华科电力电子实验报告

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/DC－PWM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/DCPWM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PWM控制的实现····················1二、DC/DC－PWM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/DCPWM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·········································25U201111789张丕沛电力电子实验报告11一、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U201111789张丕沛电力电子实验报告22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。U201111789张丕沛电力电子实验报告332、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，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U201111789张丕沛电力电子实验报告44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，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，U201111789张丕沛电力电子实验报告55图1-3、死区时间测量得死区时间td=9μs。且调节电位器使V4越大，死区时间越长。二、DC/DC－PWM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，80V≤Vs≤100V，则0.417≤D≤0.625。由临界连续电流表达式U201111789张丕沛电力电子实验报告66)1(DIOBS2LfVo则mHfIDVoLS73.02)1(min取L=10mH，则0.094A≤OBI≤0.1458A，343Ω≤R≤533Ω，即R＜343Ω时，负载电流一定连续，故取R=250Ω。取纹波系数01.0VoVo则滤波电容FVoVoLfDCS3.7812min取C=100μF。2、研究降压变换器的开环特性。①、固定占空比D、负载电阻RL不变，研究输出电压Vo与输入电压Vi的关系；在D=0.5，RL=250Ω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=ViVo=D。②、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的关系RL/Ω500250200100Vo/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。③、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=250Ω时测得Vo与D的关系如表2-3所示，U201111789张丕沛电力电子实验报告77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=250Ω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=ViVo=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α时的输出电压电流波形。输入线电压V1=45V，负载电阻R=200Ω时，输出电压电流波形随控制角α的变化关系如图3-1所示，图3-1(a1)、α=0°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告88图3-1(a2)、α=0°时输出电流波形图3-1(b1)、α=30°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告99图3-1(b2)、α=30°时输出电流波形图3-1(c1)、α=60°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告1010图3-1(c2)、α=60°时输出电流波形图3-1(d1)、α=90°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告1111图3-1(d2)、α=90°时输出电流波形2、输出接阻感性负载，观察不同控制角α时的输出电压电流波形。输入线电压V1=45V，负载R=200Ω、L=133mH时，输出电压电流波形随控制角α的变化关系如图3-1所示，U201111789张丕沛电力电子实验报告1212图3-2(a1)、α=0°时输出电压波形图3-2(a2)、α=0°时输出电流波形图3-2(b1)、α=30°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告1313图3-2(b2)、α=30°时输出电流波形图3-2(c1)、α=60°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告1414图3-2(c2)、α=60°时输出电流波形图3-2(d1)、α=90°时输出电压波形U201111789张丕沛电力电子实验报告1515图3-2(d2)、α=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α的变化如表3-1所示，表3-1、输出电压Ud随控制角α的变化α0306090电阻性负载Ud/V59.351.733.96.98阻感性负载Ud/V59.750.732.43.871.35V1cosα/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：①、三相桥式相控整流电路输出接电阻负载，当控制角α60°时，Ud断续，此时输出电压Ud1.35V1cosα；②、三相桥式相控整流电路输出接阻感性负载，Ud=1.35V1cosα始终连续，且当α60°时，Ud的波形中出现负值成分，直至α90°以后，Ud0。四、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究一、实验目的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U201111789张丕沛电力电子实验报告16161、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，U201111789张丕沛电力电子实验报告1717图4-2、正弦波Vsin波形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=12.4μs。U201111789张丕沛电力电子实验报告18183、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f5kHz，取L=266mH，C=0.1μF，此时截止频率f=975Hz。经滤波后的输出电压波形如图4-5所示，U201111789张丕沛电力电子实验报告1919图4-5、滤波后的输出波形比较图4-4和图4-5可知，经SPWM逆变输出的波形含有较多的谐波成分，但谐波次数较高，最低谐波为100次，故经过简单的LC滤波后，便可得到谐波成分很少的正弦波形。5、改变正弦波的幅值Vr，即改变调制比M=Vr/Vc，记录输出电压幅值V1m随Vr的变化。在输入直流电压Ud=16V，三角波幅值Vc=4V时，输出电压幅值V1m随调制比M的变化如表4-1所示，表4-1、输出电压随调制比M的变化Vr/V2.533.33.64调制比M0.6250.750.8250.91V1m/V9.210.612.313.715.9由表4-1可知，当调制比M变化时，单相桥式SPWM逆变电路输出电压基波幅值V1m保持V