正弦逆变电路实验开关电源实验报告Word文档格式.docx

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【实验设备与仪器】

1、电力电子与运动控制教学实验平台；

2、示波器及高压隔离探头；

3、万用表。

【实验电路的组成】

1、直流供电电源的构成

正弦逆变电路实验用的直流电源电路与《实验一》中采用的主电路相似，原理图见图2-1。

模块MC0101C为输入变压器模块，其中L1、L2和L3为三相电源进线端，接三相380V市电（实验装置中已连接好）。

将标有2U3和2W3的端口分别与2V3端用U型短接桥连接，构成变压器副边星形输出。

选取2U1、2V1和2W1三端与整流模块MC0308的输入端分别相连，此时的变压器输出相电压约为90V（15V+75V）。

将滤波模块MC0601与整流模块MC0308用U型短接桥连接组成整流滤波电路。

用U型短接桥连接滤波模块MC0601上的滤波电容。

整流滤波电路的输出端作为逆变电路主电路的供电电源。

该直流供电电源的输出电压Ud在空载时约为220V。

接通输入变压器模块MC0101C上的主电路电源开关，用万用表测量并确认滤波模块MC0601上的输出直流电压。

若测量结果距直流220V相差较大，严禁继续往下做实验。

注意：

在实验过程中始终用输入变压器模块MC0101C上的开关控制主电路的通断。

开关在“I”位置时主电路接通，开关在“O”位置时主电路断开。

2、控制电路的构成及功能选择

驱动控制单元MC0510以单片机和IGBT驱动芯片为核心构成，为IGBT模块MC2018提供控制信号。

此实验中选择在“正弦逆变”工作模式下运行。

正弦逆变电路的原理图见图2-2。

将直流电源模块MC0201D上的＋15V、0V和－15V用U型短接桥分别与驱动控制单元MC0510上的＋15V、0V和－15V端口连接好，调节MC0510单元上方左侧的“开关频率选择”旋钮可设定驱动信号的开关频率；

调节右侧的“工作方式选择”旋钮可选定工作方式。

在本实验中将“工作方式选择”旋钮旋转到“正弦逆变”档。

当控制电路通电后，对应的“正弦逆变”红色指示灯将点亮。

如果用U型短接桥将驱动控制单元MC0510左侧下方的“禁止”端口短接，则MC0510单元上的“故障”指示灯点亮并发出蜂鸣的报警信号，同时关闭所有驱动输出，用此功能实现对实验电路的保护。

只有重新上电后控制电路才能恢复工作。

3、桥式逆变电路的构成

直流电压的逆变输出由IGBT模块MC2018实现。

将MC0510单元的G1和E1、G2和E2、G3和E3以及G4和E4共4组IGBT驱动信号用合适长度的导线分别连接到IGBT模块MC2018上相应的G1和E1、G2和E2、G3和E3以及G4和E4。

注意信号连接的对应关系。

将MC2018模块上的4组IGBT单元VT1、VT2、VT3和VT4按照图2-2所示的连线方式连接，注意将VT1和VT2上下串联为一组桥臂，VT3和VT4上下串联为一组桥臂，两组桥臂再并联连接（缓冲电路已在模块内部连接好）。

在确认电路已断电且Ud为零后，将直流电压Ud（图2-1中滤波器模块MC0601的“+”、“-”输出端）分别对应地连接到IGBT模块MC2018的直流电源电压Ud的“+”、“-”输入端。

切勿接错电源极性。

4、高频滤波电路及负载的构成

将IGBT模块MC2018上的输出与高频滤波模块MC0612上的电感和电容连接好，参见图2-2。

其中两个电感的电感值各为2mH，电容用两个2.2uF的电容并联。

负载使用模块MC1093E上的3个灯泡（额定电压220V、额定功率90W）。

【实验内容及步骤】

1、正弦逆变电路基本功能的验证

将MC0510单元上的“输出幅度”旋钮回零，保证通电后的输出电压最小。

选择开关频率为15千周。

接通控制回路电源，观察“正弦逆变”工作指示灯是否正确点亮。

确认正常后，接通主电路电源。

按下MC0510单元上的红色“运行/停止”按钮，“运行”指示灯点亮，此时驱动信号送出，实验电路开始工作。

调节“输出幅度”旋钮（改变调制度），观察负载灯泡亮度的变化情况；

调节“输出频率”旋钮，观察负载灯泡上输出正弦波频率的变化范围。

在输出频率为50Hz时，观测输出正弦波上叠加的高频谐波分量的幅值和频率。

2、滤波器参数对电路工作性能的影响

将MC0612模块上的3个电容并联，按照步骤

（1）的方式，观察负载输出正弦电压平滑度的变化情况，与步骤

（1）所测的输出波形对比高频谐波幅值的大小并给出结论。

或者仅去掉一个高频电感（另一个电感必须按图2-2正确连接），重复上述内容。

本步骤结束后按图2-2和实验初始参数恢复原先的接线。

3、实验电路中工作波形的测量

将输出正弦波频率调整为55Hz，分别将输出电压有效值调整为0V、55V和110V，观测IGBT驱动信号、IGBT模块MC2018的“H桥”输出端、MC0612模块上的高频电感两端以及输出正弦电压的波形。

