3份华中科技大学电力电子学基本实验报告

1、3份华中科技大学电力电子学基本实验报告电气学科大类级信号与控制综合实验课程电力电子基本实验实验报告姓名：学号：专业班号：指导教师：日期：实验成绩：评阅人：目录本实验报告的主要内容有：（一）正文部分（二）关于团队分工的说明（三）致谢（四）参考文献（一）正文部分一、实验原理及思路：在本实验当中，必须首先搞清楚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；而脉冲宽度的变化与变换器的输出反馈有着密切的联系，当输出变化时，通过输出反馈调节开关管脉冲驱动信号，调节驱动脉冲的宽度，进而改变开关管在每个周期中的导通时间，以此来抵消输出

2、电压的变化，从而满足电能变换的需要。本实验中采用实验室中已有的PWM控制芯片TL494来完成实验，当然在进行具体的PWM控制之前，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，如何输出？输出地双路信号存在怎样的关系？参考信号是如何形成的？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反馈的？另外我们也必须了解和认识到对不同开关管进行驱动时，为保证开关管的完全可关断，保证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，若开放较宽脉冲而带来的较大冲击电流的影响（和会给整个电路带来许多不利影响），控制芯片要采用“软启动”的方式，这

3、也是本实验中认识的一个重点。二、确定实验目标：1. 掌握PWM控制芯片TL494的工作原理。2. 掌握控制电路的调试方法和工作方式。三、实验设备：1. PWM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。1PWM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

4、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+0.12Vct，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

5、，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亮封锁五、实验结果及相关波形：控制芯片TL494的参考锯齿波Vct施加电压V1=2.4V时的输出驱动信号施加电压V1=2.42V时的输出驱动信号 施加电压V1=2.44V 时的输出驱动信号 施加电压V1=2.46V 时的输出驱动信号 软启动时

6、端口4波形变化曲线 死区时间测量7ts = 六、实验思考题：（王浩鹏）1.如何验证本实验中PWM 控制电路（TL494）具有稳压控制功能？答：本实验中采用的控制芯片TL494中的稳压功能是通过反馈环节来实现的，在实验原理部分已经进行了较为详细的说明；当然若要进行简单的验证，我们可以采用简单的Buck 电路，限定输出Vo=50v ，此时通过霍尔电压传感器采集输出电压信号，同时采用合适的采样电阻（给定输出电压不同，则采样电阻不同），并调节可调电阻RP1，使变换器输出Vo=50v 时，电压误差信号端输入为零（即此时有效反馈为零，不影响输出）。当控制电路调节完成时，改变输入电压或负载大小，观察输出电压

7、变化（理论上由于反馈调节的存在，输出电压不变或者变化很小），即可验证PWM 控制电路（TL494）具有稳压控制功能。 2.如何验证本实验中PWM 控制电路（TL494）具有的保护功能?答：PWM 控制电路的保护功能由脉冲封锁端实现，这一点在软启动过程中我们已经看到：改变脉冲封锁端口的电位，即可改变输出脉冲信号的脉宽；若脉冲封锁端电位由于外界因素的影响而被迫升高，使得V4+0.12Vct ，则输出立即封锁。 利用这一点，我们仍采用简单的Buck 电路进行验证，用电流传感器采样主电路电流，选择合适的采样电阻（根据主电路极限电流的大小不同而不同），转换成电压信号，并反馈到脉冲封锁端，一旦主电路电流超

8、过允许极限电流，脉冲封锁端电位便快速上升，使输出立即封锁，保护主电路不致过流。 3.举例说明软启动的作用。答：软启动的作用在实验原理部分、及实验部分都进行了较为详细的说明和观察。作为应用，以V-M 直流电机调速系统为例（整流器作为供电电源），若电力电子变换器启动时，突然开放脉宽，此时作为负载的直流电机会因此而导致脉动转矩，这将导致电路出现过大电流而损坏电路元件；相反软启动，则可以使变换器的驱动脉宽从零平滑增长，使输出电压平滑变化，不会产生大的脉动转矩和脉动电流，实现平滑启动，同时是电路安全可靠稳定的运行。 4.说明限流运行时的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

