信号与控制综合实验

1、电气学科大类 2010 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 同组者1 学 号 专业班号 同组者2 学 号 专业班号 指导教师 日 期 2013年5月28日 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分PWM信号的生成和PWM控制的实现DC/DC PWM升压降压变换电路性能的研究三相桥式相控整流电路性能的研究DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究设计性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分目 录实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现4实验二十九 DC/DCPWM 升压、降压变换电路性能研

2、究17实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究25实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能的研究43实验心得及体会53参考文献54实验二十八 PWM信号的生成和PWM控制的实现一、 实验原理1. PWM控制是电力电子电路控制中广泛应用的技术，通过改变脉冲宽度控制开关通断，从而得到不同幅值的输出电压，而且可以利用负反馈控制来稳定输出电压。2. 直流直流降压变换电路（Buck电路）图28-1 DC-DC降压变换电路（Buck电路 图28-1 Buck电路二极管有续流作用，LC电路滤波，由于开关频率高，谐波频率高，滤波器比较容易设计。3. PWM控制应具备的条件A 有三角波或阶梯波这样具有

3、斜边坡的信号作为调节宽度的调制基础信号；B 有比较器，以便将调制信号和反馈电压信号进行比较；C 对反馈电压幅值的限制门槛电压；D 有反馈环节（即恒定的电压给定、误差放大器及调节器、功率放大电路）；E 有按照一定的逻辑关系开放脉冲的逻辑控制电路。二、 设计要求电路要求具有PWM控制的几个基本功能，可选择单路输出、双路推挽输出，开关频率设计为10kHz或20kHz；具有根据反馈电压调节脉宽功能、软启动功能、保护封锁脉冲功能，以及限流控制功能。设计方案尽量简单、可靠。三、 实验任务1. 熟悉PWM集成芯片TL494的基本功能和使用；2. 基于PWM芯片的控制电路设计；3. 调试验证电路的正确性和功能

4、。四、 实验目的分析并验证基于集成PWM芯片TL494的PWM控制电路的基本功能，从而掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路设计方法。五、 控制电路分析图28-2给出了TL494控制芯片内部电路的原理框图，图28-4为基于该芯片所搭建的PWM控制电路。1. 软启动功能设锯齿波幅值为VCTm，则当电路处于单路输出状态时，电路启动过程如下： 根据图28-2，电路启动前，死区电压比较器输出高电平，G1、G2输出低电平，S1、S2截止。电路启动后，利用图2中所示的继电器将R21电阻断开，5V 电源对电容C21进行充电使V4逐渐降低，当 时，与锯齿波存在交点，在交点上方有，此时比较器输出低电平，G1，G

5、2输出高电平，S1、S2导通，电路有脉冲输出。随着V4降低，的时间渐长，占空比变大，直至V4稳定为止，此后占空比保持不变。图28-3给出了软启动过程中的脉宽变化趋势，从中还可以看出，输出脉冲并非与V4的下降同时发生，而是需要经过一段时间，至后才出现。图28-2 PWM集成电路芯片TL494原理框图当V4稳定后，由其几何关系可以看出： 其中，V为V4的稳定值。图28-3 电路的软启动过程2. 稳压控制方式由图28-2可知，电路启动达到稳定状态后，除V4外，占空比D还与PWM同相端电压V3有关：图中2号端口输入电位Vg为定值，若接入1端口的反馈电压Vf<Vg，则V3=VA,恒定不变；若Vf&

6、gt;Vg，则V3=K(Vf-Vg)，随Vf的增大而增大。图28-5给出了占空比D与V3、V4的关系，得：图28-4 稳压控制下占空比D的计算 从公式（28-1）可知，V3越大，占空比D越小，从而使主电路中的输出电压减小，导致反馈电压Vf减小，V3下降，D增大，如此往复，最终Vf、V3与D均稳定在某个值上，其中Vf=Vg，V3=VA，。若VA=2.5V,则D=0.42。3. 限流控制和脉冲封锁限流控制与脉冲锁闭既有联系，又有区别。从控制对象与目的上看，两者检测的均是反馈电流，当其超过设定阈值时，通过使图28-2中逻辑参数C=1，使G1、G2输出低电平，S1、S2截止，从而关断较大的反馈电流。从

