电力电子实验报告

1、实验一单相半波可控整流实验一、实验主要内容(1) 了解并认知单相半波可控整流实验电阻负载；(2) 了解并认知单相半波可控整流实验阻感负载。二、实验目的通过实验，观察单相半波可控整流实验波形图变化，并了解其实验原理。三、实验具体操作过程1.单相半波可控整流实验电阻负载实验原理：图1-1 所示为单相半波可控整流电路(Single Phase Half WaveControlledRectifier )的原理图。图中变压器T起变换电压和隔离的作用，其中一次侧电压和二次侧 电压瞬时值分别用？?和？表示，有效值分别用 ？和？表示，其中？的大小根据需要 的直流输出电压 ？?狗平土值？%确定。在工业生产中，

2、很多负载呈现电阻特性，如电阻加 热炉，电解、电镀装置等。电阻负载的特点是电压电流成正比两者波形相同。在分析整流电路工作时，认为晶闸管(开关器件)为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零。除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。在晶闸管VT处于断态时，电路中无电流，负载电阻两端电压为零，?全部施加于 VT两端。如在？正半周VT承受正向阳极电压期间的wt1时刻给VT门极加触发脉冲，如图1-2b所示，则VT导通。忽略晶闸管导通电压，则直流输出电压瞬时值？?而？相等。即？降为零时，电路中电流亦降为零，VT关断，之后 ？?、id均为零。图1

3、-2c、d分别给出了 ？?？和晶闸管两端电压 ？?勺波形。id的波形与 ？?波形相同。改变触发时刻，？?和id波形随之改变，直流输出电压？?为极性不变但是瞬时值变化的脉动电流，其波形只在？正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件一一晶闸管，并且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压？?皴形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉半波整流电路。M . ? .那(wf |i» g - F + 血口 i, o"2TM"2实验步骤：(1)初始化：检查电源箱电源是否断开，如未断开电源，请断开电源再进行相应操作，断开电源后将实验平台上的所

4、有开关(W1W19恢复到OFF状态。(2)接线：保证 电源箱电源断开 的情况下将以下接口按照 A、R C、D顺序连接到相应位 置。A.将三芯插头线的另一端 4P端子连接到实验平台上电源板的4P端口，然后再将三芯插头插入电源箱的交流 220V输出端；如下图所示三芯I呆拽交流22OY蝇出呼蟠口16B.将两芯插头线的另一端 3P端子连接到实验平台上主电路SCR板的3P端口，然后再将两芯插头插入电源箱的交流24V输出端；如下图所示：C.USB转232串口线一端接到电脑 USB另一端接DSP核心板旁边的232接口；如下图所D连接好20P扁平电缆，如下图所示。(20P扁平电缆与30P扁平电缆绝不可同时接入

5、！)(3)将主电路 SC砒上的开关 W12、W14 W15以及信号板上的 W17置于ON状态，其它开 关均保证置于 OFF状态。(4)在电脑的控制面板中找到设备管理器(或者在开始菜单中搜索设备管理器)，打开设备管理器，确定电脑所使用的串口，如下图所示：(5)打开电源箱电源，观察 DSP核心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。(6)鼠标左键双击连接符号，打开“实验平台”进入登录界面，点击“进入”，设置波特1-3所示。设置完成后点击“打开串口率为“38400”，串口选择电脑所使用的串口，如图rii女维叫七粮六女般LW 4图1-3实验结果：30 a触发角302.单相半波可控整流实验阻感负载实验具体操作过程

6、：(1)阻感负载和电阻负载初始化和接线相同。(2)将主电路 SCR板上的开关 W13、W14 W15以及信号板上的 W17、W19拨动到ON状 态，其它开关均保证为OFF状态。(3)打开电源箱电源，观察DSP核心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。(4)鼠标左键双击连接符号，打开“实验平台”进入登录界面，点击“进入”，设置波特率为“38400”，串口选择自己电脑所使用的串口，如上图 1-3所示。实验结果：30 Q +30mH虫发角60度被相半消E扭晓渝"T嗓. &LXvr*r-vA :/、jt 口'I*>/L|J|t>JI孑2.川I (vt 二,曲一一 w

7、87;. * Jr 1：tin 就： - 输入电由二-3iBn2 vJ ,； 一 J ；她燥餐- -'-输出电的-oANXI 口检人制*= 50 ELe -柩山电技工O' Vj ',实验二单相桥式全控整流一、实验主要内容(1)单相桥式全控整流实验电阻负载;(2)单相桥式全控整流实验阻感负载。二、实验目的通过实验，观察单相桥式全控整流实验波形图变化，并知道其实验原理。三、实验具体操作过程1.单相桥式全控整流实验电阻负载实验原理：单相整流电路中应用最多的是单相桥式全控整流电路(Single Phase BridgeControlled Rectifier ),如图2-1 所