9、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。 M I F I F M I I 30.7ct V V v +小结与结果分析（王浩鹏）本实验基本任务和目标掌握P

10、WM的控制原理，并且重点学习和认识典型PWM控制芯片TL494；因为PWM控制芯片是进行反馈控制的重点，只有认识和掌握PWM芯片的基本工作原理和结构才能为后续实验的顺利进行打下很好的基础。为此我们从控制芯片的基本结构入手，首先搞懂电路图，只有这样才会使实验有的放矢。针对芯片结构和几个基本的部分，为了从实验中验证已有的理论认识，并进行必要的比较。我们首先观察了控制芯片的参考锯齿波形，接着重点进行了PWM 脉宽调节和软启动波形观察，TL494控制芯片的脉冲封锁功能，接着进行了死区时间测量，最后观察PWM控制芯片TL494的过流保护功能。在实验过程中，由于刚开始对实验电路板不够熟悉，出现了很多的错误

11、和漏洞，有时甚至不明确该如何测量及要测量哪些量和波形，为此在小组成员和其他同学之间进行了很多的交流和讨论，有了更多的认识；实验完成了，但刚开始的时候并没有觉得有了多大的收获，真正的收获是来自于实验的总结和不断思考。在不断地实验中，我渐渐意识到，进行试验最重要的不是实验结果，而是为什么进行实验和这样实验能带来什么，能使我有怎样的收获。因为第一次实验的感受是即便你得到了好的实验结果，但不明确目标和实验目的，做完实验后仍可能一无所获，我想能认识到这一点，是我第一次电子实验的一个重要的思想进步。回到实验上来，尽管第一次的实验准备不十分充分，实验也在简单的追求实验结果中迅速结束，但通过总结，我认为自己还

12、是达到了实验目标了的。通过对控制芯片各项功能部件功能的理论分析和实验实践，对整个芯片的功能有了一个较为清晰的认识，掌握了芯片的功能合共工作原理，达到了实验目标。在小组成员中，我主要负责理论部分的研究，在第一次实验中因理论准备不足，我们的实践操作遇到了很多的麻烦，这是我的责任，我必须吸取教训，继续努力。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

13、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。 一、实验原理和思路：本实验的原理比较简单，即使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

14、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。二、确定实验目标：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及如何确定采样电阻。4.掌握反馈环节与滤波电路的设计。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

15、压试验输入电压：100v+20%；输出50v输出功率：100w 四、实验内容及方案设计：1.研究降压变换器的开环特性（电路图）2.研究降压变换器的闭环特性（电路图）3.反馈环节及滤波器的设计五、参数计算：1.电感和滤波电容的计算：选取开关频率f=10KHz80=则0.417=临界电流：Iob= 0s v D 2L f （1-） 则：取L=10mH则，则即时，电流一定连续，取取纹波系数：则滤波电容：取2.传感器采样电阻的计算：1）电流传感器采样电阻的计算：电流传输比：，选匝数n=5，同时假定PWM 控制器的极限电流Im=2A （含纹波），则，则，刚好为内置电阻。2）电压传感器采样电阻的计算：当输

16、出电压固定V 0=50V 时，霍尔传感器的输入电流为：， 则由电压传感器的电流传输比：则输出电压：， 则，除已内置的300电阻外，需在霍尔电压传感器的输出端口另串入300电阻。六、实验结果及数据记录： 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 1. 研究降压变换器（Buck 电路）的开环特性： 首先连接JP1的2.3端，使驱动信号频率f=10KHz ，连接JP2的5.6端，调节R 24，即可改变占空比。00m in (1)(10.416)L 0.7322s s o v D v m H L f L f I -=00.0940.1458B A I A 343R 5

