《信号与控制综合实验》课程实验报告

电气学科大类

2011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：饶建东学号：U201H1916专业班号：电气1106

同组者L学号：专业班号：

同组者2：学号:专业班号:

同组者3：学号:专业班号:

指导教师

日期2014年6月

实验成绩

评阅人

实验评分表

实验名称/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/DCPWM升压、降压

变换电路性能研究

基本实验实验三十三相桥式相控整流电路性

能研究

实验三HDC/AC单相桥式SPWM

逆变电路性能研究

实验名称/内容实验分值评分

实验三十五DC/DCPWM升降压变换

设计性实验

电路（cuk变换器）设计

实验名称/内容实验分值评分

创新性实验

教师评价意见总分

目录

第一部分基本实验

一、实验二十八PWM信号的生成和PWM控制的实现

二、实验二十九DC/DC—PWM升压、降压变换电路性能研究

三、实验三十三相桥式相控整流电路性能研究

四、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究

第二部分设计性实验

一、实验三十五DC/DCPWM升降压变换电路（cuk变换器）设计

四.实验设备

PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件;控制电源；面包板或通用板;

示波器。

五.实验步骤及数据记录

1.振荡频率为lOkhz时的锯齿波波形

图28-2锯齿波波形

2.振荡频率为20khz时的锯齿波波形

3.调节变限器，改变V4,改变占空比

图28-4占空比调节波形

图28-5占空比调节波形

4.软启动波形

])[tds].CH12V100ms

图28-6软启动波形

六.实验结果分析

经对比分析实验波形，可得出如下结论：

软启动时，随着TP3(V4)的电压逐渐下降，导通时间逐渐上升，最终将实现

软启动；

调节Vf的电压大小，可以改变占空比，且Vf越大，导通时间越短。当Vf0252V

时，由于存在死区，导通时间不会继续增加；当Vf继续增加时，导通时间为0,

不会再继续减小。

通过改变REF引脚的输入，可以改变死区时间，且REF引脚的输入电压越高，

死区时间越长。

七,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：可以使用直流稳压电源在电压反馈端输入一直流电压，调节变阻器RP1的

大小，Vg端电压固定于2.5V左右，当Vf的电压在2.4V至2.5V变化时输出

的反馈电压即发生改变，会使得输出脉冲电压的占空比发生改变。

2.如何验证你设计的PWM控制电路具有保护功能？

答：可以在电流反馈II或12端加入一直流电压模拟输出电流。当直流电压增

大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。当直

流电压继续增大时，外围电路启动过电流封锁功能，输出的电压占空比为0,

同时灯亮。

3.以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。

答：软启动过程中会出现一系列逐渐变宽的脉冲波形，使得占空比逐渐增大,

输出的直流电压逐渐升高。防止电路中出现较大的冲击电流损坏元件。

4.说明限流运行时的PWM控制方式的变化

答：一旦电流过大时，将原来的PWM控制方式的稳压运行方式转换为限制

电流的不稳压方式，不再进行增大脉冲宽的稳压PWM控制，转换为电流增

大而脉冲宽度减小的限流控制。

八.实验小结

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.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.实验原理

PWM控制将宽度变化而频率不变的脉冲作为电力电子变换电路中的功率开

关管驱动信号，控制开关管的通断，通过调节开关驱动脉冲的宽度来控制变换

器的输出电压。在分压电路中，如果采用半导体功率开关器件，使带有滤波器

(L,。的负载线路与直流供电电源周期性地接通、断开，则负载上也得到了另

一个数值的直流电压，这就是BUCK电路的基本手段。

L(+)

