電力電子第一次實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 直流斬波電路實(shí)驗(yàn)姓名：王圣雨班級(jí)：自14同組：潘新蕾、費(fèi)定宇日期：2013.11.30實(shí)驗(yàn)一 直流斬波電路實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握降壓斬波電路、升壓斬波電路及斬波控制電路的結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉以上兩種基本斬波電路的工作狀態(tài)和波形情況及調(diào)試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）了解驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)電路的工作原理（2）降壓斬波電路的波形觀察及電壓測(cè)試（3）升壓斬波電路的波形觀察及電壓測(cè)試（4）升降壓斬波電路的波形觀察及電壓測(cè)試三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：3.1 直流供電電源的構(gòu)成：圖1 直流供電電源原理圖圖中MC0101C是輸入變壓器模塊，其輸入為三相市電供電電源，可以提供輸出相電壓為15V、75V、90

2、V等幾種選擇，為實(shí)驗(yàn)提供與電網(wǎng)隔離的不同輸出電壓的交流電源。圖中L1、L2和L3為三相電源進(jìn)線端，接三相380V市電（實(shí)驗(yàn)裝置中已經(jīng)連接好）。（1）將標(biāo)有2U3和2W3的端口分別與2V3端用U型短接橋連接，構(gòu)成變壓器副邊星形輸出。（2）選取15V處的輸出端，即2U2、2V2和2W2三端與整流模塊MC0308的輸入端分別相連。（3）將濾波模塊MC0601與整流模塊MC0308用U型短接橋連接組成整流濾波電路。（4）用U型短接橋連接濾波模塊MC0601上的濾波電容。整流濾波電路輸出端作為斬波電路主電路的供電電源使用，空載時(shí)電壓約為40V。（5）接通輸入變壓器模塊MC0101C上的主電路電源開關(guān)，用

3、萬用表測(cè)量并確認(rèn)濾波模塊MC0601上的輸出直流電壓。若結(jié)果和40V相差較大，嚴(yán)禁往下做實(shí)驗(yàn)。注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)過程中始終選用輸入變壓器模塊MC0101C上的開關(guān)控制主電路的通斷。開關(guān)在“I”位置時(shí)主電路接通，開關(guān)在“0”位置時(shí)主電路斷開。3.2 控制電路的連接：直流電源模塊MC0201D提供控制電路使用的+15V、0V和-15V直流電壓，由該模塊上的電源開關(guān)控制其通斷。將MC0511控制單元上下端的+15V、0V和-15V用U型短接橋分別與其對(duì)應(yīng)的各端連接好。MC0511控制單元由SG3525脈寬調(diào)制控制芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。注意事項(xiàng)：除了降壓斬波電路實(shí)驗(yàn)外，始終要用U型短接橋?qū)C0511控制單元

4、上的“輸出限幅”端口短接，以保證斬波電路負(fù)載上的輸出電壓工作在安全范圍內(nèi)，確保實(shí)驗(yàn)裝置的安全。3.3 驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試： 將示波器探頭連接到MC0511控制單元的G和S端口，閉合直流電源模塊MC0201D上的電源開關(guān)，觀測(cè)MC0511控制單元上SG3525控制芯片及接口電路所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形。MC0511作為斬波器等主電路功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該模塊輸出頻率有5kHz、12 kHz和20 kHz等，并帶有輸出限幅功能。（1）旋轉(zhuǎn)“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕改變占空比；旋轉(zhuǎn)“開關(guān)頻率選擇”旋鈕可以使得斬波電路分別在“低頻”、“中頻”、“高頻”三個(gè)不同的開關(guān)頻率下工作，觀察驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比和開關(guān)頻率的變化情