17、33R 00.01V V m in20217.38s D C F V L f V -=100CF =01000i I I =3V 200mI R =300R =50v 1015k 3i I m A =025A 25A 10m A 3i m I I m =05v VR I =R 600= 1）改变占空比，测量输出电压、电流，并计算变压比M （Vs=100v R=250）占空比D 0.1 0.2 0.3 0.4 理论值V 0/V 90 80 70 60 实际值V 0/V 91.1 82.1 73.79 63.7 V 0/V 1.1 2.1 3.79 3.7 I 0/A 0.48 0.44 0.39

18、 0.34 M=V 0/Vs0.9110.8210.73790.637 2）改变输入电压，测量输出电压、电流，并计算变压比M （D=0.44 R=250）输入电压V i 80 90 100 110 120 理论值V 0/V 45 50.4 56 61.6 67.2 实际值V 0/V 47.56 53.78 59.48 64.96 70.88 V 0/V 2.56 3.38 3.48 3.36 3.68 I 0/A 0.27 0.3 0.33 0.37 0.41 M=V 0/Vs0.56250.59760.59480.59050.5907 3）改变负载大小，测量输出电压、电流，并计算变压比M （

19、Vs=100v D=0.44）负载R 100 200 300 400 500 600 800 1000 理论值V 0/V 56 56 56 56 56 56 56 56 实际值V 0/V 54.36 57.27 59.13 60.37 61.51 62.33 63.97 65.37 V 0/V -1.64 1.27 3.13 4.37 5.51 6.33 7.97 9.37 I 0/A0.510.290.20.150.10.10.080.06M=V 0/Vs 0.5436 0.5727 0.5913 0.6037 0.6151 0.6233 0.6397 0.6537 2.研究降压变换器（Bu

20、ck 电路）的闭环特性：在闭环实验中，TL494的闭环输入电压是经过霍尔电压传感器检测采样后的输出值，通过调节RP1，使RP1=80，同时调节R 24，使PWM 输出脉宽最宽，并将霍尔电压传感器输出端串接300采样电阻。1）改变输入电压，测量输出电压，并计算变压比M （R=250）输入电压V i 120 110 100 90 80 理论值V 0/V 50 50 50 50 50 实际值V 0/V 50.34 50.25 50.21 50.11 49.99 V 0/V 0.34 0.25 0.21 0.11 -0.01 M=V 0/Vs0.41950.45680.50210.5570.625 实

21、验中应注意V i 不能太小，否则容易产生断流。 2）改变负载，测量输出电压、电流，并计算变压比M （Vs=100v ）负载R50 100 200 250 理论值V 0/V 50 50 50 50 实际值V 0/V 50.5 50.15 50.46 49.89 V 0/V 0.5 0.15 0.46 -0.11I0/A 0.92 0.5 0.25 0 M=V 0/Vs0.5050.50150.50460.4989实验中应注意负载R 不能太大，否则容易产生断流。七、 实验思考题：（王浩鹏）1. Buck 电路中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？实验中如何保证电流连续？答：1）电

22、流是否连续当然会对实验带来影响，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：

23、这是因为在升压变换中，输出电压，输出电压与占空比成正比，当占空比趋近于1时，必然会使得输出趋于无穷大，这会造成输出畸变，同时也无法得到理想的实验结果，也是没有必要的。从实验设备安全性上看，这是需要极力避免的。3两种电路中的L 和C 的设计应满足什么原则?答：在确定电路参数L 和C 时，需要考虑两个问题：首先是电流的断流问题，为保证变换器在整个工作过程中都工作在电流连续区，必须首先选取合适的平波电感，使最小负载电流大于临界连续电流；其次为限制负载电流的纹波系数在一定的范围之内，必须在选择合适电感的基础之上选择合适的滤波电容。4.实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？ 答：首先要能够产生适时、

