华科电力电子实验报告

1、 20 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 电气同组者1 学 号专业班号 电气 同组者2 学 号专业班号 电气 指导教师 日 期 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）实验分值评分PWM信号的生成和PWM控制的实现DC/DCPWM升压、降压变换电路性能研究三相桥式相控整流电路性能研究DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究设计性实验实验名称/内容实验分值评分DC/DC PWM升降压变换电路（cuk变换器）设计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 录一、PWM信号的生产和PW

2、M控制的实现1二、DC/DCPWM升压、降压变换电路性能研究5三、三相桥式相控整流电路性能研究7四、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究15五、DC/DC PWM升降压变换电路(cuk变换器)设计20六、实验结论24七、心得与自我评价24八、参考文献25一、PWM信号的生产和PWM控制的实现一、实验目的1.掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路的设计方法；2.掌握控制电路调试方法，了解其他PWM控制芯片的原理及设计原则。二、实验内容1.了解基于PWM芯片的控制电路的工作原理；2.验证该控制电路的反馈电压调节脉宽功能，软启动功能，死区控制功能等。三、实验步骤和数据分析1、PWM脉宽调节：软

3、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。不同V1下的输出PWM波形如图1-1所示，图1-1(a)、V1=2.40V时输出PWM波形图1-1(b)、V1=2.44V时输出PWM波形图1-1(c)、V1=2.49V时输出PWM波形通过比较不同V1时的PWM波形可以看出，反馈电压V1越大，输出的PWM占空比越小。2、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，

4、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。软起动时4号引脚的电位变化如图1-2所示，图1-2(a)、JP2连接1，2时的软启动波形图1-2(b)、JP2连接3，4时的软启动波形由图1-2可以看出，在软启动的过程中，4号脚的电位V4是缓慢下降的，使得开放的脉冲宽度从零开始增大。下降的速度与RC电路的充电速度有关，JP2分别连接1，2和3，4时

5、，由于电阻值的不同，使得软启动的速度不同，也使得V4的稳态值不同，从而改变了死区时间。3、死区时间测量：使反馈电压为零，即V3=0，则K=0，将JP2连接5和6，调节V4电位，观察并记录PWM输出波形，并测量死区时间。观察死区时间的PWM波形如图1-3所示，图1-3、死区时间 测量得死区时间td=9s。且调节电位器使V4越大，死区时间越长。二、DC/DCPWM升压、降压变换电路性能研究一、实验目的1、验证、研究DC/DCPWM升、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、设计原则；3、了解电压/电流传感器的选用原则，建立驱动电路的概念和要求；4、掌握反馈环节与滤波电

6、路的概念和设计原则。二、实验内容1、了解熟悉BUCK变换器个环节之间的信号幅值和功率关系，正确地设计并连接、调试；2、占空比与电流连续方面的研究，对应的个参数设计、实验验证；3、控制器设计研究：开环特性、闭环特性、反馈环节的设计与选用。三、实验步骤和数据分析1、电感和滤波电容的计算。选取开关频率f=10kHz，80VVs100V，则0.417D0.625。由临界连续电流表达式则取L=10mH，则0.094A0.1458A，343R533，即R343时，负载电流一定连续，故取R=250。取纹波系数则滤波电容取C=100F。2、研究降压变换器的开环特性。、固定占空比D、负载电阻RL不变，研究输出电

7、压Vo与输入电压Vi的关系；在D=0.5，RL=250时测得Vo与Vi的关系如表2-1所示，表2-1、固定D、RL时，Vo与Vi的关系Vi/V80859095100105110115120Vo/V323541434546495054变压比M0.40.4120.4560.4530.450.4380.4450.4350.45由实验数据可以看出，当输入电压Vi改变时，输出电压Vo与其保持线性变化，变压比M= =D。、固定占空比D、输入电压Vi不变，研究输出电压Vo与负载电阻RL的关系；在D=0.5，Vi=100V时测得Vo与RL的关系如表2-2所示，表2-2、表2-1、固定D、Vi时，Vo与RL的关

8、系RL/500250200100Vo/V58454242变压比M0.580.450.420.42由实验数据可以看出，当负载电阻RL较小时，输出电压Vo基本不变，此时输出电流连续，变压比M=D；当负载电阻RL增大时，输出电流变小，当小于临界连续电流IOB时，电流断续，此时输出电压升高，MD。、固定负载电阻RL、输入电压Vi不变，研究输出电压Vo与占空比D的关系；在Vi=100V，RL=250时测得Vo与D的关系如表2-3所示，表2-3、固定Vi、RL时，Vo与D的关系占空比D0.500.430.300.24Vo/V45423228变压比M0.450.420.320.28 由于负载电阻RL=250

9、可以保证负载电流连续，所以当改变占空比D时，输出电压随之变化，变化过程中保持变压比M= =D。三、三相桥式相控整流电路性能研究一、实验目的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。二、实验步骤和数据分析1、输出接阻性负载，观察不同控制角时的输出电压电流波形。输入线电压V1=45V，负载电阻R=200时，输出电压电流波形随控制角的变化关系如图3-1所示，图3-1(a1)、=0时输出电压波形图3-1(a2)、=0时输出电流波形图3-1(b1)、=3

