实验仪器设备(1) NMCL-111电力电子技术及电气传动实验装置平台；(2) NMCL-56单端反激式变换器实验挂箱；(3) NMCL-50A直流电源单元；(4) NMCL-53直流电压电流表箱；(5) NMCL-03G可变电阻器；(6) 示波器；(7) 万用表。实验仪器设备说明：单端反激变换器挂箱面板图如图 23，其中主电路供电电压是20V30V可调直流电压，控制电路供电电压是20V直流电压，主电路中R1、R2为变压器原副边支路电流的采样电阻，阻值为0.5，主电路输出端需外接可变电阻器的电阻负载和直流电压电流表挂箱。主电路输出电压Uo与控制电路开关S3左侧的主电路输出反馈信号Uo在挂箱内部已经连接好，开关S3拨向“开环”则主电路工作在开环状态，S3拨向“闭环”则主电路工作在闭环状态，此时主电路输出电压Uo就直接加在控制电路RW1电位器上；RW1旋钮可调节RW1电位器的阻值，RW2旋钮可调节RW2电位器的阻值。六、单端反激式直直变换器主电路和控制电路实验挂箱主电路基本数据输入电压：2030VDC；输出电压：闭环为32VDC；输出负载电流：0.11ADC；工作频率：50kHz；输出纹波电压：100mV；变压器线圈匝数：原边绕组匝数：35匝，副边绕组匝数：40匝。原边绕组匝数：40匝，副边绕组匝数：40匝。七、预习要求(1) 预习反激变换器工作原理。(2) 根据实验目的及要完成的实验内容和实验报告拟定实验方案，写出实验步骤、要测取的实验数据、波形及要达成的目标。(3) 根据实验装置技术指标的要求，计算功率管主要参数并选择合适的功率管，说明选取的理由七、实验报告(1) 观测单端反激式直直变换器工作在电流断续状态下时主功率管漏源电压波形，并分析和理想波形的差异原因。(2) 根据实验选用的变压器变比，在输出电压为32V、电感电流连续状态下分析主功率管耐压情况，如果不考虑开关尖峰并留50%的裕量，请选择你认为合适的功率管定额。(3) 分析主功率管开关尖峰产生机理，并简述抑制主功率管开关尖峰的方法。图 23 单端反激变换器挂箱实验六 单端正激式直直变换器实验一、实验目的(1) 理解电流控制型芯片脉宽调制原理；(2) 加深对单端正激式直直变换器工作原理及特性的理解。二、实验原理图 24 单端正激式直直变换器主电路拓扑图 25 单端正激变换器波形图单端正激式直直变换器主电路拓扑如图 24所示，波形图如图 25所示。uG是开关管Q的栅极源极的控制信号波形，uDS是开关管Q的漏极源极的电压波形，iQ是流过开关管Q的电流，iD是流过二极管D的电流；Q开通后，变压器原边绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的副边N2绕组两端的电压也是上正下负，因此二极管D1处于导通状态，D2为断态，电感L的电流线性增长。开关管Q关断后，电感L通过D2续流，D1关断。变压器的励磁电流经复位线圈N3绕组和D3流回电源，所以开关管Q关断后承受的电压为uQ=1+N1N3Ui开关管Q导通时，变压器次级电压u2=nUi式中，n=N2/N1为变比，N1为变压器原边绕组匝数，N2为变压器副边绕组匝数，N3是复位线圈绕组匝数。当Q截止时，D1截止，输出滤波和降压式变换器工作方式相同，输出电压为UO=Du2=DnUi式中，Ui是输入电压，Uo是输出电压，D=TON/T为占空度，TON为开关管导通时间，T为开关管控制信号周期。正激变换器变压器磁复位时的波形图如图 26所示。uG是开关管Q的栅极源极的控制信号波形，uN1是变压器原边绕组N1的电压波形，im是变压器原边绕组的激磁电流波形，Trst是变压器磁芯复位时间；开关管Q导通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性增长，直到Q关断。开关管Q导通时，二极管D3截止，N3不参与能量传输。当开关管Q截止时，N3上感应电势反号，迫使D3导通，将储存在变压器中的能量返回电源，使变压器的磁芯复位。图 26 单端正激变换器磁复位时波形图根据法拉第定律，稳态运行时电感电压一个周期内伏秒积等于零，由此，得到磁芯复位时间三、实验内容研究芯片UC3844原理和控制电路原理，研究单端正激式直直变换器主电路闭环时各工作器件电压状态、各支路电流状态、电压调整率和外特性。四、实验仪器设备(1) NMCL-111电力电子技术及电气传动实验装置平台；(2) NMCL-50A直流电源单元；(3) NMCL-57单端正激式变换器实验箱；(4) NMCL-53直流电压电流表箱；(5) NMCL-03G可变电阻器；(6) 示波器；(7) 万用表等。实验仪器设备说明如下。单端正激变换器实验箱面板图如图 27，主电路供电电压20V30V可调直流电压，控制电路供电电压是20V直流电压，主电路中R1、R2为变压器原副边两条支路电流的采样电阻，阻值为1，主电路输出端需外接可变电阻器的电阻负载和直流电压电流表箱；主电路输出电压UO和控制电路中主电路输出电压反馈信号UO在挂箱内部已经连接好；RW1旋钮可调节RW1电位器的阻值，RW2旋钮可调节RW2电位器的阻值。五、单端正激变换器实验挂箱主电路基本数据输入电压：2030V；输出电压：闭环为15V；输出负载电流：0.11A；工作频率：50KHz；输出纹波电压：100mV；变压器线圈匝数：原边匝数：12匝，副边匝数24匝，磁恢复绕组匝数：12匝。其中原边12匝有一个抽头：抽头匝数为1-2之间3匝,2-3之间9匝，1-3之间为原边匝数12匝。六、预习要求：（1） 预习单端正激式直直变换器原理、电流控制型芯片UC3844脉宽调制原理。（2） 根据实验目的及要完成的实验内容和实验报告拟定实验方案，写出实验步骤、要测取的实验数据、波形及要达成的目标。七、实验报告(1) 根据UC3844各管脚波形图，简述电流型PWM控制芯片UC3844的工作原理；(2) 简述铁芯磁复位过程，并简述变压器各绕组变比和最大占空比之间的关系，及其对主功率器件电压应力的影响；(3) 测试电路主要器件的波形，并按照时序关系绘制波形，阐述一个完整周期内电路各工作模态。图 27 单端正激变换器主电路和控制电路实验挂箱实验七 半桥直直变换器实验一、实验目的掌握半桥直直变换器电路拓扑和工作原理。二、实验原理半桥直直变换器原理图 28 半桥直直变换器电路拓扑图 29 半桥直直变换器工作波形图半桥直直变换