2025年電力電子技術(shù)實驗研究報告

電氣學(xué)科大類_級姓名學(xué)號姓名學(xué)號姓名學(xué)號專業(yè)班號指導(dǎo)教師鄧春花試驗成績評閱人試驗二十八PWM信號的生成和PWM控電路性能研究究試驗三十一DC/AC單相橋式SPWM逆變電路性能研究總分目錄1.掌握PWM控制芯片的工作原理和外圍2.掌握控制電路調(diào)試措施。3.理解其他PWM控制芯片的原理及設(shè)計原則。PWM控制的原理可以簡樸通過圖1理解。圖中，V1為變換器輸出的反饋電壓，與一饋電壓的增大而減小的PWM脈沖方波，如圖1中陰影部分所示：圖1-1PWM控制原理本試驗重要是運用TL494來實現(xiàn)具有PWM控制功能的控制電路，并通過試驗探究TL494是一種固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸進(jìn)行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電大，輸出脈沖的寬度將減小，如圖1-2所示：Figure2.TimingDiagram(2)TL494脈沖控制固定的電壓(范圍在0—3.3V之間)即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。器進(jìn)行計時，同步停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參照電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的二分之一。假如工作于單端狀態(tài)，且最大占空比不不小于50%時，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2獲得。輸出變壓器一種反饋繞組及二極管提供下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式TL494內(nèi)部電路方框圖，如圖1-3所示：3.示波器6、變化死區(qū)時間。將JP2改為連接3、4和5、6,觀測死區(qū)時間。8、保護(hù)封鎖脈沖。I1為0,增長12至HL2燈亮，記錄此時的電壓，并觀測Vg1的輸出變化。12為0,增長11至HL2燈亮，記錄此時的電壓，并觀測Vg1的輸出變化。圖1-4JP1置于23端時輸出鋸齒波波形圖1-5軟啟動過程中V4信號波形Vg1為低電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，此時為Ton;Vg1為高電平時，開關(guān)管截止，此時為待輸出穩(wěn)定后，V1接入+5V,通過調(diào)整Rpl,變化TL494的1腳(TP1)輸入電壓V的大小，此時，測得TL494的反相輸入端(2腳)電壓值為2.6V,輸出波形的周期約為(1)TP1=2.64VT=0.2usD=0.002Vg1波形圖由上圖可得，TP1電壓越小，導(dǎo)通時間越長，占空比越大，TP1的有效變化范圍是4、變化死區(qū)時間將V1懸空(此時Vg1導(dǎo)通時間最長),變化JP2連接(1)連接JP2的3、4引腳，TP3=0.985V,死區(qū)時間Ta=20us圖1-13JP2選3、4時Vg1波形圖(2)連接JP2的5、6引腳，TP3=1.252V,死區(qū)時間Ta=5us圖1-14JP2選5、6時Vg1的波形圖由以上試驗成果可得，TL494引腳4的參照電壓REF越大，死區(qū)時間越長。5、電流限制與脈沖封鎖(1)Vn=10.3V,Vg1輸出波形圖1-15未過流時Vg1波形圖圖1-16過流時Vg1波形圖斷開JP3,接通JP4的1、2兩腳。觀測Vg1,Vg2輸出波形答：調(diào)整反饋電壓大小，觀測Vg1輸出隨TP1電壓變化和占空比的變化。一、試驗?zāi)康?.驗證、研究DC/DCPWM升、降壓變換電路的工作原理和特性2.