24、适式的可靠驱动信号，保证开关管的正常开通和关断，实现变换器的正常功能；其次要有灵敏的电压反馈环节，实现可靠的闭环稳压输出；另外要有电流限制功能，在主电路伏在功率过大时，有效实现电流封锁；再者要有良好的软启动功能，使变换器启动时不会给主电路带来大的冲击电流；最 s VD V =01s D V V D D =+01s V V D=- 后应具有负载过压保护环节（可利用脉冲封锁实现）。 5.实验电路中，传感器选取原则有哪些？答：传感器的选择，应首先具备较好的灵敏度，能够灵敏检测主电路电流的微小变化；其次要有合适的电流传输比，这样便可以将主电路电流恰当地转化为二次电流并反馈到PWM 电流检测端，与主电路

25、相应极限电流设定值比较，进而能够及时发现过电流；在此要有较大的电流和电压容量，防止因检测电压或电流过大而造成自身的损坏。 小结与结果分析（王浩鹏） 本实验的基本实验目标是研究并掌握Buck 降压电路开环特性，闭环特性，进行 比较，进而得出令人满意的结论。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）。 针对每个具体的实验电路，都要进行较好的参数设计，其中包括电路参数L 和C 的选择，及选择的条件和目的是什么，都要做到心中有数。此外，为实现有效的

26、输出电压反馈环节，我们必须根据电压霍尔传感器的电流传输比对采样电阻的选择进行耐心的计算，在这一点上，在电路设计的初期由于对霍尔电压传感器的内部结构不十分了解，而带来了很多麻烦，也使这一环节的设计显得捉襟见肘，直到清楚认识了电压传感器的内部结构后，这个问题才得以很好的解决；在电流控制环节，电流霍尔传感器的采样电阻的选择，会遇到同样的问题，此时根据主电路极限电流的设定值和实验二十八的有关测量结果，便容易得到合适的采样电阻值，进而实现好的电流控制，实现电路的过流保护。在进行实验过程中，在我和小组成员的积极配合下，本次试验进行得较为顺利。但从实验数据上看，本次实验的实测值与理论值之间存在着误差，当然误

27、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

28、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，这样使输出电压不断变大，而不再符合电流连续时的，而是，因此实验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。0s V D V =01s D V V D D =+0s V D V =闭环实验中，结果基本令人满意，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

29、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。通过本实验的学习和实践，基本完成了预期目标，将实验结果与理论计算进行了对比，收获良多。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。小建议：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。一、实验

30、原理及思路：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。相控整流有多种电路形式，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

31、制的原理是什么，这些也都是需要我们在实验之前明确的。二、确定实验目标：1了解晶闸管相控整流的移相调控原理和方法，掌握不同性质负载时三相桥式相控整流电路输出电压的控制特性。2.观察输出直流电压及输入交流电流波形，了解相控整流功率因数普遍低下的共病。3.滤波器设计三、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 输入三相交流电压：四、实验参数计算及实验结果记录：1. 纯阻性负载 由输入电压： 输出功率： ，取 则输出电压最大值： 由则 满载时取R=200，轻载时取R=400，分

32、别记录输入电流和输出电压波形。输出理论值计算： （） （） 1）纯阻性负载R=200（），调节相控角，观察并记录输出电压 变化（满载，V l =100v ） 0 30 60 90 120 理论值V D/V 135 117 67.5 18.1 0 实际值V D/V 128 115 63 15 0 m ax 100l V v=m ax 100P wm ax90P w=m axm ax co s 01001135D l V v=2m ax90D VwR202.5R co s D l V =0601co s(60)Dl V =+601200120 R=200 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH

33、2）连续R=200 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 连续0=30= R=200 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 临界断流 R=200 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 断流60=90= 2）纯阻性负载R=400（），调节相控角，观察并记录输出电压变化（满载，V l =100v ） 0 30 60 90 120 理论值V D/V 135 117 67.5 18.1 0 实际值V D/V130 117 67 17 0 R=400 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 连续 R=400 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）连续0120

34、0=30= R=200 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 临界断流 R=400 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2） 断流60=90=2.阻感性负载的范围为，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，取C=220。因此取R=200，L=133mH，C=220，V l=100v；调节的大小，观察并记录输出电压变化：0 30 60 90 120 150 理论值V D/V135 117 67.5 0 -67.5 -117 实际值V D/V130 118 65 0阻感性负载输出电压波形0180