7、控制手段上看，限流控制是通过芯片内部的15，16端口，将反馈电流If与阈值电流IM进行比较，使，进而使图28-1中PWM比较器的输出低电平，C=1，实现停止输出；而脉冲锁闭则是通过在芯片外部布设如下图28-6所示的电流检测模块，比较If与IM使得，图28-1中死区电压比较器输出低电平，C=1，实现锁闭输出。另外，脉冲锁闭功能在过流情况下，能通过二极管HL1或HL2的发光对操作者进行提示，而限流控制除了使输出脉冲为零外，并无其他提示信号。图28-5 电流检测模块的部分电路六、 实验步骤1. 软启动选择JP1=1&2,JP3=1&2,JP4=1&2；选择JP2=5&

8、6，启动电路，记录Vg1与TP3的波形，再JP2=3&4、1&2分别观察。2. 反馈电压Vf对D的影响JP2=5&6，将可调直流电压接到V1端，调节电压，调节电压，观察输出脉宽并记录；再JP2=3&4,1&2。3. 反馈电流If对D的影响JP2=5&6，将大电流接到I2端，TP2电位变化，观察并记录脉宽。4. JP2=5&6,I1接电压源，观察TP3与Vg1的变化，直至HL1发光。5. 死区电压对脉宽的影响JP2=5&6，启动电路，Vf=0，调节R24，观察TP3和Vg1的变化，关闭电路。七、 实验结果1. 软启动A 验证锯齿波的

9、产生，f=20kHz图28-6 锯齿波波形结果分析：实际得到的锯齿波频率为17.167kHz，幅值为2.9V，这与由公式 f=1.1/(RtCt)计算得到的结果f=1.11000pF*(13+51)k=17.188kHz很接近。B 改变JP2，启动PWM控制电路，观察TP3软启动波形（a）JP2=1&2,初始电压4.4V，稳态0.4V（b）JP2=3&4，初始电压4.4V，稳态1.0V（c） JP2=5&6，初始电压4.4V，稳态0.8V图28-7 软启动波形结果分析：JP2处于不同位置，初始电压和稳态电压不同，从图中可以看到，启动后芯片脉冲封锁端4端的电位变化缓慢，从

10、最大逐渐降到最小。起初电压大于锯齿波幅值，芯片输出驱动信号脉宽时间为0，之后脉宽时间逐渐变宽，到稳态时4端电压不为0，引起死区时间。驱动信号的这种变化有利于电力电子变换器的起动，防止较大的冲击电流。2. 反馈电压Vf对输出脉宽的影响(实验数据)f=17.15kHz,Ts=58.31usD=tonTs表28-1 反馈电压Vf对脉宽的影响TP1电位/V脉宽/us占空比D2.2150.32.4528.50.572.49380.77各电位对应的波形为：TP1电压为2.2VTP1电压为2.45VTP1电压为2.49V图28-8反馈电压Vf对脉宽的影响结果分析：从表28-1可以看到当反馈电压逐渐变大时，占

11、空比也逐渐变大，一直增大到1。3. 反馈电流If对D的影响由于实验室没有可调的电压源，最终实验没有做成。但是实验发现，当I2端输入高电位即大电流时，发光二极管HL2亮，电路没有脉冲输出。 4.实验现象：VI1=2.97VVTP3=V4=7.04vHL1亮 封锁5.实验数据及结果锯齿波频率20.53kHZ，Ts=48.7us（注意由于输出反相了，实验测得脉宽应为低电平宽度）以下为实验得到部分不同死区电压下的输出波形截图：电压为V=2.27电压为V=2.45图28-9 不同死区电压下的输出波形结果分析：输出脉宽随死区电压的升高变大，但是实际上占空比是减小的，因为芯片的输出反相了。这验证了死区电压的

12、作用，即限制了最大占空比。八、实验思考题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，观察输出电压变化（理论上由于反馈调节的存在，输出电

13、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+0.12>Vct，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，一旦主电路电流超过允许极限电流，脉冲封锁端电位便快速上升，使

14、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

15、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。小结与结果分析通过这次实验，我学习了PWM控制芯片使用，分析了控制电路图（图B01）的原理，在之前的仅对冲量等效原理有所理解的基础上，对PWM控制原理有了进一步的认识。我

16、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。其中，在做软起动波形观察的过程中遇到了不少问题，总是找不到对电路板开关的时机，应用示波器截取波形的速度也不够快。在测量死区过程中，对死区的理解不够，竟然把毛刺当成了死区，查阅了电力电子书后才找到正确的做法，因此耽误了许多时间。第一次实验做的比较不顺利，但收获还是相当丰富的，熟悉了试验台，实验用电路板，也锻炼了动手能力，复习了课上学的知识。总结的经验教训就是做实验之前一定要把实验中要测的量的基本概念弄清楚，不要再出现当场查书的情况，能做到这些，我想实验是比较