在試驗二十八的基礎(chǔ)上，深入掌握PWM集成電路芯片的應(yīng)用、設(shè)計原則3.理解電壓/電流傳感器的選用原則4.建立驅(qū)動電路的概念和規(guī)定5.掌握反饋環(huán)節(jié)與濾波電路的概念與設(shè)計原則在分壓電路中，假如采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件取代串聯(lián)電阻或線性工作的晶體管，使帶有濾波器(L或/和C)的負(fù)載線路與直流供電電源周期性地接通、斷開，則負(fù)載上也得到了另一種數(shù)值的直流電壓，把輸入的直流電源電壓通過開關(guān)器件斬成周期性通斷的方波，因而也稱為“斬波電路”,這就是DC-DC降壓變換的基本手段。降壓電路也稱為buck電路。buck線路(降壓線路)的原理圖如圖1所示，降壓線路的基本特性為：輸出電壓低于輸入電壓，輸出電流為持續(xù)的，輸入電流是脈動的。圖2-1buck線路原理圖1.正常工作模式下：(1)O<t<DTs,開關(guān)管導(dǎo)通時，輸出電感儲能，流過電感的電流線性增長，同事給負(fù)載提供能量，(2)DTs<t<Ts,開關(guān)管關(guān)斷，輸出電感通過二極管D進(jìn)行續(xù)流，流過電感的電流線性減小，;根據(jù)電感伏秒平衡原理可得：(Vs-V?)DTs=V(1-D)Ts,則有：故占空比D越大，負(fù)載上得到的電壓V。也越高。2.電感電流斷流模式下：當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換線路工作于CCM/DCM邊界，對于buck線路而言，即流過電感的電流紋波與輸出電流相等即：時，buck變換器工作在CCM/DCM邊界；3.本試驗所用試驗原理圖如圖2所示：TvRfD圖2-2試驗原理圖三、試驗設(shè)備1、電力電子綜合試驗裝置及控制電路試驗板、傳感器模塊、供電電源、控制電源；2、多種功率和參數(shù)的電感、電容、電阻；3、數(shù)字式示波器；4、計算機(jī)及對應(yīng)分析軟件；5、面包板和若干元器件。四、試驗內(nèi)容1.試驗元件參數(shù)確實定(1)濾波電感電容的選擇臨界電流：綜合考慮，并保留一定裕度，本試驗中我們選用L=10mH,C=220μF,此時的輸出電壓紋(2)電壓傳感器和電流傳感器部分在測試buck電路閉環(huán)特性時，需要電壓傳感器和電流傳感器來構(gòu)造閉環(huán)回路①電壓反饋環(huán)節(jié)：電路中V1接電壓傳感器，引入反饋。由Vo=50V,②電流反饋環(huán)節(jié)：通過控制板電路圖可知，串口I1電壓≥8.53V時閉鎖，傳感器選5匝，電流留有20%的余量，即超過2.4A時閉鎖保護(hù)，由2.4×5×10-3×(Rx?+2.完畢主電路元件的連接、驅(qū)動電路的連接和控制電路的連接；檢測PWM電路板，并接好TL494驅(qū)動線路，將電路板上JP1的2、3引腳連接，確定f=10KHz,將JP3畢后，觀測產(chǎn)生的PWM波，通過調(diào)整RP1,可以變化占空比。3.開環(huán)特性(1)電源輸入V?=100V,負(fù)載R=500,調(diào)整RP1使占空比D在0.3—0.7之間浮動，測量輸出Vo,Io(2)確定占空比D=0.5,負(fù)載R=200Ω,變化Vs,測量輸出Vo,Io;(3)確定占空比D=0.5,Vs=100V,變化負(fù)載R,測量輸出Vo,lo;(4)確定占空比D=0.5,Vs=100V,測量系統(tǒng)在空載狀態(tài)下的輸出Vo,lo;4.