35、DI30.69310lDVLI-1350.675200DI A=31000.693101030.675L m H-=300H z130010H z=FF = 阻感性负载 输入电流波形 阻感性负载 输出电压波形 0=30= 阻感性负载 输入电流波形 阻感性负载 输出电压波形 30=60= 阻感性负载 输入电流波形 阻感性负载 输出电压波形（输出为零）60=90= 阻感性负载输入电流波形（输入为零） 随机截取滤波后输出波形 90= 五、实验思考题：（王浩鹏）1.观察相控整流的功率因数应该观察哪些因素（数据或波形）?如何观察？ 答：当负载电感足够大时，输出电流可以忽略脉动，此时单相（例如a 相）输入

36、电压波形与该相输入电流波形（近似为交变矩形波）间存在相位差；由于单相电流中含有丰富的谐波成分，从波形相位上我们只能观测到电源基波功率因数，且基波功率因数角等于相位控制角，即，而电源的功率因数，由此可见相控角越大，则电源功率因数越低。 2.影响相控整流电路功率因数的原因有哪些？如何提高功率因数？答：影响相控整流功率因数的原因主要有两个方面：首先相控整流的输出电压随着相控角的增大而脉动加大，输出电压是周期性的非正弦电压，其中还有十分丰富的谐波形成分，尤其是较低此谐波幅值比较高，这使电源电压产生严重的畸变；其次相控整流还会带来移相问题，其中基波电源功率因数等于相控角，同时输入电流中亦存在着丰富的谐波

37、成分，这两个方面的因素，使电源功率因数随着移相角的增大而迅速减小，特别是深控时，电源利用率极低，这是相控整流的一大缺点。至于如何提高功率因数，当然就要从以上两个方面着手考虑。为改善输入电源电压波形，可以选择合适的输入滤波器，使输入电源波形尽量接近正弦波；为减小移相角的影响，可以尽量使变换器工作在相控角较小的状态下，避免深控的发生。3. 相控整流电路滤波器设计的原则有哪些？答：滤波器的设计不外乎考虑一下几点：对本实验，输出滤波器首先应使负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许的范围内，使输出电压电流的纹波系数限制到一定的范围之内；而输入滤波器则要使电源中的单次谐波电流和总谐波电流降低到允许的范

38、围内，同时使电源电压波形正弦化，提高电源的功率因数，这些是基本原则。除此之外，也要遵循一些基本的设计原则，例如输出滤波器中的电容不能过分增加开关器件的电流，而输出滤波器的电容则应不过分增大电源电流为原则，即输入输出电容都不应过大。另外滤波器电抗也不应过大，以使负载变化时，负载电压和输入电源电压不变化过大。再者滤波器的容量不要过大，同时要考虑成本、体积和重量。4. 相控整流电路的稳压控制需要考虑哪些问题？答：相控整流的稳压控制也应该有输出电压发馈实现，结合实验二十九不难发现，我们可以用电压传感器采集输出电压信号，并进行反馈控制开关管驱动信号，构成闭环控制环节。但和前面试验不同的是，这里改变驱动信

39、号控制的对象不再是开关管的导通脉宽宽度，而是相控角。此时可以用单片机构成微机控制电路，接收来及传感器的检测信号，与给定信号比较，是输出整流电压维持在需要值。在进行稳压控制时首先应考虑的问题就是电源的利用率问题，这是因为：由于稳压设定值的不合理，可能会造成自动反馈环节使相控角过大而是变换器进入深控状态，电源功率因数急速下降，电源利用率极低。这是稳压控制要首先考虑的。0=P F s = 而在阻感性负载时，还要考虑反馈调节对相控角的自动控制不能使相控角过大（当处于有源逆变工作状态时，相控角接近180度），否则可能会造成换相失败，以致造成变换器失控，产生大电流，导致故障和损坏等严重后果。因此必须注意！