17、容易的，做起来也会比较顺利的。实验二十九 DC/DC-PWM升压、降压变换电路性能研究一、实验原理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。（1）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；（2）在此基础上，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；（3）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、实验目的验证、研究DC/DC-PWM降压变换电路的工作原理和特性；在实验二十八的

18、基础上，进一步掌握PWM集成电路芯片的应用、设计原则；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；掌握反馈环节与滤波电路的概念和设计原则。三、实验设计1.选择Buck电路参数，搭建电路 输入直流电压为80-120V，输出50V2.滤波器参数选取开关频率f=10KHz80=<Vs<=100v则0.417=<D<=0.625临界电流：IOBmin= 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3.传感器设计 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

19、电阻。2）电压传感器采样电阻的计算：当输出电压固定V0=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：，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。四、实验步骤首先按照实验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;通过调整集成芯片上JP2=5&6所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化，调整D=0.5。1. 开环实验采用控制变量法，即：保持负载电阻大小不变，调控输入的直流电压值，观测输出电压大小的变化；保持输入的直流电压值不变，变化负载电阻大小，观测输出电压大小的变化。（1）空载（实际负载电阻值为250欧姆）

20、,占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输出电流的变化。（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化。2. 闭环实验同样也是采用控制变量法，将实验的结果和开环实验的结果进行比较。在做上一实验的过程中发现参考电压值V-实际上小于2.5V。当接入主电路之后当输出电压为额定值时，反馈至V+端的电压总是大于参考电压V-，因为之前是将V-当作2.5V来设计的 。此时可再通过调整RP1的大小使V+=V-。（1）空载（实际负载电阻值为250欧姆）,占空比D=0.5，控制输入电压从80V变化至120V，观察输出电压及输

21、出电流的变化。（2）输入电压恒为100V,占空比D=0.5，负载电阻从30欧姆变化至空载，观察输出电压以及输出电流的变化。五、实验结果 一、开环特性研究首先连接JP1的2&3端，使驱动信号频率f=10KHz，连接JP2的5&6端，调节R24，即可改变占空比，调节占空比D=0.5。（1） 负载电阻不变（R=250），改变输入电压，记录输出电压电流，结果如下表所示，变压比M=输出电压输入电压；表29-1 开环特性负载不变、改变电压的输出输入电压/V输出电压/V输入电流/A输出电流/A变压比M8042.90.110.20.549049.70.120.210.5510055.20.16

22、0.230.5511060.70.190.280.5512066.20.200.300.55(2)输入电压不变（保持100V），改变负载电阻，记录输出电压电流，结果如表29-2；表29-2 开环特性电压不变、改变负载的输出负载R/输出电压/V输入电流/A输出电流/A变压比M10057.80.110.190.57820060.60.10.180.30350067.60.090.110.1351000780.080.090.0781200810.070.080.06751700860.040.060.051190087.50.020.040.046 （3）保持负载和输入电压不变为100V，改变占空

23、比，观察电压输出。表29-3 开环特性负载不变、输入电压为100V，改变电压的输出占空比输出电压/V输入电流/A0.2181.60.30.4164.30.20.555.20.160.6843.10.10.833.40.08图形如下：D=0.21D=0.41 D=0.5D=0.68D=0.80图29-1 不同占空比下的波形 实验分析与结论：本实验选取占空比的方法是先令空载（实际负载电阻值为250欧姆），输入电压为100V,调整JP2所接电阻大小使得脉冲电压的占空比发生变化，当输出电压为50V时认为此时对应的占空比为0.5。在之后调整电路的实验中不改变JP2所接电阻的大小。负载增大时，输出电流增大

24、，由于存在输出电阻使得输出电阻分压增大，负载端电压下降。并且负载过小时，电流过小，出现断流情况，这是变压比明显升高，如表29-2最后一列。可见当电路开环运行时，当输入电压的大小以及输出负载的大小变化时，输出电压的大小并不能保持恒定。六、 实验思考题1.BUCK电路中的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？实验如何保证电流连续？答：是。由于电感断流后，续流二极管不导电，其阴极电位不再等于0而等于，因而提高了输出电压平均值。临界负载电流与输出电压、电感L、开关频率fs以及开关管的D占空比都有关。实验室中电感很大时，临界电流很小，就很容易使电流连续2.BOOST电路中，为什么D不能等