8、示电路图，所接负载为电阻负载。在单相桥式全控整 流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。在？正半周(即 a点电位高于b点电位)，若四个晶闸管都不导通，负载电流id 为零，？?也为零，VT1和VT4串联承受电压？，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受？的一半。若在触发角处给 VT1 和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源 a端经VT1、R VT4流回电源b端。 当？2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。薄i?-i单柜格式辛用车流三星S 电电声蝙丽由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在？?一个周期内

9、，整流电压波形脉动两次， 脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉全波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零。整流电压平均值为匚 = " f*72L sin)=2""11 + 3'。- 0 9H开 Ln 2，至王第二次电流有以值k与轴出国克七苏对蚊正I唱等，为I不予虑变百器小步春町，餐求变田都的客内“511)电阻负载实验步骤：(1)初始化：检查电源箱电源是否断开，如未断开电源，请断开电源再进行相应操作，断开电源后将实验平台上的所有开关(W1W1 B恢复到OFF状态。(2)接线：保证电源箱电源断开的情况下将

10、以下接口按照A、B、C D顺序连接到相应位置。(3)将主电路 SCR板上的开关 W12、W14 W15以及信号板上的 W17拨动到ON状态, 其它开关均保证为 OFF状态。打开设备管理器，确定电脑使用的串口。(4)打开电源箱电源，观察 DS咆心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。(5)鼠标左键双击连接符号，打开“实验平台”进入登录界面，点击“进入”，设置 波特率为“ 38400”，串口选择电脑所使用的串口，设置完成后点击“打开串口” 。(7)点击“单相桥式全控整流实验”进入单相桥式全控整流实验操作界面实验结果：30 触发角30° ;2.阻感负载实验步骤：(1)初始化：阻感负载和电阻负载初始

11、化和接线相同。(2)将主电路SCRS上的开关 W1& W14 W15以及信号板开关 W17、W19拨动到ON状态，其它开关均保证为 OFF状态。(3)打开电源箱电源，观察 DS咆心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。打开设备管理 器，确定电脑使用的串口。(5)点击“单相桥式全控整流实验”进入单相桥式全控整流实验操作界面(6)点击“负载”下拉窗口，选择“30a+30mH ,然后点击“触发角”的下拉窗口选择触发角，然后点击“change”。实验结果：30 a+30mH虫发角30° ;实验三 Buck变换器实验一、实验主要内容了解并懂得Buck电路结合原理，观察波形图变化。二、实验目的通

12、过拨动开关搭建 Buck电路，再通过修改上位机参数以达到控制DSP的目的。三、实验具体操作过程Buck电路变换器实验原理：Buck电路又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输入电压低于输出电压，输入电流是脉动的输出电流是连续的。降压斩波电路( Buck Converter )的原理图 如图3-1所示。该电路使用一个全控型器件Q1,图中为电力MOSFET也可使用其它器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图3-1中，L为储能电感，R为负载，Co为滤波电容，为在 Q1关断时给 负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管Do由法拉第定理得知， 在整个周期中，电感两端的电压，其平均值应

13、为零，也就是根据电 感器达到几秒平衡来决定电感上的电流是否为连续的情况。在一个切换周期结束时，电感电流的最小值不降为零而保持连续状态，称之为连续电流模式； 若持续一段时间为零， 则称之不连续电流模式。此处重点介绍连续电流模式。开关管导通，此时二极管D的压降约等于输入电压?此时为反向偏置状态。储能电感L被充磁电感的电流持续增大，流经电感的电流除了要给负载供电，还需要给电容充能。如图 3-3所示为开关管关断时的等效电路。 当开关管Q1驱动为低电平时，开关管关断，电源停止供电，电感两端电压的极性反向电感形成电流源对输出电容 Co充电的同时对 R放电，二极管D因电感极性改变而改为正向偏 置开始导通，电

14、感放电与输出电容Co的储能藉由二极管 D形成一个放电回路，因电感 放电消耗，电感电流开始下降，直到功率开关在下一个周期再度导通时为止。如图3-4中Q1的栅射电压GE u波形所示，在t=0时刻驱动Q1导通，电源？?负载供电，负载电压。% =曦，负载电流后按指数曲线上升.v Affi 3-4曲探莲低时的益丹当t=t1时刻，控制Q1关断，负载电流经二极管 电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小, 周期结束，再驱动 Q1导通重复上一个周期的过程。D续流，负载电压 U0近似为零，负载 通常使串联的电感 L值较大。至一个 当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图3-4所示。负