40、 小结与结果分析（王浩鹏）本实验的基本实验目标是对三相相控整流电路性能的实践性检验，实验中实验电路十分简单，为研究输出电压与负载性质和相控角的关系，我们的实验也主要针对这两个方面展开。当然在本实验当中，我们只进行了主电路的连接，而忽略的主体箱内部产生满足驱动要求的驱动信号产生和控制电路，同时也没有详细的研究和探讨相控角控制电路的实现原理，而我认为这些也是我们学习的一个重点，但由于对实验箱体了解不多，这方面的了解也就有了限制。在本实验中我们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

41、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。 在实验中我们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，例如在纯阻性负载R=200时，理论上在相控角输出应为117v （输入线电压V l =100v ），但由于无法准确把握电位器的调节何时能使相控角，我们只能借助于示波器来观测输出电压的大小（添加合适的滤波电容），这给实验的数据记录和处理带来了很大的不确定性和麻烦，最关键的问题是：我们无法准确测量出对应实际实验相控角的输出电压大小，也就

42、无法与理论值进行比较，这是本实验的失败之处。因此所谓的数据记录根本没有实际意义，所谓的数据记录仅是理论值附近的一个随机点，我们无法从这样的数据中得到任何有用的信息或者结论。不过值得庆幸的是，我们获得较好的输入和输出波形，这才一定程度上弥补了我们的损失，通过输入输出波形我们可以清晰地观察到，在电流连续、临界连续电流断流时的输出电压波形，这与理论值十分吻合，验证了理论分析的正确性，和实验的成功之处。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

43、电容参数，同时选择R=200，并进行实验。此实验的数据记录和纯阻性实验一样存在相似的问题，在此不再赘述了。我们任意实验波形来判断相控角和分析问题，理论上移相角可以在范围内变化，但实验中由于电位器调节的限制30=30=0180 我们无法观测到后的电压输出波形 ，实验中依次记录了内电压的输出波形，从实验波形中我们可以找到临界断流点，和输出电压零点，实验波形与理论波形都有很高的吻合度，理论上时输出电压变为负值，即输出电压波形反向，耽误我们却无法从实验中观测到，这也是本实验中的一个缺憾。最后为观察滤波器的效果，我们随机截取了（相控角不确定）一个滤波输出波形，从输出波形上可以看出，滤波的效果较为明显，输

44、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。从总体上看，我们的实验目的还是达到了，我们得到了阻性负载和感性负载时的输出电压与相控角的关系，尽管实验中存在缺憾，但正是这样，让我们认识到了，理论上的实验设计和要求和实验的具体操作是有很大的差别的，理论上存在的，由于实验条件和环境的限制，实验中并不一定能够实现，这也正是实验需要不断改进的原因。当然反观我们自己，理论计算与实验结果并非没有冲突，例如我们选择平波电抗器时十一“输出电流可以或略脉动”的前提进行的，然而从实验的电流波形中我们可以清楚地观察到电流的脉动，由此可见电抗器的理论计算

45、存在实验上的偏差，这也是值得我们思考和改进的。小建议：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，进一步满足实验调节的要求。 一、 实验原理及思路：正弦脉冲宽度调制（SPWM ）的基本工作原理是脉冲等效原理:大小、波形不同的窄脉冲变量，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。在正弦脉冲宽度调制中，使各个等幅不等宽的脉冲电压在每个脉波周期内按照正弦规律变化，则逆变电路输出的多脉波电压与正弦电压等效。在明确了SPWM 的工作原理后，便是如何实现的问题了。本实验采用单极倍频正弦脉冲宽度调制，将正弦参考电压波和高频三角载波送入驱动信

46、号产生电路产生驱动信号。本实验中采用单相半桥逆变电路进行实验研究，实验目的是要通过9009060=90=9090180 实验进一步认识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。实验电路的主接线十分的简单，但内部驱动信号的产生电路则先对较为复杂，实验前须详细研究。此外还要设计该逆变电路的过压和过流保护电路（主体箱内布置），在主电路两个半桥臂上各自串入一个电流传感器，将检测到的每个桥臂的电流施加到过流电路保护电路端口，并与限定值比较，实现电路过流保护。 二、 确定实验目标： 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。