25、于1？实验中如何保证D不等于1？答：在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能量通过二极管D的释放过程，也就是说必有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必会使Vo不断升高，最后使变换器损坏。实际工作中，为了防止输出电压过高，Boost电路不宜在占空比D接近于1的情况下工作。利用死区时间可以使得D不接近13.两种电路中L和C的设计应满足什么原则？答：（1）脉动电压值控制在1%以内。根据脉动电压公式：Buck Boost 其中：fs为开关频率，根据电路实际运行的参可以推得Buck中LC的最小值或Boost中电容的最小值。（2）从断流考虑。在正常运行范围内保

26、证不出现断流的情况。临界负载电流为： Buck Boost 根据运行时的具体情况可以得求Buck中电感L最小值，最后再求出电容的最小值或Boost中电感的最小值。 4.实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？答：本实验电路的开关管为三极管。驱动电路的要求为：（1）控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离，使得主电路的高电压大电流不会对控制电路产生电磁干扰。（2）开通时有较高的强触发，以减短开通时间。（3）开通后基极电流要适当减小，以减小通态时基射结损耗，同时使得三极管不至于过饱和导通。（4）关断时施加反向脉冲电流，缩短关断时间。（5）断态时最好施加反向基射电流，增加晶体管阻断电压的能力。5.

27、 实验电路中，传感器选取有哪些原则？ 答：（1）根据实验要求选择合适的传感器，例如本实验选取霍尔传感器是因为该类型传感器精度高、原边与副边完全隔离、动态性能好、可靠性高以及抗电磁干扰能力强。（2）选取的传感器的量程应大于被测量，但不能过大。（3）传感器的精度应该满足要求。（4）当传感器用于反馈时还需要考虑传感器的动态响应性能。小结与结果分析由于总结了上次实验的教训，实验前我们对buck电路做了细致的研究，所以这次实验做得比较顺利。在开环实验中，我们应用控制变量法，测量了保持负载电阻大小不变，调控输入的直流电压值，观测输出电压大小的变化；保持输入的直流电压值不变，变化负载电阻大小，观测输出电压大

28、小的变化，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。实验三十 三相桥式相控整流电路性能的研究一、实验任务1. 了解相控整流的基本原理，掌握不同性质负载时三相桥式相控整流电路输出直流电压的控制特性。2观察输出直流和输入交流的波形。二、实验目的1了解晶闸管相控集成触发电路的功能和触发脉冲信号的移相调控方法；2掌握三相桥式相控整流电路输出直流电压的控制特性；3观察电阻负载、电感性负载时输出直流电压及输入交流电流波形。三、实验方案设计图30-1 三相

29、全桥相控整流主电路（1） 输入电流瞬时值，可以在A相电源引线上传入霍尔传感器；（2） 输出直流电压的大小，可以在负载侧直接使用示波器测量（衰减10倍）；（3） 霍尔电流传感器的设计 霍尔传感器主要用于测量输入电流大小。为了提高测量的灵敏度，可以选择“5匝”端使得灵敏度变为5倍。同时在二次侧传入300欧姆电阻。此时传感器变比为1A/1.5V。四、实验步骤与结果1.纯阻性负载由输入电压：输出功率：Pmax100W ，取则输出电压最大值：由 则满载时取R=50，轻载时取R=100，分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=50（），调节相控角，观察并记录输出电

30、压变化（满载，Vl=30v），见表30-1;表30-1纯阻性负载R=50（）输出/度0306090120理论值VD/V40.535.120.255.40实际值VD/V40321850（a）输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）（b）输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）(c) 输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）(d)输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）图30-2 纯阻性负载R=50（）输出2） 纯阻性负载R=100（），调节相控角，观察并记录输出电压变化（满载，Vl=30V），见表30-2和图30-3；表30-2 纯阻性负载R=100（）/度0306090

31、120理论值VD/V40.535.120.255.40实际值VD/V41341950输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）输出电压波形（CH1）和输入电流波形（CH2）图30-3 纯阻性负载R=100（）的输出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=66.5mH调节的大小，观察并记录输出电压变化，见表30-3和图30-4；表30-3 阻感性负载不同相控角的输出电压0306090理论值/V40.535.120.280实际值/V3935.419

32、.50 (a.1)阻感性负载 输出电压波形（a.2）输入电流波形(b.1）阻感性负载 输出电压波形(b.2）阻感性负载 输入电流波形（c.1）阻感性负载 输出电压波形（c.2）阻感性负载 输入电流波形(d.1)阻感性负载 输出电压波形(d.2)阻感性负载输入电流波形（输入为零）图30-4 阻感性负载的输出3.滤波器设计确定滤波电容：最低次谐波频率为6f=300Hz，由，取取C=5。因此取R=50，L=66.5mH，C=5，Vl=30V； 图30-5 随机截取滤波后输出波形（上图为输出电压，下图为输出电流）五、实验思考题1.记录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