10、0时输出电压波形图3-1(b2)、=30时输出电流波形图3-1(c1)、=60时输出电压波形图3-1(c2)、=60时输出电流波形图3-1(d1)、=90时输出电压波形图3-1(d2)、=90时输出电流波形2、输出接阻感性负载，观察不同控制角时的输出电压电流波形。输入线电压V1=45V，负载R=200、L=133mH时，输出电压电流波形随控制角的变化关系如图3-1所示，图3-2(a1)、=0时输出电压波形图3-2(a2)、=0时输出电流波形图3-2(b1)、=30时输出电压波形图3-2(b2)、=30时输出电流波形图3-2(c1)、=60时输出电压波形图3-2(c2)、=60时输出电流波形图3

11、-2(d1)、=90时输出电压波形图3-2(d2)、=90时输出电流波形输出接电阻负载和阻感性负载时输出电压Ud随控制角的变化如表3-1所示，表3-1、输出电压Ud随控制角的变化0306090电阻性负载Ud/V59.351.733.96.98阻感性负载Ud/V59.750.732.43.871.35V1cos/V60.7552.6130.3750分析图3-1、图3-2和表3-1中的波形和数据可以得出以下结论：、三相桥式相控整流电路输出接电阻负载，当控制角60时，Ud断续，此时输出电压Ud60时，Ud的波形中出现负值成分，直至90以后，Ud0。四、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究一、实

12、验目的1、验证SPWM逆变电路的基本工作原理，并进一步掌握SPWM信号形成电路的设计方法；2、学习、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法；3、了解逆变电路滤波器的设计原则。二、实验内容1、验证SPWM逆变电路的基本工作原理；2、掌握逆变电路输出电压幅值与频率的控制方法；3、设计滤波器。三、实验步骤和数据分析1、接好控制电路和对应的电源，顺序观察控制电路三角波Vtri和正弦波Vsin的波形。Vp-p=8.00V，f=4.717kHz的三角波Vtri波形如图4-1所示，图4-1、三角波Vtri波形Vp-p=4.96V，f=50Hz的正弦波Vsin波形如图4-2所示，图4-2、正弦波Vsin波形

13、2、观察测量控制电路输出驱动波形的死去时间，如图4-3所示，图4-3、驱动波形的死区时间测量得死区时间td=12.4s。3、合上主电路的总电源开关，逆变器工作，用示波器记录逆变后的SPWM波形，如图4-4所示，图4-4、逆变后的SPWM波形4、设计滤波器参数：当fr=50Hz，fc=5kHz时，调制比N=100，则最低次谐波频率为f100=Nfr=5kHz，滤波器的截止频率要求fD；在“三相桥式相控整流电路性能研究”实验中，我们观测并记录了三相桥式相控整流电路在电阻负载和阻感负载时的电压电流波形。电阻负载时，若60，输出电压连续，且满足Ud=1.35V1cos，若60，输出电压出现断续，Ud平

14、均值减小。阻感负载时，输出电压始终连续，且满足Ud=1.35V1cos，当60以后，输出电压波形中出现了负值的成分，使Ud平均值减小，当=90时，Ud=0；在“DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究”实验中，我们掌握了双极性SPWM调制的原理，即通过参考正弦波Vsin和载波三角波Vtri比较大小产生开关管的控制信号，利用了冲量等效原理，使逆变电路输出的多脉冲电压与正弦电压等效。我们用示波器观测SPWM逆变输出的电压波形，发现谐波含量很大，使波形畸变严重，但由于都是高次谐波（100次及以上），所以经过简单的LC滤波后便得到了标准的正弦波。另外，我们还验证得出，输出电压的基波幅值V1与调制比M

15、=Vr/Vc呈线性关系变化，所以调节参考正弦波的幅值Vc就能调节输出电压的幅值。输出电压的基波频率f1与参考正弦波的频率fr相等，所以调节fr就能调节输出电压的频率。在“DC/DC PWM升降压变换电路（cuk变换器）设计”实验中，我们在实验二十八的基础上，对利用TL494芯片进行PWM控制的原理进行了进一步的研究，包括给定电压部分、软启动部分、反馈电压的引入、PI参数的设计以及霍尔传感器的使用，从而使用芯片对cuk变换电路进行闭关控制。闭关控制的思想是，利用霍尔传感器和一阶RC滤波电路将cuk电路的输出电压引入控制芯片的反馈输入端，与给定电压比较，通过PI环节进行误差放大，最后利用TL494

16、芯片自身的占空比调节功能，使输出电压稳定在设定值。在实验室测试了cuk变换器的闭环性能，当输入电压和负载电阻变化时，输出电压基本保持50V不变，出现的最大电压波动只有0.86%，满足了稳压要求。七、心得与自我评价前四个验证性实验相对比较简单，由于事先做好了预习工作，对电力电子学的内容进行了复习与巩固，实验过程较为顺利，实验结果基本与原理相符。在设计性实验中，由于TL494芯片的PWM控制是一个陌生的内容，而且之前也没有选修单片机的相关课程，所以整个实验过程必须从零开始。先是对实验二十八的内容进行了复习和更深入的学习，把附录4中的那幅电路图分析和计算了许多遍，之后又向同学和老师请教了有关驱动、反馈和PI参数方面的知识，这才对整个实验电路有了明确的设计。利用周末的时间，在电工基地焊接了实验班，边焊电路边测试是个良好的习惯，可以保证不会出现各种错综复杂的接线错误。正是事先充分的准备设计和周密的分析考虑，正式实验时不到一个小时便完成了任务。在实验报告的撰写过程中，每一个波形、每一组数据所能验证的原理，我都认真分析，不过由于是实验结束很久之后才写实验报告