15、载电压的平均值为:式中，？电?为V处于通态的时间；tof 为V处于断态白时间；T为开关周期；为导通占 空比，简称占空比或者导通比。 由式（3-1可知，输出到负载的电 压平均值？?损大彳1为Vin , 减小占空比，？3?随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使用其英文名称，称之为 Buck变换器（Buck Converter ）。负载电流平均值为：若L值较小或负载较轻，则在 V关断后，到了 t2时刻，如图3-5所示，负载电流已衰 减至零，出现负载电流断续的情况。一般不希望出现电流断续的情况。型滨崎城时打谑琳实验步骤：1）初始化：检查电源箱电源是否断开，如未断开电源，请断开电源

16、再进行相应操作,断开电源后将实验平台上的所有开关（W1W1 B恢复到OFF状态。随空）又”直JU科馅日W版口2）接线：保证电源箱电源断开的情况 下将以下接口按照 A、B、G D顺序连接到位置。三名明堤交淑士彻 出如描口A.将航空插头线一端接电源箱直流24V输出，另一端接主电路 MO板上的2P插口；B.将三芯插头线的另一端 4P端子连接到实验平台上电源板的4P端口，然后再将三芯插头插入电源箱的交流 220V输出端；C.USB转232串口线一端接到电脑 USB另一端接 DSP亥心板旁边的232接口；ws转2襄索口纸电脑U5R授口2翌盘口D.拔下20P扁平电缆，插入 30P扁平电缆。（20P扁平电缆

17、与30P扁平电缆绝不可同 时接入！）。3）将主电路 MOS板上的开关 W2、W4 W8 W9以及信号板上的 W18拨动到ON犬态, 其它开关均保证为 OFF状态。（请严格按照指示拨动开关）4）在电脑控制面板中找到设备管理器（或者在开始菜单中搜索设备管理器）打开设备管理器，确定电脑所使用的串口。5）打开电源箱电源，观察 DSP核心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。6）鼠标左键双击连接符号，打开“实验平台”进入登录界面，点击“进入”，设置波特率为“ 38400”，串口选择电脑所使用的串口，如图 3-6,设置完成后点击“打开串口”7）点击“Buck变换器实验”进入 Buck实验操作界面，图3-7 （不可

18、错点，如若点错则需要关闭电源箱电源并且退出上位机操作界面，然后返回步骤5继续实验！)8)点击“占空比”的下拉窗口选择占空比，然后点击“ change”即可观察到界面右侧 开始绘图。此时再点击“开关频率”的下拉窗口可以选择开关频率，再点击“change”即可改变开关频率，如图3-8所示。实验时间不可过长，建议单次实验运行时间不超过15分钟。9) Buck变换器实验完成时，点击“返回”按钮，退出 Buck实验操作界面，最后关闭 电源箱电源，将所有开关置于OFF状态，结束本次实验。实验结果：占空比0.5 ;实验四Boost变换器实验一、实验主要内容(1) Boost电路结合原理，观察波形图变化。二、

19、实验目的通过拨动开关搭建 Boost电路，了解电路的工作原理。三、实验具体操作过程Boost升压电路实验原理：Boost升压电路的名称为"Boost Converter ; 或者叫"Boost Chopper",是一种开关直流升压电路，它能够将直流电转换为另一电压固定或电压可调的直流电，也称为直流一直流变换器(DC/DC Converter )。Boost变换器通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。假定可控开关(三极 管或者MOS管)已经断开，所有的器件 都处于理想状态，那么电容电压等于输入电压。 开 关管V也

20、为PWMfe制方式，但最大占空比 DM必须限制在1以下，不允许电路在 DM=1的状 态下工作电感L在输入侧，成为升压电感。 Boost升压电路的原理图如图 4-1所示。图Mi制升压电高原理图EM-2 V处于通态时的等效电踏在分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感 L值很大，电容值也很大。如图4-2 所示，可控开关管V处于通态时，电源E向电感L充电充电电流基本恒定为 I1。电 路中，功率开关两端的压降远小于输出电压？2且 二极管D的阳极电位也小于输出电压？分故此时二极管为反向偏压，输出电路被隔离开来。因此，电容 ？?上的电压向负载 R供电。因C值很大，基本保持输出电压 ？?为恒值。设V