閉環(huán)特性：電路中V1接電壓傳感器，引入反饋環(huán)節(jié)(1)維持負(fù)載R=200Ω不變，變化Vs,測量輸出Vo,lo;(2)維持電源電壓Vs=100V,變化R,測量輸出Vo,lo;(3)確定占空比D=0.5,Vs=100V,測量系統(tǒng)在空載狀態(tài)下的輸出Vo,lo;表1—輸出電壓和電流隨占空比D的變化DD1D(2)確定占空比D=0.5,負(fù)載R=200Ω,變化Vs,測量輸出Vo,Io;表2—輸出電壓和電流隨輸入電壓Vs的變化≥S表3—輸出電壓和電流隨負(fù)載電阻R的變化1/通用通甜艷封通封艷規(guī)格式RR(4)確定占空比D=0.5,Vs=100V,測量系統(tǒng)在空載狀態(tài)下的輸出Vo,lo;表4—空載狀況下的輸出03.閉環(huán)特性：電路中V1接電壓傳感器，引入反饋環(huán)節(jié)表5—輸出電壓和電流隨輸入電壓V的變化/通用推陰格陰格明格式(2)維持電源電壓Vs=100V,變化R,測量輸出Vo,lo;表6—輸出電壓和電流隨輸入負(fù)載電阻R的變化R(3)確定占空比D=0.5,Vs=100V,測量系統(tǒng)在空載狀態(tài)下的輸出Vo,lo;表7一空載狀況下的輸出0從試驗成果的數(shù)據(jù)中可以看出開環(huán)閉環(huán)特性的不一樣，開環(huán)時由于沒有反饋，其誤差比較大，而當(dāng)加了一種閉環(huán)之后，當(dāng)輸入電壓發(fā)生較大變化時，輸出電壓都能基本穩(wěn)定在指令值附近，這闡明電路的抗干擾性能有了較大的提高。1、Buck電路中電感電流持續(xù)與否會有什么影響?哪些參數(shù)會影響電流持續(xù)?試驗中怎樣保證電流持續(xù)?答：Buck電路在電流不持續(xù)時，輸出電壓會略高于電流持續(xù)狀況下的輸出電壓。根據(jù)臨界電流體現(xiàn)式可知，當(dāng)負(fù)載電流不不小于臨界值時即會發(fā)生斷流現(xiàn)象，即電感L值、電源電源頻率fs、占空比D及輸出電壓都會影響電流的持續(xù)性。試驗中，可以通過選用大電感，增大占空比，或增大開關(guān)頻率來保證負(fù)載電流不小于臨界值，從而使電感電流持續(xù)。2、Boost電路中，為何D不能等于1?試驗中怎樣保證D≠1?答：由于在Boost變換器中，開關(guān)管導(dǎo)通時，電源與負(fù)載脫離，其能量所有儲存在電感中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，能量才從電感中釋放到負(fù)載。假如占空比D靠近于1,那么開關(guān)靠近于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒有關(guān)斷時間，那么電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存的能量沒有時間釋放，將導(dǎo)致電感飽和，直至燒毀。因此Boost變換器不適宜在占空比D靠近1的狀M=VIV?=1/-D)也可以看出，當(dāng)占空比D靠近1時，變壓比M靠近于無窮大，這顯然與實際不符，將導(dǎo)致電路無法正常工作。3、兩種電路中L和C的設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足什么規(guī)定?答：兩電路中L和C都是起濾波作用。對于LC設(shè)計濾波時的規(guī)定：①負(fù)載上的單次諧波電壓和總諧波電壓減少到容許范圍內(nèi)；電源中單次諧波電流和總諧波電流減少到容許范圍內(nèi)。②濾波電感基波阻抗不大，負(fù)載變化時開關(guān)電路輸入電壓波動不大，負(fù)載電壓波動不大。③濾波器LC電壓、電流的kVA值小，成本低、體積小、重量輕。4、試驗電路中，開關(guān)管的驅(qū)動電路規(guī)定有哪些?答：驅(qū)動電路需要提供持續(xù)的驅(qū)動電流，規(guī)定如下：①開通時有較高的基極驅(qū)動電流ib強觸發(fā)，以減短開通時間②開通后在通態(tài)下基極電流要合適減小，以減少通態(tài)時基射結(jié)損耗，同步使開關(guān)管不致過飽和導(dǎo)通。③關(guān)斷時是假反向的基射極電壓，這能增長電力晶體管的集射極阻斷電壓的能力。