观察SPWM波形最大/最小占空比的变化，分析逆变电路的工作原理及高频滤波电感电容的作用。

观察并分析在一个正弦输出周期内SPWM波形的变化规律（可与驱动信号做对比）。

4、开关频率对电路工作性能和噪声的影响

调整“开关频率选择”旋钮一定要在断电的情况下进行。

将输出正弦波频率调整为50Hz，将“输出幅度”旋钮从0逐渐右旋至最大。

将开关频率分别设置为10千周和20千周。

用万用表分别测量正弦输出电压的最大有效值Uomax和此时的主电路直流电压Ud，观察开关频率对输出正弦波形的平滑度、失真度和高频谐波频率的影响，分辨实验装置发出的噪声大小。

将测试结果填入表2-1。

表2-1逆变电路测试结果

开关频率

10千周

20千周

Uomax（V）

Ud（V）

波形平滑程度

波形失真程度

高频谐波频率

噪声情况

5、电流测量（选做）

若要观测电路中任一处的电流波形，方法如下：

使用MC0512模块上的霍尔电流传感器单元，将该模块的＋15V、0V和－15V端用导线分别对应地与直流电源模块MC0201D上的＋15V、0V和－15V端口连接好。

将待测电流回路串联接入到MC0512模块上霍尔电流传感器右侧“被测电流”的“＋”和“－”两个输入端，接通电源后，测量该路霍尔电流传感器左侧“输出电压”端口的电压值，或用示波器观测该点波形，根据该模块上标注的换算关系0.4V/1A进行计算，得到该回路的电流值或波形。

接线关系见《实验一》中的图1-8。

【实验注意事项】

1、线路连接完毕以后要认真检查，待确认无误后方可通电和做实验。

2、注意电路的通电和断电顺序：

通电时要先接通控制回路，然后再接通主回路；

断电时先切断主回路，然后再切断控制回路。

3、当需要改变电路接线、改变电路的开关频率或负载大小时，一定要先关断电路的电源，然后再进行操作。

4、由于主电路电压较高，在实验装置停机后务必使用放电电阻对主电路的直流电压放电，然后再改变接线，以保障人身和实验装置的安全。

5、严禁在电路空载（负载开路）的情况下通电做实验。

6、实验指导书中标注“选做”的项目内容属于研究型实验，供有兴趣的同学在完成了全部基本实验内容以后，在时间允许的情况下选做。

7、在测量电压较高的信号时，应使用带有隔离的高压示波器探头，一般选择衰减倍数为X100。

注意高压探头自身需要供电电源。

8、当发现实验装置工作不正常时，应切断电源，保持现场，认真检查原因，排除故障后再继续进行实验。

【实验报告】

1、绘制SPWM逆变实验电路的主电路原理图，结合测试波形分析其工作原理。

2、根据表2-1的测试结果，总结开关频率的变化对逆变电路工作性能（含Uomax/Ud、波形平滑程度、波形失真程度、高频谐波幅值和频率以及噪声等）的影响，分析其原因。

3、分析电路滤波参数的变化对负载输出波形的影响。

4、分析改变调制度和输出频率对输出波形有效值和频率的影响。

5、说明为使输出波形尽可能接近正弦波可以采取的措施。

6、写出实验的心得和体会，以及对实验的改进意见或其他建议。

1.正弦逆变电路基本功能验证：

连接完电路后测试输出电压，波形如下：

调节输出幅度旋钮，灯泡亮度随之变化。

调节输出频率旋钮，输出波形的频率也随之变化，测得最高频率为65.9Hz，最低频率为45.7Hz。

同时大约读出在输出频率为50Hz的情况下，波形叠加的高频分量幅值为40mV，频率约为14.7kHz。

频率为50Hz的输出波形

高频分量波形

波形的平滑度

2.滤波器参数对电路工作性能的影响：

将MC0612模块上的3个电容并联，同样在输出频率50Hz的情况下得到输出波形、高频分量和波形平滑度如下：

测得此时高频分量的幅值约为30mV，小于两个电容并联时的40mV。

所以可见滤波器的低通性能越好，得到的正弦波的平滑程度越好。

3.实验电路中工作波形的测量：

将输出正弦波频率调整为55Hz，分别将输出电压有效值调整为0V、55V和110V，观测IGBT驱动信号、IGBT模块MC2018的“H桥”输出端、MC0612模块上的高频电感两端以及输出正弦电压的波形。

