华科电力电子实验报告副本.docx
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华科电力电子实验报告副本
2012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）
姓名黎怡均学号U201211320专业电气中英1203班
同组者学号专业电气
同组者学号专业班
指导教师
日期2015/7/3
实验成绩
评阅人
实验评分表
基本实验
实验编号名称/内容
实验分值
评分
实验二十八、PWM信号的生成和PWM控制的实现
实验二十九、DC/DC—PWM升压、降压变换电路性能研究
实验三十、三相桥式相控整流电路性能研究
实验三十一、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究
实验三十五、DC/DCPWM升降压变换电路（cuk变换器）设计
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
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
实验二十八、PWM信号的生成和PWM控制的实现1
实验二十九、DC/DC—PWM升压、降压变换电路性能研究6
实验三十、三相桥式相控整流电路性能研究10
实验三十一、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究21
实验三十五、DC/DCPWM升降压变换电路（cuk变换器）设计29
实验心得32
参考文献33
实验二十八PWM信号的生成和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设计方法。
2.掌握控制电路调试方法。
3.了解其它PWM控制芯片的原理及设计原则。
二、实验原理
实验原理及电路见实验教程P124-127.
三、实验设备
1.PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源。
2.面包板或通用版，或具有PWM芯片及外围电路的实验板。
3.示波器。
四、实验步骤
1.将实验板上的JP1的1、2两口相连，选择信号频率为20kHz；将JP2的1、2口相连，选择死区时间；将JP3的1、2口相连，选择单路输出。
2.接通电源，观察TP4端口的标准锯齿波。
3.将JP1改为2、3两口相连，选择信号频率为10kHz，观察TP4端口的标准锯齿波。
4.观察软启动：
按下开机键，观察TP3的电平变化。
5.改变占空比：
V1接+5V，调节RP1，观察Vg1的占空比的变化。
6.将JP3的1、2口断开，接通JP4的1、2口，观察Vg1、Vg2双路输出。
五、实验结果及分析
1.
JP1的1、2两口相连时，TP4端口的20kHz标准锯齿波：
图1JP1的1、2两口相连时，TP4的输出波形
2.观察软启动，按下开机键，观察TP3的电平变化：
图2TP3的电平变化
3观察占空比的变化：
（1）占空比为0.5时Vg1的输出波形：
图3占空比D=0.5时Vg1波形
（2）占空比为0.2时Vg1的输出波形：
图4占空比D=0.2时Vg1波形
4.改变vg1电压，从而明显感觉到vg3的变化从而使电压比M和占空比改变：
从实验的结果可以看出：
1.实验板上JP1作用是控制三角波的频率，
2.实验版的输出Vg1、Vg2为PWM波，改变vg1可调节占空比。
3.软启动时，TP3的电平下降缓慢，可以借此使得脉冲的宽度从零开始增大，减小冲击电流。
六、思考题
1.如何验证你设计的PWM控制电路具有稳压控制功能？
答：
调节反馈电压大小，观察Vg1输出随TP1电压变化和占空比的变化。
2.如何验证你设计的PWM控制电路所具有的保护功能？
答：
验证实验板具有过流保护功能：
I1、I2分别加电压，板子开机逐渐升高达到一定的值后，灯亮，输出信号被封锁，记录此时的电压值。
3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。
答：
软启动可以限制启动电流，从而达到保护实验板不被烧毁的作用。
4.说明限流运行时的PWM控制方式的变化。
答：
应将输出电流作为反馈比较对象。
即将原来PWM控制方式的稳压运行方式转为限流的不稳压方式，不再进行增大脉宽的稳压PWM控制，转换为电流增大而脉宽减小的限流控制。