5、況。（2）“輸出限幅“和“禁止”功能的確認(rèn)：觀察U型短接橋接入MC0511控制單元“輸出限幅”端口前后信號(hào)最大占空比的變化，分析該功能作用；（2）將U型短接橋接入“禁止”端口，觀察輸出信號(hào)的變化，分析該功能的作用。3.4 降壓斬波電路的性能研究： （1）搭建降壓斬波電路：開關(guān)器件使用模塊MC2018C上的任一MOSFET管（VT1、VT2、VT3或者VT4），將MC0511控制單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的G端和S端分別連接到所選擇的MOSFET管的G端（驅(qū)動(dòng)端）和S端。用模塊MC0604C上的電感電容元件以及模塊MC0301上的二極管搭建如圖所示的降壓斬波電路，負(fù)載為模塊MC1093G上的3個(gè)燈泡。圖2

6、 降壓斬波電路（2）旋轉(zhuǎn)MC0511控制單元上的“開關(guān)頻率選擇”旋鈕，選定“低頻”（開關(guān)頻率為5 kHz）運(yùn)行模式。（3）將MC0511控制單元下方的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕旋轉(zhuǎn)至0%位置，閉合直流電源模塊MC0201D上的電源開關(guān)，“+15V”指示燈點(diǎn)亮。觀察MC0511控制單元上所選擇的的開關(guān)頻率指示燈是否正確點(diǎn)亮。（4）接通輸入變壓器模塊MC0101C上的主電路電源，用萬用表測(cè)量濾波模塊MC0601上的輸出直流電壓，確認(rèn)其約為40 V。調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕至約為30%處，觀察燈泡亮度的變化，用萬用表測(cè)量并記錄燈泡負(fù)載上的電壓Uo和斬波器輸入直流電壓E（即圖1的輸出

7、直流電壓）的值。用示波器觀察并記錄驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形，對(duì)比此時(shí)的波形與步驟（3）時(shí)所觀察到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形之間的區(qū)別。觀察并記錄斬波電路MOSFET 漏源極兩端、電感兩端、二極管兩端的波形。觀察負(fù)載兩端的波形。（5）調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕，將占空比從約10逐漸調(diào)到約70，至少記錄5 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果填入表1中。（6）輕載實(shí)驗(yàn)（僅記錄一種電路在占空比為30%時(shí)的波形）。負(fù)載只接入一個(gè)模塊MC1093E上的25W/220V 燈泡，重復(fù)步驟3.4第（4）項(xiàng)的內(nèi)容。分析輕載情況下以上參數(shù)或波形發(fā)生變化的原因。（7）調(diào)節(jié)MC0511 控制單元上的“開關(guān)頻率選擇”旋鈕，將斬波器開關(guān)頻

8、率調(diào)整為“中頻”（12kHz）或“高頻”（20kHz）后再通電重復(fù)步驟3.4中（2）（6）項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。注意觀察頻率改變后各元器件上的波形與對(duì)應(yīng)的“低頻”情況下波形有何不同，分析其原因。（8）斷開二極管單元模塊MC0301 上阻容吸收電路（又稱緩沖電路）的U型短接橋，觀察二極管兩端的波形，然后再重新接好U 型短接橋。分析產(chǎn)生毛刺的原因。（先體會(huì)一下后續(xù)課程將講到的緩沖電路的作用。）3.5 升壓斬波電路的性能研究： 負(fù)載使用模塊MC1093E上燈泡，并將MC0511單元上輸出限幅端口的+和-用U型短接橋接好，二極管模塊MC0301上的阻容吸收電路要用U型短接橋接好。搭建升壓斬波電路，重復(fù)3.4中