21、处于通态的时间为？访?？此阶段电感L上积 蓄的能量为？?？?？由以上分析可知，当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量 相等，即：式中1/ ?,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也有的文献中直接采用文名称，称之为Boost变换器（Boost Converter ）。式（4-2 ）中on T/t 表示升压比，调节其大小即可改变输出电压？?的大小，调节的方法和Buck电路中调节占空比的方法类似。将升压比的倒数记做=? o则和占空比有如下关系：储能 处于 在此(4-4)是电感升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:之后具有使电压泵升的作用，二是电

22、容C0可将电压保持住。在以上分析中，认为通态期间因电容 C0的作用使得输出电压 V0不变，但实际 上C0值不可能为无穷大,阶段其向负载放电，V0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4-4）所得的结果。不过在电容C0值足够大时，误差很小，基本可以忽略。如果忽略电路中的损耗，则由电源提 供的能量仅由负载 R消耗，即：(4-5)根据电路该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可以看成是直流变压器。结构并结合式（4-4）得出输出电流的平均值ID为：由式t4-5： E：可得出电J电点I】为:«-7)实验步骤：（1）初始化和接线与实验三 BUC侬换器相同。2）将主电路 MOS板上的开关

23、 W1、W3 W7 W9以及信号板上的 W17置于ON状态，其 它开关均保证置于 OFF状态，电路上电后，输出侧电压即为 24V,注意不要用手触碰。（请 严格按照指示拨动开关）3）在电脑的控制面板中找到设备管理器（或者在开始菜单中搜索设备管理器），打开设备管理器，确定电脑所使用的串口。4）打开电源箱电源，观察 DSP核心板是否灯亮，若灯亮则上电成功。5）鼠标左键双击连接符号，打开“实验平台”进入登录界面，点击“进入”，设置波特率为“ 38400”，串口选择电脑所使用的串口，设置完成后点击“打开串口” 4-6所示。7）点击“Boost变换器实验”进入 Boost实验操作界面，如图 4-6所示。（

24、不可错点，如若点错则需要关闭电源箱电源并且退出上位机操作界面，然后返回步骤5继续实验！）8）点击“占空比”的下拉窗口选择占空比，然后点击“ change”即可观察到界面右侧开始绘图。此时再点击“开关频率”的下拉窗口可以选择开关频率，点击“change”即可改变开关频率，如图4-7 所示。实验时间不可过长，建议 单次实验运行时间不超过 15分钟。9） Boost变换器实验完成时，点击“返回”按钮，退出 Boost实验操作界 面，最后关闭电源箱电源，将所有开关置于OFF状态，结束本次实验。实验结果：占空比0.5实验七SPWMK变实验一、实验主要内容（1） 了解并懂得SPWMfe路结合原理，观察波形

25、图变化。二、实验目的通过拨动开关搭建 SPWM电路，了解电路的工作原理。三、实验具体操作过程SPWMFF压电路实验原理：PWM Pulse Width Modulation ）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于具有惯性的环节上时， 其效果基本相同。窄的脉冲的冲量是指其在时间轴上的积分，即面积。效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶分析，则会发现它们的低频段几乎是一样，仅在高频段略有差异。此原理称“冲量等效原理”，是PW

26、瞰术的重要理论基础。把直流电转换成正弦波交流电是根据面积等效原理，把图 5-1a的正弦 半波分成n等 份，把正弦半波看成是由 n彼此相连的矩形脉冲组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于N, 但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线， 而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。 为简清晰， 划分为7等份。7个脉冲的幅值按正弦规律变化，每个脉冲面积与相对应的正弦波部分面积 相同，这一连续脉冲与正弦波等效。如果把上述脉冲序列改为相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合， 且使矩形脉冲和相应正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图5-1b所示的脉冲序列。这就是 PWM波形。可以看出，

27、 各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律 变化的。根据面积等效原理，PW楸形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM<形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM皮形， 也称SPWM（ Sinusoidal Pulse Width Modulation ）波形。要改变等效输出弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形这种方法称为调制法。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性

28、关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度。PWM控制方式分为单极性调制和双极性调制，本实验采用单极性调制方式。图5-2是采用IGBT作为开关器件的单相桥式 PWM逆变电路。设负载为阻感负载，工作时 V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的 波形如图5-3所示。采用单极性方式时，具体的控制规律如下：在？?的正半周期内，让 V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压?3簿于直流电压？?； V4关断时，负载电流通过 V1和VD3续流，？=0在负载电流为负 的区间，仍为V1和V4导通时，因i0 <0,故i0实际上从VD1和VD流 过，仍有？?=?; V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，？?=0。这样，?总 得到？?和零的两种电平。 同样，在？?勺负半轴，让 V2保持通态，V1保持断态，V3和V4