④斷態(tài)時最佳外加反向的基射極電壓，這能增長電力晶體管的集射極阻斷電壓的能力。5、試驗電路中，傳感器選用原則有哪些?答：傳感器選用的原則有：①考慮敏捷度?？紤]敏捷度時要綜合考慮試驗有關(guān)環(huán)境，由于在測量過程中，敏捷度高的傳感器對于雜波也具有放大作用，也許會導(dǎo)致精度下降。②考慮頻率響應(yīng)特性。確定傳感器的延遲和測量頻率范圍，對于試驗來說，不必要選用延時很小的傳感器③穩(wěn)定性。試驗環(huán)境變換而引起的性能偏差，盡量越小越好，本試驗中電路元件會發(fā)出④精度。關(guān)系到試驗數(shù)據(jù)的精確性，對于本試驗，并不需要定量測數(shù)據(jù)，故而運用精度不是很高的傳感器，以節(jié)省試驗成本一、試驗?zāi)康?.理解晶閘管相控整流的移相調(diào)控原理和措施，掌握不一樣性質(zhì)負(fù)載時三相橋式相控整流電路輸出直流電壓的控制特性；2.觀測輸出直流電壓及輸入交流電流波形，理解功率因數(shù)的概念，初步給出功率因數(shù)校正的思緒；3.理解wavestar軟件的基本使用，可以用來分析輸入輸出的功率因數(shù)；3.初步掌握濾波器設(shè)計的措施；4.閉環(huán)穩(wěn)壓控制設(shè)計和校正措施的應(yīng)用。二、試驗原理1.相控整流電路相控整流是在晶閘管承受正向電壓時，通過控制其觸發(fā)脈沖相對于承受的交流電源電壓的相位(即控制角α),來控制其導(dǎo)通時間，在整流電路的輸出端得到脈動的整流電壓。變化觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻，即變化控制角的大小，使輸出整流平均電壓發(fā)生變化，獲得所需要的整流電壓值，就稱為“相控”;相控整流有多種形式：單相橋式、三相半波、三相橋式等，本試驗采用三相橋式。2.相控整流電路中晶閘管的觸發(fā)規(guī)定觸發(fā)脈沖電流必須與晶閘管承受的交流電壓嚴(yán)格同步，任何時刻都必須有兩個晶閘管(上、下各一種晶閘管)同步被觸發(fā)導(dǎo)通。觸發(fā)控制角與整流直流輸出電壓平均值的3.相控整流電路中觸發(fā)脈沖的實現(xiàn)脈沖需按照輸出電壓的數(shù)值規(guī)定延遲角，且需要足夠的幅值和寬度。本試驗采用與功率晶閘管集成于一體的數(shù)字檢測與脈沖控制。4.試驗電路中的三相晶閘管整流功率模塊原理簡介綜合試驗裝置中使用的晶閘管為三相晶閘管整流智能控制功率模塊，采用了全數(shù)字移相觸發(fā)集成電路，本試驗中采用手動控制的方式。三、試驗設(shè)備1.電力電子綜合試驗裝置、控制電路試驗板、傳感器模塊、供電電源、控制電源；2.多種功率和參數(shù)的電感，電容，電阻；3.數(shù)字式示波器；4.計算機(jī)及對應(yīng)分析軟件；5.面包板和若干元器件。四、試驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄1.試驗元件參數(shù)選定①輸入電壓V1和負(fù)載電阻R的整定根據(jù)試驗規(guī)定指標(biāo)(輸入三相交流電壓：V1≤100V;輸出功率：P≤100W)初步估算電阻負(fù)載范圍和濾波器參數(shù)：,得Vpmax≤135V,2;輸入電壓V?=90V②濾波器參數(shù)的電感電容值的整定由于，在輸出波形中，重要是六次諧波，那么我們設(shè)置的低通濾波器的頻率6×50=300HZ,故初步選定濾波器參數(shù)：L=100mH,C=220uF2.