观察并分析在一个正弦输出周期内SPWM波形的变化规律（可与驱动信号作对比）

a）当输出电压有效值为0时：

IGBT驱动信号

H桥输出波形

电感两段波形

输出波形

b）当输出电压有效值为55V时：

c）输出电压有效值为110V时：

4.开关频率对电路工作性能和噪声的影响：

将输出正弦波频率调整为50Hz，将“输出幅度”旋钮从0逐渐右旋至最大。

将开关频率分别设置为10千周、15千周和20千周。

用万用表分别测量正弦输出电压的最大有效值Uomax和此时的主电路直流输入电压Ud，观察开关频率对输出正弦波形的平滑度、失真度和高频谐波频率的影响，分辨实验装置发出的噪声大小。

测得数据如下表：

138.60V

109.50V

239.6V

243.2V

10.00kHz

20.41kHz

由测得的波形可知，当开关频率为10千周时，波形平滑程度较低，失真程度较低，噪声情况比较清晰；

当开关频率提高为20千周时，波形平滑程度相对较高，失真程度相对也较高，噪声情况比较微弱。

5.电流测量（选作）：

采用霍尔元器件测得20千周时主电路的在最大输出电压情况下霍尔元件的电压为44.42mV，那么对应的电流约为0.11A。

【实验分析】

1．绘制SPWM逆变实验电路的主电路原理图，结合测试波形分析其工作原理。

解答：

原理图如右侧（取自实验指示书）：

工作原理：

面积等效原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，作用效果基本相同。

根据这一原理，若有一幅值不变而面积占空比变化的方波，其一个周期内的冲量与某一正弦波在同样时间内冲量相同，则可以使负载输出近似于正弦的波形。

这里方波的占空比由IGBT的驱动信号控制，而高频滤波部分则是惯性环节，最终加在负载上的波形即是需要得到的波形。

同时可以知道SPWM原理就是通过改变方波的占空比，使得这一方波序列只含有某一较低频率的谐波分量以及开关频率对应的高频谐波分量。

这样在经过LC低通滤波之后，高频分量被滤除，剩下的低频分量就是近似的正弦波

2．总结开关频率的变化对逆变电路工作性能（含Uomax/Ud、波形平滑程度、波形失真程度、高频谐波幅值和频率以及噪声等）的影响，分析其原因。

由测试结果可知：

开关频率越高，Uomax/Ud越小，波形越平滑，波形失真程度越小，高频谐波幅值越小、频率越高，噪声越微弱。

分析原因可知，开关频率越高，开关损耗自然会上升，这可能是导致Uomax/Ud变小的原因。

由于输出波形中的高频分量频率与开关频率相等，故开关频率越高，高频分量频率越高。

开关频率越高，输出波形中带有的高频谐波频率越高，这样就越容易被LC滤波滤除，所以波形中带有的高频谐波幅值越小，波形更加平滑。

然而开关频率高时，脉宽数会变小，而由于最小脉宽的限制，更多的脉冲会被略去，波形会失真。

因此从失真的角度来说，开关频率越低，波形的失真越小。

3．分析电路滤波参数的变化对负载输出波形的影响。

首先LC滤波电路中的LC越大，对于高频的滤除作用就越好，所以得到的波形就越平滑。

但是与此同时LC若过大的话会对基波分量造成严重的影响，使得输出波形的幅值降低。

综合考虑就应该选择比较合适的LC，已得到较好的输出波形和幅值。

4．分析改变调制度和输出频率对输出波形有效值和频率的影响。

由SPWM的原理可知，若调制度越高，输出波形的有效值越大。

开关频率不会影响输出波形的基波频率，但是会影响到高次谐波的频率。

调制采用的调制信号波形的频率即为输出波形基波频率。

5．说明为使输出波形尽可能接近正弦波可以采取的措施。

可以采取的措施有：

（1）提高开关频率

（2）合理配置滤波器参数，提高对于高频信号的滤除能力

（3）对死区时间与最小脉宽限制等造成的失真进行对应谐波补偿

（4）提高控制器件的开关速度

（5）提高直流电源的稳定性

【实验心得体会】

本次实验的过程比较复杂，预习过程中对于实验的理解就显得比较重要了。

不过本次实验在课程上的理论知识还是比较清晰的，所以在实验过程中也没有遇到特别大的问题。