控制对象由原来的输出电压变为现在的输出电流。
实验二十九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.建立驱动电路的概念和要求，掌握反馈环节与滤波电路的概念与设计原则。
二、实验原理
三、实验设备
1.电力电子综合实验装置及控制电路实验板、传感器模块、电源。
2.各种功率和参数的电感、电容、电阻。
3.数字式示波器。
四、实验步骤
1.选择滤波电感电容：
从断流考虑。
在运行范围内保证不出现断流的情况。
临界负载电流为：
设负载电流最小值为0.2A,取占空比Dmin=0.4，fs=10KHz,
对应得出的最小电感值应为3.65mH。
再根据脉动电压公式：
其中：
fs为开关频率，且
取占空比Dmin=0.4，fs=10kHz,可以得Cmin=7.5uF
并且一定的裕度，根据实验室的实际情况，我们选择电感L=10mH，电容C=100uF。
2.完成主电路元件的连接、驱动电路的连接和控制电路的连接，检测PWM电路板，并选择单路输出：
接好TL494驱动线路，将电路板上JP1的2、3引脚连接，确定f=20kHz，将JP3的1、2引脚连接，JP2的5、6引脚连接，Vg1接至示波器CH1，K1闭合，C21充电完成后，观察产生的PWM波。
3.保持占空比D=0.5不变，选择负载R=250Ω，改变输入电压，使之从80V变化到120V，测得输出电压、输入输出电流的变化。
4.保持输入电压Ui=100V、占空比D=0.5不变，改变负载，测得输出电压、输入输出电流的变化。
5.保持输入电压Ui=100V不变，选择负载R=250Ω，改变占空比，使之从电流连续变化到断流，测得输出电压、输入输出电流的变化。
五、实验结果及分析
1.Vs=100V,R=200（欧），T=90us，改变占空比
负频宽
81．55us
63.57us
45.65us
31.10us
14.10us
输出电压Vo（V）
85
70
55
40
25
输出电流Io（A）
0.32
0.27
0.22
0.15
0.1
占空比D
0.09
0.29
0.49
0.65
0.84
2.Vs=100V,D=0.5,改变负载电阻
R（欧）
100
200
300
400
500
Vo（V）
49
55
56
57
59
Io（A）
0．45
0.27
0．2
0．14
0．10
3．D=0.5，R=250，改变输入电压
Vs（V）
80
90
100
110
120
Vo（V）
44
51
55
60
65
Io（A）
0．19
0．2
0．21
0．23
0．25
图1Vo—D图
如图，显然输出电压与占空比之间有较为明显的线性关系，Vo与D呈正比
图2Vo—R图
如图，输出电压随R增大而增大，虽说为表现出良好的线性关系，故占空比和输入电压不变的情况下，输出电压随电阻增大而增大
图3Vo—Vs图
分析有输出电压与输入电压依旧呈正比与线性关系，线性度较好
六、思考题
1、Buck电路中电感电流连续与否会有什么影响？
哪些参数会影响电流连续？
实验中如何保证电流连续？
答：
在电流不连续时，输出电压会略高于电流连续情况下的输出电压。
根据临界电流表达式
可知，当负载电流小于临界值时即会发生断流现象，即电感L值、电源电源频率fs、占空比D及输出电压都会影响电流的连续性。
实验中，可以通过选用大电感，增大占空比，或增大开关频率来保证负载电流大于临界值，从而使电感电流连续。
2、Boost电路中，为什么D不能等于1？
实验中如何保证D≠1？
答：
因为在Boost变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。
如果占空比D接近于1，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。
因此Boost变换器不宜在占空比D接近1的情况下工作。
同时，从Boost变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式
也可以看出，当占空比D接近1时，变压比M接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。
3、两种电路中L和C的设计应该满足什么要求？
答：
两电路中L和C都是起滤波作用。
对于LC设计滤波时的要求：