图29-1DC/DC-BUCK变换器反馈控制系统

一个周期Ts内，开关器件接通时间ton所占整个周期Ts的比例称为占空比D,正

常工作模式中，输出电压V。与输出电源电压Vs的关系是

Vo=DVs

由于变换器输出电压V。小于电源电压Vs,故称它为降压变换器。

三.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.控制器设计研究：开环特性

四.实验设备

实验电路板、控制电源、示波器、电压/电流传感器。

五.实验步骤及数据记录

(1)纯阻性负载R=250C

①连接BUCK电路。调节Vs=100V,取负载电阻250Q,改变占空比D,

观察Vo的变化。考虑到控制器输出加了反相器，实际反映出来为电平触发，此

电路中理论调制比：

M=(1-D)Vin

D0.780.680.500.420.310.2

理论

值22.0032.0050.0058.0069.0080.00

Vo/V

实际

值21.8431.6350.0858.1268.9279.85

Vo/V

表29-1纯阻性负载时Vo-D的数据

②调节D=0.5,改变电源电压，记录输出电压Vo的变化。

Vs/V10090.48070.260.250.440.630

理论

5045.24035.130.125.220.315

Vo/V

实际

49.7844.838.8434.428.9824.8219.8414.64

Vo/V

表29-2纯阻性负载时Vo-Vs的数据

(2)阻感性负载R=250C,L=10mH

①连接BUCK电路。调节Vs=100V,取负载电阻250Q,改变占空比D,

观察Vo的变化。

D0.80.710.620.520.350.220.12

理论

80716252352212

Vo/V

实际

79.8469.9261.3251.9334.6221.3611.64

Vo/V

表29-3阻感性负载时Vo-D的数据

阻感性负载下Vo-D的关系

图29-3阻感性负载时Vo-D特性

②调节D=0.5,改变电源电压，记录输出电压Vo的变化。

Vs/V10090.280.270.460.250.640.830.2

理论

5045.140.135.230.125.320.415.1

Vo/V

实际

48.3444.238.7833.6427.7623.3818.8213.96

Vo/V

表29-4阻感性负载时Vo-Vs的数据

阻感性负载下的V。-Vs的关系

图29-4阻感性负载时Vo-Vs的关系图

六.实验结果分析

由实验（1）、（2）可得，BUCK电路在电流连续工咋状态下，变压比M=Vo/Vs=D；

由实验可得，当改变负载特性时，可得临界负载电流。当负载电流Io</勿时,

BUCK电路工作在断流工作情况下，此时变压比M>D。

七、实验思考题

1.BUCK电路中的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？实验如何保证电流连续？

答：电感电流连续时变压比等于占空比，不连续时变压比大于占空比。

Vo,L,f,D四个量会影响电流连续，为保记电流连续，需控制负载电阻不

要过大。

2.BOOST电路中，为什么D不能等于1?实验中如何保证D不等于1?

答：在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能量通过二极管D的释放

过程，也就是说必有能量送到负载端。否则的话，会使V。不断升高，最后使

变换器损坏。实际工作中，为了防止输出电压过高，Boost电路不宜在占空比

D接近于1的情况下工作。利用死区时间可以使得D不接近1

3.两种电路中L和C的设计应满足什么原则？

答：满足电压纹波的要求，保证电流连续。

4.实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？

答：本实验电路的开关管为三极管。驱动电路的要求为：

（1）控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离；

（2）开通时延要小；

（3）工作频率范围要足够；

（4）输出电压大小波形合理；

5.实验电路中，传感器选取有哪些原则？

答：精度高、原边与副边完全隔离、动态性能好、可靠性高以及抗电磁干扰能

力强。选取的传感器的量程应大于被测量，但不能过大。当传感器用于反馈时

还需要考虑传感器的动态响应性能。

八、实验总结

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

控整流电路输出直流电压的控制特性；

2.观察输出直流电压及输入交流电流波形，了解功率因数的概念，初步给出功率

因数校正的思路；

3.初步掌握滤波器设计的方法。

二.实验原理

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a),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。三相桥式相控整流主电路拓扑如图30T所示。

6个晶闸管需要6个相差6()。的触发脉冲电流iGi~iG6驱动，这6个触发脉冲电流

必须与交流电压严格同步。

任何时刻都必须有一上一下两个晶闸管同时被触发导通。

控制角a和输出直流电压平均值VD的关系为：

v=-----匕cosa=vcosa

D71D0

VD

图30-1三相桥式相控整流主电路

三、实验内容

接入纯阻性及阻感性负载，调节a值，观察并记录输出电压的波形及平均值。

四.实验设备

电力电子综合实验装置和控制电路实验板，传感器模块，供电电源，控制电源,

各种功率及参数的电感、电容、电阻，数字式示波器，计算机及相应的分析软件,

面包板和若干兀器件。

五.实验步骤及数据记录

1.连接电路，使线电压Vs=5()V,接入200Q电阻负载，调节a值，使a=0°,

30°,60°,90°o记录输出电压波形。

①a=0。时的波形

②a=30°时的波形

③a=60°时输出电压波形图

图30-4a=60。时输出电压波形图

④a=90°时输出电压波形图

图30-5a=90。时输出电压波形图

2.连接电路，使线电压Vs=5OV,接入200c电阻,20mH电感负载,调节a

值，使a=0。，30。，60°,90%记录输出电压波形。

①a=0。时的波形

图30-6a=0°时输出电压波形图

②a=30°时的波形

图30-7(1=30。时的输出电压波形图

③a=60°时的波形

图30-8a=60°时输出电压的波形图

④a=90°时的波形

六.实验结果分析

由电力电子理论知识可知，对于纯阻性负载，当a<60。时，电

压电流连续；当a>60。时，出现断流现象，可由图30・2——30-5

得出。而对于阻感性负载而言，当电感足够大的时候，输出电流

总是连续的。阻感性负载特性可由30-6——30・9得出。

七.思考题

1.观察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：通过观察输入相电流以及输入相电压的波形来实现。将电流互感器串入电路