当然了，这也得感谢一直与我作为搭档的白冰同学，两个人的合理分工使得实验进行的较快，效率较高，实验记录数据和拍照等活动都进行的非常顺利。

Experiment3开关电源实验

了解脉宽调制（PWM）的作用，掌握开关电源的工作原理。

观察在不同开关频率和负载时开关电源的工作状况，分析开关频率和负载大小的变化对开关电源工作性能的影响。

加深对桥式变换电路工作原理及特性的理解。

1、开关电源电路的搭建。

2、在不同开关频率、不同占空比和不同的负载情况下，观察和测量高频变压器原副边、高频整流输出端和直流输出电压的波形变化情况。

3、在不同开关频率、不同占空比和不同的负载情况下，观测负载上输出电压的变化情况。

4、电流测量（选做）。

1、电力电子与运动控制教学实验平台

2、示波器及高压隔离探头

3、万用表

开关电源实验用的直流电源电路与实验二正弦逆变电路的电路相同，原理图见图3-1。

此实验中选择在“开关电源”工作模式下运行。

开关电源的原理图见图3-2。

在本实验中将“工作方式选择”旋钮旋转到“开关电源”档。

当控制电路通电后，对应的“开关电源”红色指示灯将点亮。

将MC2018模块上的4组IGBT单元VT1、VT2、VT3和VT4按照图3-2所示的连线方式连接，注意将VT1和VT2上下串联为一组桥臂，VT3和VT4上下串联为一组桥臂，两组桥臂再并联连接（缓冲电路已在模块内部连接好）。

在确认电路已断电且Ud为零后，将直流电压Ud（图3-1中滤波器模块MC0601的“+”、“-”输出端）分别对应地连接到IGBT模块MC2018的直流电源电压Ud的“+”、“-”输入端。

4、高频整流电路及负载的构成

将IGBT模块MC2018上的输出连接到开关电源模块MC0611的高频变压器输入端，并将MC0611模块的输出端连接到MC1093F模块上的3个灯泡（额定电压110V、最大功率120W）。

高频变压器的原副边匝比为4:

1。

1、基本功能验证

调节“开关频率选择”旋钮，选定开关频率为15千周。

接通控制回路电源，观察MC0510单元上的“开关电源”工作指示灯是否正确点亮。

确认正常后再接通主电路电源。

按下MC0510单元上的红色“运行/停机”按钮，“运行”指示灯点亮，此时驱动信号送出，实验电路开始工作。

调节MC0510单元左侧的“输出幅度”旋钮，观察负载灯泡亮度和直流电源电压Ud的变化情况。

在占空比α为5％～50％的条件下，测试电路参数并记录至少5组测试结果，将测试结果填入表3-1中，同时注明高频变压器输入端的波形是否变形。

表3-1开关电源测试结果

开关频率：

负载情况：

波形情况：

（是否变形）

α（%）

Uo（V）

波形情况

2、重载和轻载情况下的波形测量

在占空比α的一定范围内，通过改变并联灯泡的数量，观测并比较重载（电感电流连续，此时并联接入3个灯泡）和轻载（电感电流断续，此时只接入一个额定功率为40W的灯泡）情况下波形的不同之处。

用示波器观察IGBT驱动信号、MC0601模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感两端及直流输出电压Uo的波形。

分别测试和记录占空比α=25%时两种负载情况下上述各点的波形。

分析被测波形和电压值发生变化的原因。

3、不同开关频率对电路工作性能的影响

调整“开关频率选择”旋钮，将驱动信号的开关频率改变为5千周，重复步骤

（1）和

（2）中的实验内容，观测并记录“重载”时（此时仍并联接入3个灯泡）的实验结果。

体会和分析当开关电源的开关频率降低时，即使在“重载”的情况下也有可能出现电流不连续的现象。

当改变开关频率时，注意分辨实验电路的高频噪声情况，分析产生噪声和噪声大小的原因。

4、电流测量（选做）

1、绘制开关电源实验电路的主电路原理图并分析其工作原理。

2、根据重载时表3-1的记录数据，绘制Uo/Ud-α曲线，与理想曲线进行比较，分析产生差异的原因。

说明占空比的变化对开关电源输出电压的影响。

3、在占空比α=25%和开关频率为15千周的条件下，分别绘制IGBT驱动信号、MC0601模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感