9、（2）（7）的內(nèi)容。圖3 升壓斬波電路3.6 升降壓斬波電路：重載：MC1093F上3個(gè)燈泡；輕載：MC1093E上一個(gè)25W/220V燈泡。搭建升降壓斬波電路，重復(fù)3.4中（2）（7）的內(nèi)容。圖4 升降壓斬波電路四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：4.1 直流供電電源的構(gòu)成：用萬用表測(cè)量濾波模塊MC0601上的輸出直流電壓：40.89 V4.2 驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試：開關(guān)頻率均為低頻（5kHz）時(shí)，不同占空比20/40/60時(shí)的波形：開關(guān)頻率均為中頻（12 kHz）時(shí)，不同占空比20/40/60時(shí)的波形：開關(guān)頻率均為高頻（20 kHz）時(shí)，不同占空比20/40/60時(shí)的波形： 占空比為最大時(shí)所得到的波形： 接入輸出限幅

10、后波形變化： 結(jié)論：輸出限幅的接入可以限制輸出波形占空比用U型短接橋接入“禁止”端口：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)出警報(bào)聲，說明“禁止”端口禁止用U型短接橋短接，可能是由于發(fā)生短路。4.3 降壓斬波電路性能研究：4.3.1降壓斬波電路低頻（5 kHz）情況：(1) 重載：調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕至30%處，觀察到燈亮度隨著占空比變大而逐漸變大。燈泡負(fù)載上的電壓Uo：13.69V，斬波器輸入直流電壓E：38.55V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端 (2) 重載性能測(cè)試結(jié)果：表1 斬波電路測(cè)試結(jié)果電路形式：降壓斬波電路 開關(guān)頻率：5kHz 負(fù)載情

11、況：重載36V/25W（%）1030406070UO(V)6.9913.6916.5922.8625.58E(V)39.2738.5537.9037.1136.82（3）輕載實(shí)驗(yàn)：燈泡負(fù)載上的電壓Uo：30.79V，斬波器輸入直流電壓E：40.21V。實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端 4.3.2降壓斬波電路中頻（12 kHz）情況：（1）調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕至30%處，觀察燈亮度變化。燈泡負(fù)載上的電壓Uo：13.93V；斬波器輸入直流電壓E：38.30V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端

12、/負(fù)載兩端（2）重載實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)MC0511上脈沖寬度調(diào)節(jié)旋鈕，將占空比從10%調(diào)節(jié)到70%，至少記錄5組數(shù)據(jù)。表2 斬波電路測(cè)試結(jié)果電路形式：降壓斬波電路 開關(guān)頻率：12 kHz 負(fù)載情況：重載36V/25W（%）1030406070Uo(V)7.2613.9316.6422.1425.19E(V)39.1538.3037.9537.2036.74（3）輕載實(shí)驗(yàn)：燈泡負(fù)載上的電壓Uo：19.79V；斬波器輸入直流電壓E：40.26V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端（4）斷開二極管單元模塊MC0301上阻容吸收電路的U型短接橋，觀察二極管兩端的波形，

13、然后再重新接好U型短接橋。斷開U型短接橋后的二極管兩側(cè)波形4.4 升壓斬波電路性能研究：（中頻12 kHz）（1）調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕至30%處，觀察燈亮度變化：燈泡負(fù)載上的電壓Uo：64.92V；斬波器輸入直流電壓E：39.09V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端（2）重載實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)MC0511上脈沖寬度調(diào)節(jié)旋鈕，將占空比從10%調(diào)節(jié)到70%，至少記錄5組數(shù)據(jù)。表3 斬波電路測(cè)試結(jié)果電路形式：升壓斬波電路 開關(guān)頻率：12 kHz 負(fù)載情況：重載220V/25W（%）1030406070Uo(V)51.0964.9275.

