实验五直流斩波电路的性能研究

山东大学电气工程学院实验中心制作实验三直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）于静制作山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究直流斩波电路的性能研究实验目的及实验内容实验报告与思考题工作原理实验装置介绍实验方法MATLAB仿真及实验结果山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究实验目的：熟悉直流斩波电路的工作原理熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。实验内容控制与驱动电路的测试研究。六种直流斩波器的性能研究。山东大学电气工程学院实验中心制作直流斩波电路的工作原理：(DCChopper)———主电路1)降压斩波电路的工作原理（BuckChopper)一周期工作过程t=0时刻驱动V（全控型器件IGBT）导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。实验五直流斩波电路的性能研究c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图5-1降压斩波电路的原理及波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小,当负载中L值较小时，负载电流会出现断续的情况。负载电压平均值为：ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比，T为开关周期。输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比a，则Uo随之减小。EETtEtttUaonoffonono山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究一周期工作过程假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。数量关系：稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：0iGE0ioI1a)电路图b)波形图3-2升压斩波电路及工组波形offoontIEUtEI11)(EtTEtttUoffoffoffono上式中，Uo大于E，故为升压斩波电路。2)升压斩波电路的工作原理（BoostChopper)山东大学电气工程学院实验中心制作3)升降压斩波电路（Boost-BuckChopper)实验五直流斩波电路的性能研究otb)oti1i2tontoffILILa)升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。数量关系输出电压为：EEtTtEttUaa1ononoffono当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压，故称作升降压斩波电路。山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究4）Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：Cuk斩波电路图EEtTtEttUaa1ononoffono当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压，故称作升降压斩波电路。优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究5）Speic电路原理V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E—L1—C1—VD—R回路及L2—VD—R回路同时导电，此阶段E和L1既向R供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：Sepic斩波电路EEtTtEttUaa1ononoffono山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究6)Zeta斩波电路原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：Zeta斩波电路相同的输入输出关系:Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性。EUaa1o山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究直流斩波电路的工作原理：(DCChopper)———控制与驱动电路控制电路以专用PWM控制集成电路SG3525为核心构成,其内部电路结构及各引脚功能如图所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。山东大学电气工程学院实验中心制作实验所需挂件介绍DJK01电源控制屏DJK09单相调压与可调负载DJK20直流斩波电路D42三相可调电阻实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作DJK01电源控制屏三相电网电压指示交流电压电流表定时器件报警记录仪电源开关直流数字电压表直流数字电流表调速电源选择开关三相主电路输出励磁电源实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作DJK09单相调压与可调负载可调电阻：由两个同轴90Ω/1.3A电阻构成，通过旋转手柄调节电阻值的大小。整流与滤波：将交流电源通过二极管整流输出直流电源，供实验中直流电源使用，交流输入侧最大电压为250V，有2A熔丝保护单相自耦调压器：额定输入交流220V，输出0～250V可调电压。实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作DJK20直流斩波实验主电路接线图：包括六钟电路实验详细接线图主电路元器件整流电路：输入交流电源得到直流电源，直流电源输出不能超过50V。控制电路及脉宽调节电位器：PWM发生器由SG3525构成调节“PWM脉宽调节电位器”改变输出的触发信号脉宽D42三相可调电阻实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作实验方法1）控制与驱动电路的测试启动实验装置的电源，开启DJK20控制电路的电源开关。调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形，观察输出PWM信号的变化情况。用示波器分别观测11脚、14脚和PWM信号的波形，记录其波形、频率、幅值。用示波器同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，并测出其相位差，测出两路PWM信号之间最小的“死区”时间。实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究2）直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形）斩波电路的输入直流电压Ui由DJK09挂箱上的单相自耦调压器输出的单相交流电经DJK20挂相上的单相桥式整流及电容滤波后得到，接通交流电源，观测Ui波形，记录其平均值（限定直流输出最大值为50V，输入交流电压的大小由单相自耦调压器调节输出）。按以下步骤依次对六种典型的直流斩波电路进行测试切断电源，根据DJK20上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载，负载电流最大值限制在200mA内。将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究按以下步骤依次对六种典型的直流斩波电路进行测试检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。用示波器观察PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比（a）时，记录Ui、Uo和a的数值于下表中，从而画出Ｕo=f(a)的关系曲线。Ur(V)1.41.61.82.02.22.42.5占空比aUi(V)Uo(V)山东大学电气工程学院实验中心制作注意事项主电路接通后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路。必须用示波器两个探头观测的，要注意公共点的选择问题。实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究MATLAB仿真及实测结果降压斩波电路仿真（BuckChopper)电流连续，触发脉冲的占空比为0.8、频率为10KHz的电路：由上至下分别为输入电压、输出电流、输出电压仿真波形电流断续，由上至下分别为输入电压、输出电流、输出电压仿真波形工作原理Buck实测波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究升压斩波电路仿真（BoostChopper)占空比为0.6、频率为10KHz时的输出波形：由上至下为输入电压、输出电流及输出电压仿真波形左图放大后的纹波波形Boost实测波形工作原理山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究升降压斩波电路仿真（Boost-BuckChopper)右图触发脉冲频率为10kHz、占空比为0.4时升降压斩波电路仿真波形，由上至下分别为：输入电压、输出电流、输出电压仿真波形Boost-Buck实测波形工作原理山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究仿真波形放大后所显示的纹波波形占空比为0.4时输入电压、输出电流、输出电压波形（降压）占空比为0.7时输入电压、输出电流、输出电压仿真波形（升压）山东大学电气工程学院实验中心制作实验结果实验五直流斩波电路的性能研究由上至下SG3525中11脚、14脚和PWM波形Buck电路由上至下分别为Uo、UD、UGE、UCE的波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究Boost电路由上至下分别为UoUD、UGE、UCE的波形Boost-Buck电路由上至下分别为Uo、UD、UGE、UCE的波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究Cuk电路由上至下分别为Uo、UD、UGE、UCE的波形Sepic电路由上至下分别为Uo、UD、UGE、UCE的波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究Zeta电路由上至下分别为Uo、UD、UGE、UCE的波形山东大学电气工程学院实验中心制作实验报告分析控制电路产生PWM信号的工作原理。整理各组实验数据，绘制各直流斩波电路的Ui/Uo-a曲线，并作比较与分析。讨论、分析实验中出现的各种现象。思考题为什么在主电路工作时，不能用示波器的两个探头同时对两处波形进行观测。讨论六钟斩波电路的典型应用。实验五直流斩波电路的性能研究山东大学电气工程学院实验中心制作实验五直流斩波电路的性能研究SG3525芯片的内部结构与所需的外部组件