試驗環(huán)節(jié)(1)保證輸入和負(fù)載R=2002不變，手動調(diào)整滑動電阻，變化Vcon?,記錄輸入、輸出的電000(2)保證輸入和負(fù)載R=1KΩ不變，手動調(diào)整滑動電阻，變化Vcon1,記錄輸入、輸出的電000000阻，變化Vcon?,記錄輸入、輸出的電壓、電流波形000圖3-3a=60°時輸出電壓和輸入電流波形圖3-42、純阻性負(fù)載R=1000Ω時，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°時的輸出電壓和輸入電流波形圖3-7a=60°時輸出電壓和輸入電流波形圖3、阻感性負(fù)載R=200Ω,L=100mH時，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°時輸入電流與輸出電壓波形圖4、阻感性負(fù)載加LC濾波器，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°時輸入電流與輸出電壓波形五、試驗總結(jié)本次試驗是三相橋式相控整流電路性能的研究，試驗過程中通過控制晶閘管整流智能控制的移相調(diào)控器的角度α來控制它的導(dǎo)通時間θ,于是可以在整流電路的輸出端得到脈動的直流電壓，試驗中通過變化負(fù)載的特性，從阻性負(fù)載到感性負(fù)載，通過觀測輸出電壓和電流的波形來研究三相整流橋的特性。1、記錄相控整流電路的功率因數(shù)應(yīng)當(dāng)觀測哪些原因(波形或數(shù)據(jù))?怎樣觀測?答：應(yīng)觀測輸入電壓和輸入電流波形，在Wavestar中創(chuàng)立“PowerHarmonics”,將電壓和電流波形拖入對應(yīng)位置，即可直接讀出輸入電壓有效值、輸入電流有效值、視在功率、有功功率、輸入功率因數(shù)等。亦可以通過示波器觀測得到輸入電壓和輸入電流的相位差，由此可以得到整流電路的功率因數(shù)。2、影響相控整流電路功率因數(shù)的原因有哪些?怎樣提高功率因數(shù)?答：根據(jù)公式PF=v*cosφ,可知，影響功率因數(shù)的原因有相控深度、基波電流的相位移角、輸入電流中諧波電流大小等。提高功率因數(shù)的措施：有加入無源濾波器、附加有源功率因數(shù)校正器，或采用品有源功3、相控整流電路濾波器設(shè)計的原則有哪些?答：濾波器的截止頻率應(yīng)低于最低次諧波頻率，且濾波器的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵照如下原則：負(fù)載上的單次諧波電壓和總諧波電壓減少到容許的范圍內(nèi)；電源中單次諧波電流和總諧波電流減少到容許的范圍內(nèi)；濾波電感基波阻抗不大，負(fù)載變化時開關(guān)電路輸入電壓波動不大，負(fù)載電壓波動不大；濾波器LC電壓、電流的KVA值小，成本低、體積小、重量輕；在所規(guī)定的頻率上，濾波器的阻抗必須與它連接的干擾源阻抗和負(fù)載阻抗相匹配，假如負(fù)載是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為低阻抗。假如電源或干擾源阻抗是低阻抗，則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為高阻抗。一、試驗?zāi)康?、驗證SPWM逆變電路基本工作原理，并深入掌握SPWM信號的形成電路的設(shè)計措施；2、學(xué)習(xí)、掌握逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制措施；3、理解逆變電路濾波器的設(shè)計原則；4、熟悉和掌握模擬控制電路設(shè)計措施和有關(guān)集成電路芯片的使用；二、試驗原理1、橋式逆變電路對于三相橋式逆變電路，若只有一種橋臂交替通斷工作而此外兩個橋臂的開關(guān)管總是處在斷開狀態(tài)，則成為單相半橋電路，理論上，輸出電壓最高峰值為直流輸入電源電壓的二分之一；根據(jù)負(fù)載的不一樣(純阻性、阻感性或純感性),電壓型逆變器雖然電壓均為方波而電流波形也許完全不一樣；同樣電流型逆變器中，電流為方波而電壓波形也隨負(fù)載性質(zhì)的不一樣而不一樣。