14、73113.10145.42E(V)39.3339.0938.8638.0737.39（3）輕載實(shí)驗(yàn)：燈泡負(fù)載上的電壓Uo：70.50V；斬波器輸入直流電壓E：39.63V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端4.5 升降壓斬波電路研究（低頻5 kHz）（1）調(diào)節(jié)MC0511控制單元上的“脈沖寬度調(diào)節(jié)”旋鈕至30%處，觀察燈泡亮度的變化，用萬用表測(cè)量并記錄燈泡負(fù)載上的電壓UO和斬波器輸入直流電壓的值。觀察并記錄斬波電路MOSFET漏源極兩端、電感兩端、二極管兩端的波形。觀察負(fù)載兩端的波形。燈泡負(fù)載上的電壓Uo：13.82V；斬波器輸入直流電壓E：39.6

15、0V實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端（2）重載實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)MC0511上脈沖寬度調(diào)節(jié)旋鈕，將占空比從10%調(diào)節(jié)到70%，至少記錄5組數(shù)據(jù)。表4 斬波電路測(cè)試結(jié)果電路形式：升降壓斬波電路 開關(guān)頻率： 5kHz 負(fù)載情況： 重載110V/90W（%）1030406070Uo(V)4.3013.8218.5733.1447.08E(V)40.1339.6039.4038.7438.14（3）輕載實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)圖片：驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形/MOSFET漏源極兩端/電感兩端/二極管兩端/負(fù)載兩端五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1. 了解MC0511控制單元的工作原理，分析不同占空比和開關(guān)

16、頻率時(shí)波形的變化情況；分析驅(qū)動(dòng)信號(hào)在連接MOSFET前后波形的變化情況；說明“輸出限幅”和“禁止”功能的作用。MC0511為PWM控制單元，由SG3525芯片及外圍電路構(gòu)成。SG3525是一種脈寬調(diào)制控制電路，通過改變外接阻容參數(shù)和輸入給定值，可以產(chǎn)生不同頻率和不同占空比的控制信號(hào)，作為斬波器等主電路功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從波形圖可以看出，調(diào)節(jié)占空比和開關(guān)頻率可以使波形相應(yīng)變化。不同頻率條件下各元器件上的波形變化：從波形圖可以看出，在中頻（12 kHz）條件下各元器件上的波形更加類似于正弦波，而低頻（5 kHz）條件下各元器件上的波形更加類似于方波，因?yàn)轭l率越低，則電壓有足夠的時(shí)間來達(dá)到一個(gè)較為

17、穩(wěn)定的值，另一方面是因?yàn)殡妷褐凳前粗笖?shù)規(guī)律變化的，開始的時(shí)候變化較快，后面變化較為緩慢。不同占空比條件下的波形變化：隨著占空比的增大，燈泡變亮，觀察負(fù)載兩端的波形，可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載兩端波形的毛刺增多。連接MOSFET前的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形上升沿有一個(gè)小尖峰，而連接MOSFET之后驅(qū)動(dòng)信號(hào)變得平緩了，沒有了小尖峰。“輸出限幅”的功能是保證斬波電路負(fù)載上的輸出電壓工作在安全范圍內(nèi)，確保實(shí)驗(yàn)裝置的安全。在“輸出限幅”短接后，GS輸出波形占空比變小?！敖埂钡墓δ苁墙闺妷狠敵觥．?dāng)短接并合閘后，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警音。2. 對(duì)于每一種斬波電路，在重載時(shí)波形不失真的情況下，根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出一組該斬波電路的Uo/E-曲線（包括理想曲線和實(shí)測(cè)曲線），討論產(chǎn)生差異的原因。曲線圖見上面每個(gè)重載數(shù)據(jù)表格后面產(chǎn)生差異的原因：從電源的方面來說，電源電壓隨著占空比在變化，占空比增大，E減??；另一方面，電感值并不是無窮大，對(duì)于升降壓斬波電路，電感的值和電容的值并不是無窮大，負(fù)載上的電壓有脈動(dòng)，造成輸出電壓不穩(wěn)定；此外，用萬用表測(cè)量電壓時(shí)由于表筆接觸的問題也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。這些不確定性因素綜合起來造成實(shí)際測(cè)得的曲線和理論曲線的不一致。3. 選擇一種斬波電路，在重載和輕載條件下，在占空比為30%時(shí)，畫出相應(yīng)的波形圖，標(biāo)明電