33、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

34、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

35、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

36、，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。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

37、故障和损坏等严重后果。因此必须注意！小结与结果分析通过这次实验我对第五章学习的三相相空整流电路有了进一步的理解，对纯阻性负载，阻感性负载在不同相控角下的波形也进一步加深了印象。实验前，我们小组对相控整流的波形的形成做了认真推导和描绘，做起实验来，比较顺利。实验过程中也遇到了不少困难，首先，对实验台不熟悉导致接线频频出错，在调整相控角时，很难把相控角调到合适的位置，这造成了最终波形的误差。在滤波器设计时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，选取了合适的电容参数，同时选择R=50，进行了实验，输出波形滤波的效果较为明显

38、，输出电压基本为直流电压，但是有比较大的毛刺，还是不够完美。这次实验最大的体会是，想把实验波形做到像理论值一样是几乎不肯能的，实验设计和具体操作也是有很大差别的。但是尽管如此，我们也不能为了做实验而做实验，不能一味的去追求理论波形，因为真正的实验是不知道结果的。我们要把实验实际的波形真实的反映出来，认真的分析误差，不断的总结，在以后实验中克服这些困难，完善自己的实验。实验三十一 DC/AC 单相桥式SPWM逆变电路性能研究一、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

39、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。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。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、实验目标1. 验证SP

40、WM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。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： 100V输入功率： 100W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

41、容参数。五、 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：（a）参考正弦波 频率52.03Hz 峰峰值5.16v(b)高频三角波 峰峰值7.44V 频率5.01kHz(c)死区时间图31-1 参考信号和死区时间测量波形2） 固定直流输入电压Vd=75V，Vc=7.44，改变Vr（即改变调制比M），记录输出电压大小及波形(见表31-1)；表31-1 改变正弦波幅值输出4.14.65.556.5理论值/V20.6623.17527.97532.8实际值/V2125.62932.8调制比M0.5510.6180.7460.874Vr=4.1Vr=4.6Vr=5.55Vr=6

42、.5图31-2 改变正弦波电压输出电压波形3） 固定调制比M=1（Vc=7.2V，Vr=7.2V），改变输入电压，记录输出电压峰值大小及波形（见表31-2）；表31-2 固定M、变输入电压的输出电压最大值Vd/V20406072.5理论值/V10203036.25实际值/V10.423.621.238.2图形的趋势是一样的，就记录了一个图：图31-3 固定M、变输入电压的输出电压波形4） 固定调制比M=1（Vc=7.2v，Vr=7.2v），输入电压Vd=50v，改变（即改变载波比），记录输出电压大小及波形（见表31-3和图31-4）；表31-3 改变载波比后输出电压频率fr/Hz506080f

43、0/Hz50.159.9580.5fr=50Hzfr=60Hzfr=80Hz图31-4 参考正弦波频率时的输出波形结果分析：（1）从步骤1）的结果可以看到芯片工作正常，并且有死区时间； (2)步骤2）的结果很理想，输出电压幅值随正弦波幅值变大而变大，两者在误差范围内成正比； （3）步骤3）的结果在误差范围内是正常的，固定M=1,输出电压基本等于输入电压，这说明实验验证了理论； （4）步骤4）说明载波比对输出电压频率的影响，表31-3结果表明输出电压频率基本等于调制波频率。 （5）这次实验的滤波器设计还有很多不足，实验后波形正弦化并不好，还需要进一步完善。 以上四个步骤从不同方面验证SPWM技术

44、的规律，并且得到很好的验证，尽管实验结果存在着较大的误差，但这是由实验条件的限制而产生的，总体看来我们的实验目标还是达到了，尽管与理论上存在差距，但我们通知实验掌握了真正的东西，即SPWM的工作原理和控制方法，对输入输出及参考信号之间的关系都有了更深刻的理解和把握，结果不是最重要的，最重要的是我们是否能把实验所得到的东西应用到新的场合和领域中去，这才是实验和一切学习的最终目的。小建议：为减小实验误差，应使高频三角载波的频率也可调，调高三角载波频率，可使载波比进一步增大，进而减小实验理论上的计算误差，增强与实验结果的可对比性。五、 实验思考题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过流状态，不能完全反映整个桥臂开关元件