2、SPWM(正弦脈沖調(diào)制)基本原理根據(jù)沖量等效原理，將單脈沖變成若干個脈沖，可以使信號中的諧波含量大大減少并且諧波次數(shù)提高，進(jìn)而可大大減少濾波器參數(shù)值、尺寸和成本。更深入地將寬度相等的多脈沖變成按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列，則在實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)寬穩(wěn)壓控制的同步，可獲得更高的基波、更小的諧波，這種脈沖寬度隨正弦規(guī)律變化的調(diào)制方式，稱為正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)。3、SPWM方式的實現(xiàn)產(chǎn)生SPWM波形的方式諸多，按照脈沖極性分有單極性和雙極性之分，尚有單極性倍頻方式等。本試驗中采用參照原則正弦波和三角波信號與比較器形成脈沖。設(shè)計時應(yīng)注意橋式逆變電路的最基本規(guī)定：同一橋臂上下兩個開關(guān)管觸發(fā)脈沖應(yīng)設(shè)置死區(qū)(即兩個開關(guān)管都不導(dǎo)通的時間),死區(qū)寬度的設(shè)計根據(jù)是應(yīng)遠(yuǎn)不小于開關(guān)管所需要的關(guān)斷時間。4、橋式逆變電路的過流保護(hù)橋式電路中一旦過流，往往開關(guān)管關(guān)斷時間延遲，超過原設(shè)定的死區(qū)則形成同一橋臂開關(guān)管直通短路。因此，橋式逆變電路需要愈加關(guān)注過流保護(hù)電路的設(shè)計。單相半橋逆變電路需在直流輸入與橋臂間的兩個端子均串接電流霍爾傳感器，才能可靠地檢測到過電流。5.本試驗所用的原理接線圖，如圖1所示：圖4-1單相半橋逆變電路試驗原理圖(1)濾波器的參數(shù)設(shè)計：試驗中所用到的原則正弦波的頻率為f=50HZ,原則三角波的頻率為f=4.9KHZ,則原則載波比,輸出交流電壓V?中的諧波次數(shù)很高，同步在對單相半橋逆變電路的性能探究時，所用到的正弦波的頻率變化范圍為25HZ~115HZ,亦即輸出電壓的基波頻率最大概為115HZ,因此考慮選用的濾波元件的參數(shù)應(yīng)滿,結(jié)合試驗室條件我們選用：L=133mH、C=10μF,138HZ,滿足規(guī)定。(2)同步由于試驗板功能的限制，在設(shè)置過電流保護(hù)的功能時，我們采用在直流輸入側(cè)和交流輸出側(cè)接入電流霍爾傳感器，實現(xiàn)對試驗電路的過電流保護(hù)功能。三、試驗設(shè)備1、電力電子綜合試驗裝置(含三相全控器件橋模塊，可完畢單相半橋逆變、單相全橋逆變、三相橋式逆變等)、控制電路試驗板、傳感器模塊、供電電源、控制電源；2、多種功率和參數(shù)的電感、電容、電阻；3、數(shù)字式示波器；4、計算機(jī)及對應(yīng)分析軟件；5、面包板和若干元器件。四、試驗環(huán)節(jié)與數(shù)據(jù)記錄1.B05B試驗板的測試和調(diào)整(1)接通B05B試驗板電源，用示波器觀測TRI(三角波)和SIN(正弦波)信號；(2)調(diào)整正弦波為原則正弦波：Rp?一調(diào)整頻率(fr=50HZ),Rp?、Rp?一調(diào)整波形上下(3)調(diào)整三角波為原則三角波：Rp?一調(diào)三角波的頻率(fc=4.9KHZ),Rp?一調(diào)三角波的(4)在SP1口觀測并記錄SPWM波形；(5)在PW1口和PW2口觀測輸出信號的波形并記錄死區(qū)時間；2.不接過流保護(hù)時的單相半橋逆變電路性能研究(1)按照試驗原理圖1連接線路，接通主電路，使輸入電壓Vo=50V、負(fù)載R=100Ω,固定Vm=4.9V、Vcm=6.1V,不加濾波器，記錄輸出電壓波形；(L=133mH,C=10μF),變化正弦波頻率，記錄不一樣正弦波頻率下，輸出電壓的波形及