①负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流降低到允许范围内。
②滤波电感基波阻抗不大，负载变化时开关电路输入电压波动不大，负载电压波动不大。
③滤波器LC电压、电流的kVA值小，成本低、体积小、重量轻。
4、实验电路中，开关管的驱动电路要求有哪些？
答：
驱动电路需要提供持续的驱动电流，要求如下：
①开通时有较高的基极驱动电流ib强触发，以减短开通时间
②开通后在通态下基极电流要适当减小，以减少通态时基射结损耗，同时使开关管不致过饱和导通。
③关断时是假反向的基射极电压，这能增加电力晶体管的集射极阻断电压的能力。
④断态时最好外加反向的基射极电压，这能增加电力晶体管的集射极阻断电压的能力。
实验三十三相桥式相控整流电路性能研究
一、实验目的
1.了解晶闸管相控集成触发电路的功能和触发脉冲信号的移相调控方法。
2.掌握三相桥式相控整流电路输出直流电压的控制特性。
3.观察电阻负载、电感性负载时输出直流电压及输入交流电流波形。
二、实验原理
1.相控整流电路
相控整流是在晶闸管承受正向电压时，通过控制其触发脉冲相对于承受的交流电源电压的相位（即控制角
），来控制其导通时间，在整流电路的输出端得到脉动的整流电压。
改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小，使输出整流平均电压发生改变，获得所需要的整流电压值，就称为“相控”；相控整流有多种形式：
单相桥式、三相半波、三相桥式等，本实验采用三相桥式。
实验电路如图1所示。
图1三相桥式相控整流电路图
2.相控整流电路中晶闸管的触发要求
触发脉冲电流必须与晶闸管承受的交流电压严格同步，任何时刻都必须有两个晶闸管（上、下各一个晶闸管）同时被触发导通。
触发控制角与整流直流输出电压平均值的关系为
，式中，
为线电压有效值。
3.相控整流电路中触发脉冲的实现
脉冲需按照输出电压的数值要求延迟角，且需要足够的幅值和宽度。
本实验采用与功率晶闸管集成于一体的数字检测与脉冲控制。
三、实验设备
1.电力电子综合实验装置、控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源。
2.各种功率和参数的电感，电容，电阻，示波器。
3.计算机及相应分析软件。
四、实验步骤
1.寻找相控角和指针式输出指示的关系。
保持负载R=200Ω不变，手动调节滑动电阻，改变
，测得输出直流电压，利用关系式
测得相控角α与指针式输出指示的关系。
2.接电阻负载R=200Ω，记录不同相控角下输出电压、输入电流的波形。
3.接负载
，观察不同相控角下输出电压、输入电流的波形。
五、实验结果及分析
（1）电阻负载输出电压电流波形图
1．α=0输出电压（前）和输入电流（后）波形图
2．α=30输出电压（前）和输入电流（后）波形图
3．α=60°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
4．α=90°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
（2）阻感负载输出电压电流波形图
1．α=0°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
2．α=30°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
3．α=60°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
4．α=90°输出电压（前）和输入电流（后）波形图
分析：
本次实验通过调节面板上的指针式电位器中的电阻来手动控制移相但由于不能直接读出移相度数而只能通过对波形的判断来大致确定移相角范围，故误差比较大，而且由于实验仪器以及干扰等影响，导致波形有时不稳定出现较杂乱的形式。
总体来说，较好的达到了实验的目的和要求
六、思考题
1、记录相控整流电路的功率因数应该观察哪些因素（波形或数据）？
如何观察？
答：
应观察输入电压和输入电流波形，在Wavestar中创建“PowerHarmonics”，将电压和电流波形拖入对应位置，即可直接读出输入电压有效值、输入电流有效值、视在功率、有功功率、输入功率因数等。