47、2. 掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法。3. 滤波器设计。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： 输入功率：四、实验参数计算1）滤波器设计：当 ，调制比N=100，最低次谐波次数为（2N-1）=199， 取最低次次数为200， 则滤波器的谐振频率，可取L=66mH ，C=0.33uF ，此时f=1.08KHz ； 当然为获得更好的滤波效果，可采用更大的电感和电容参数。 50r f H z =5c f K H z=1f K H z = 五、

48、实验内容及数据记录：1）首先进行参考信号与驱动信号死区时间的的测量： 参考正弦波 频率51.5Hz 峰峰值5.36v 高频三角载波 峰峰值21.4v 频率4.771kHz 死区时间 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/v3.6 4 5 6.8 理论值V 0m/V 10.26 11.4 14.24 19.4 实际值V 0m/V 8.6 9.6 11.8 17.6 调制比M 0.5130.570.7120.969 14ts= 时的输出电压波形（CH2） 时的输出电压波形（CH2） 6.8r V v=5r V v = 时的输

49、出电压波形（CH2） 时的输出电压波形（CH2） 4r V v=3.6r V v =3）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/V10 15 20 22.5 实际值V0m/V8.6 12.9 17.3 19.3输入电压Vd=20v时的输出电压波形输入电压Vd=30v时的输出电压波形输入电压Vd=40v时的输出电压波形输入电压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 ，改变（即改变载波比），记录输出电压大小及波形 f r/Hz50

50、60 80 f 0/Hz 50.1 60.02 80.78 参考正弦波频率fr=50Hz 时的输出波形 5c f K H z rf参考正弦波频率fr=60Hz时的输出波形参考正弦波频率fr=80Hz时的输出波形六、实验思考题（王浩鹏）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

51、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

52、电流损毁开关管和变换器。3.示例中，采用函数发生器作为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

53、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。实验思考题（杨军）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：单相半桥逆变电路

54、中电流传感器的作用是反映整个桥臂开关元件的过流状态，如果没有这个多的传感器，他只能检测到半个周期的过流状态，而且另外半个周期如果有大于开关过流承受能力的电流流过时便会烧坏元件，故需要多加一个电流传感器。2.怎么设计死区电路?设计的原则是什么？答：实验所采用的半桥逆变电路中的死区控制，可以通过控制芯片4528单稳态电路中相关端口的高低电平状态实现，调节电阻大小即可改变死区时间；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关断时间，从而控制同一桥臂上的开关管不至于同时导通，造成电源短路损毁开关管和变换器。3.示例中，采用函数发生器作为SPWM的正弦波来源，这样的方式是开环控

55、制还是闭环控制？可否实现稳压？答：开环控制，参考正弦波信号是由函数发生器提供，高频三角载波的产生不存在反馈调节环节，因此输出电压不影响驱动信号，所以是开环的，这不能实现稳压控制。4.SPWM逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？答：原则是滤波器自身谐振频率远小于最低次谐波频率，因此可采用尽可能大的电感和电容参数，以获得好的滤波效果，通过滤除输出电压中的高次谐波，可得到较理想的正弦基波。滤波器的设计也有一些基本要则，电感和电容参数的在尽量取得好的滤波 效果的前提下，不能过大，以减少电感（电容）对电路电源和输出电压的影响。此外，容量应尽量小。 小结与结果分析（王浩鹏）本实验的基本实验目标是对SPWM 电路的输出特性进行研究，研究输出交流电压峰值与直流输入电压、调制比和正弦参考电压的关系，虽然这些内容在电力电子课程当中已经进行了相当多的讨论，但并没有类似的实践环节，而本实验的作用正在于此，通过本实验的操作和测量重新认识问题和深入理解问题，并期待发现新问题，有更多的实验收获。在进行具体的实