亦可以通过示波器观察得到输入电压和输入电流的相位差，由此可以得到整流电路的功率因数。
2、影响相控整流电路功率因数的原因有哪些？
如何提高功率因数？
答：
根据公式
可知，影响功率因数的原因有相控深度、基波电流的相位移角、输入电流中谐波电流大小等。
提高功率因数的方法：
有加入无源滤波器、附加有源功率因数校正器，或采用含有源功率因数校正环节（PFC）的高频PWM整流。
3、相控整流电路滤波器设计的原则有哪些？
答：
滤波器的截止频率应低于最低次谐波频率，且滤波器的设计应该遵循以下原则：
负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许的范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流降低到允许的范围内；滤波电感基波阻抗不大，负载变化时开关电路输入电压波动不大，负载电压波动不大；滤波器LC电压、电流的KVA值小，成本低、体积小、重量轻；在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配，如果负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗应为低阻抗。
如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则滤波器的输出阻抗应为高阻抗。
实验三十一DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究
一、实验目的
1.验证SPWM逆变电路基本工作原理，并进一步掌握SPWM信号的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。
4.熟悉和掌握模拟控制电路设计方法和有关集成电路芯片的使用。
二、实验原理
实验原理详见指导书p140—p143。
三、实验设备
1.电力电子综合实验装置（含三相全控器件桥模块，可完成单相半桥逆变、单相全桥逆变、三相桥式逆变等）、控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源。
2.各种功率和参数的电感、电容、电阻，数字式示波器。
3.计算机及相应分析软件。
四、实验步骤
1.B05B实验板的测试和调节
①接通B05B实验板电源，用示波器观察TRI（三角波）和SIN（正弦波）信号。
②调节正弦波：
—调整频率
，
—调整波形上下对称，
—调整波形左右对称，
—调整波形的幅值
。
③调节三角波：
—调三角波的频率
，
—调三角波的幅值
。
④在SP1观察并记录SPWM波形。
⑤在PW1和PW2观察输出信号的波形并记录死区时间。
2.无过流保护时的单相半桥逆变电路
①按照实验原理图1连接线路，接通主电路，使输入电压
、负载R=100Ω，调节
不加滤波器，记录输出电压波形。
②加上LC滤波器（L=133mH，C=10
），调节
，改变
，记录不同正弦波频率下，输出电压的波形及其频率。
③调节
、
，改变
，记录在不同的正弦波幅值下，输出电压的波形和幅值。
五、实验结果及分析
1.B05B实验板的测试和调节
①频率为72.72Hz、幅值为19.8V的正弦调制波：
图1频率为72.72Hz，幅值为19.8V的正弦调制波
②频率为4.69kHz，幅值为15.4V的三角载波：
图2频率为4.69kHz，幅值为15.4V的三角载波
③死区时间16ms
图3PWM波形
Pwm1上波形V=4.2vf=4.84khz
Pwm2下波形V=3.8vf=5.166khz死区时间16ms
图5PW1（上）、PW2（下）处波形
单相半桥逆变电路
①不加滤波器（幅值用示波器笔头衰减10倍）：
图6电阻负载，无滤波时输出电压波形
②固定直流输入电压，改变Vr（即调制比M），记录输出电压大小和波形
图7Vr=52V输出波形
图8Vr=23.6V输出波形
图9Vr=20.8V输出波形
图10Vr=9.2V输出波形
1）③固定固定调制比M=0.513，改变输入电压，记录输出电压大小及波形
：
表2输出电压幅值与调制波幅值的关系
Vs/V
70
50
30
调制比M
0.513
0.513
0.513
输出电压幅值Vo/V
20.5
18.4
9.2
分析可知不过调制的情况下，输出电压的幅值与调制波、载波幅值之间满足
的关系，实际应用中，想要调节输出电压的幅值时，调节调制波的幅值。
SPWM是利用正弦参考波与三角载波的比较来产生占空比呈正弦规律变化的触发脉冲，从而使输出波形为正弦波。
在没有滤波的情况下，输出的波形总谐波系数THD很高，经过滤波之后才能产生理想的正弦波，这也说明谐波的次数很高，这也是SPWM调制的一大优点。
SPWM调制可以通过对调制波频率、幅值的调节来改变M和N从而达到调节输出的频率、幅值，实现起来非常方便。
六、思考题
1.为什么单向半桥电路的过流保护检测要比单向全桥和三相桥逆变电路多用一个电流霍尔传感器？
答：
因为在单向半桥电路中每个电流传感器只能检测到半个周期内一个开关管的过流状态，而不能完全反映整个桥臂开关元件的过流状态，故而需要两个电流霍尔传感器。
2.怎样设计死区时间？
设计的原则是什么？
答：
由于Vg2是Vg1反相得到，即二者互补，可以让Vg1及其反相分别有一个延迟或缓冲t，在这个t内Vg1关断，而Vg2还没有产生即可得到死区时间。
设计死区时间的原则是要保证死区宽度要远大于开关管的关断时间，这样才能避免发生两个开关同时发生开通导致短路。
3.采用函数发生器作为SPWM的正弦波来源，这样的方式是开环控制还是闭环控制？
可否实现稳压？
答：
这种方式是开环控制，因为没有反馈回路作用于函数发生电路。
这种方式可以实现稳压，因为函数发生电路在其电路参数固定以后，输出的正弦波及三角波的幅值为一定值。
4.SPWM逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？
答：
设计原则是尽量消除谐波对输出电压的影响，且避免较大的电压损失（主要在于选择合适的电感值L。
实验三十五DC/DC单相桥式SPWM逆变电路性能研究
一．实验目的
1.通过本实验熟悉cuk电路的特点、各种理论、输入输出的电压电流之间的关系。
2．进一步加深对主电路和电路控制设计的理解和掌握
3.学会电力电子电路的设计方法。
4.掌握集成PWM控制芯片的实现电路方案时的各种应用。
二．实验原理
实验原理详见指导书p140—p143。
三．实验设备
电力电子实验装置；相关实验模块；实验控制电路板；功率供电电源；控制电源；实验箱面包板；示波器；计算机及相关的分析软件
四．实验步骤
详见指导书p168—169
五.实验结果及分析
一．R=1K（负载电阻）
保持T=91.93usU=25V（输入电压）不变，改变占空比记录输出电压
占空比
0.375
0.444
0.51
0.57
0.618
输出电压
42
34
25
22
21
保持T=91.93usD=0.5不变，改变输入电压，记录输出电压
输入电压
25
20
30
35
40
输出电压
29.8
21
32
38
44
二．R=250欧
保持T=92usU=25V不变，改变占空比，记录输出电压
占空比
0.406
0.445
0.5
0.543
0.609
输出电压
35
30
26
21
17
保持T=92usD=0.5不变，改变输入电压，记录输出电压
输入电压
20
25
30
35
40
输出电压
20
26
31
36
41
结果分析与结论：
（1）分析上述数据后可知，对于cuk电路来说，占空比与调制比基本满足公式M=D/（1-D）的关系
（2）开环控制特性试表明输入一定时，占空比D与输出电压基本接近预计的结果，而由于实验中测量误差仪器误差及电源并非理想电源灯也会导致某些数据出现或多或少的不确定的偏差。
这也是可以接受的。
实验心得
通过这5次的电力电子实验，大大的提高了我对于电力电子这门学科的兴趣与理解，与此同时动手能力和实验能力锻炼也得到了很大的锻炼和提高。
知识和能力的获取让我很是开心。
这些实验过程中那真是痛并快乐着，有是实验前的担忧，实验中的挠头与不追所措，实验结果不对而被打回重做的郁闷和抓狂，以及实验完成后的欣喜与成就感。
这些都充分的烙印在我的脑海中不能忘却，都是最宝贵最美好最充实的回忆！
最后感谢老师们在实验中对我们的耐心解答与倾心帮助！
参考文献
1、《信号与系统综合实验教程》.熊蕊.华中科技大学出版社
2、《电力电子学——电力电子变换和控制技术》.北京高等教育出版社
3、《线性控制系统工程》.MorrisDriels.清华大学出版社
4、《电子技术基础（模拟部分）》.康华光.高等教育出版社
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