中即可观察到其波形，通过将线电压输入电压互感器即可观察到线电压的波

形，由于相电压与线电压的波形存在一定的关系，即可计算出相电压与相电

流的相位关系。

2.影响相控整流的电路功率因数的原因有哪些？如何提高功率因数？

答：由触发角的大小来决定，因此可附加无源滤波器或有源功率因素校正器的来

提高功率因数。

3.相控整流电路滤波器设计的原则有哪些？

答：(1)特征频率应该远小于最低次谐波的频率。

(2)滤波器的电感值不应太大，当LC—定时，适合让电容大一些。

4.相控整流电路的稳压控制需要考虑哪些问题？

答：稳压控制要考虑：

(1)相控角的变化，输出电压与a的关系为余弦函数而并非线性关系。

(2)对于不同的负载情况时输出电压与a角的关系不同。

八.实验总结

实验三H■—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；

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

当交流电源从U、V、琳三端（或其中两端）输入，控制6个（或4个）开关管

的驱动脉冲，使P（+）和N（-）处得到直流电压，则成为三相（单相）整流电

路；当直流电源从P（+）和N（-）处输入，控制6个（或4个）开关管的驱动

脉冲，则从U、V、W三端（或其中两端）得到交流电压，成为逆变电路。

三.实验内容

1.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：

四.实验设备

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、

各种功率和参数的电感、电容、电阻，数字式示波器、计算机及其相应分析软件、

面包板和若干控制元件。

五.实验步骤及数据记录

（一）观察三角波,正弦波的波形

三用波频率f=4.74kHz，峰峰值为VPP=15.44V

图31-2三角载波波形

正弦波频率为f=50Hz,峰峰值为Vpp=4.68V

（二）观察死区时间

由图可读出死区时间约为10us。

（三）输出电压波形和经滤波后的波形

图31-6经滤波后的输出波形

（四）1）固定直流输入电压点平Vd=50V,Vc=15.44V调节调调制比M,即改变正

弦波电压幅值

Vr/v3.24468

理论值Vom/v10.512.9519.4325.907

实际值VOm/V9.411.8218.2423.34

调制比M0.210.2590.3880.518

表31-1调节Vr引起的参数变化

2）固定调制比M=l,改变输入电压，记录输出电压大小

Vd/v20304050

理论值VOm/V20304050

实际值VOm/V18.6227.6836.6448.42

表31-2改变输入电压

3）固定调制比M=1和输入电压Vd=50v,三角波频率A-5K〃z,改变正弦波频

率，，即改变载波比，记录输出电压。

fr/Hz506070

fo/Hz50.4460.3270.22

表31-3改变fr引起的频率变化

六.实验结果分析

1.根据图31-6可以知道，经过滤波后的输出波形近似为正弦波；

2.输出波形的频率fl等于正弦参考波的频率fr,而与三角载波频率

无关；

3.根据表31-2,图31-6可以知道，输出波形的幅值在三角载波幅值

固定时、与正弦参考波的幅值成正比，理论值与计算值存在较大

差别的原因可能是回路中的电流传感器和其他电气元件等消耗了

一部分电压，输入直流电压并未稳定在50V

七.实验思考题

1.为什么单相半桥逆变电路的过流保护检测要比单相全桥和三相桥逆变电路

多用一个电流传感器？

答：这是因为在单相全桥和三相全桥中，无论是单管过流或桥臂直通，直流

输入侧的电流传感器均可检测到过电流，通过控制电路的保护检测电路

后发出保护信号，关断所有开关管；而单相半桥电路如果仅在桥式电路

的直流输入的一个端子（正端或者负端）串联一个电流传感器，则只能

检测半个周期内一个开关管的过流状态，不能完全反映整个桥臂开关元

件的过流状态，如果半个周期大于开关元件过流承受能力则会导致开关

元件损坏C因此半桥逆变电路一般需在直流输入与桥臂间的两个端子均

串接电流传感器，只有这样才能可靠的检测到过流，有效地保护整个电

路。

2.怎么设计死区电路?设计的原则是什么？

答：本实验所采用的半桥逆变电路中的死区控制，通过芯片4528单稳态电

路实现，控制该芯片相关端口的高低电平状态，即可使两个驱动信号之

间产生可靠的延时，调节改变相关参数即可改变死区时间的大小；

死区时间设计的原则是要保证每个开关管都能可靠的关断，即死区时间

应远大于开关管所需的的关断时间，防止同一桥臂上的开关管同时导通,

造成电源短路形成短路电流损毁开关管和变换器。

3.示例中，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：是开环控制，不能实现稳压。

若要实现稳压控制，必须将输出电压信号进行采样后反馈到驱动信号产

生电路，由输出电压检测信号和输出给定信号比较后影响驱动电路产生

新的驱动信号，改变开关管的导通时间和方式，这样才能最终使输出电

压稳定于给定输出电压。

4.SPWM逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？

答：滤波器自身谐振频率远小于最低次谐波频率（本实验中约为lKHz）以获

得好的滤波效果，这样滤除输出电压中的高次谐波后，便可得到较理想

的正弦基波。

还有就是电感和电容参数的在尽量取得好的滤波效果的前提下，都不能过

大，以减少电感（电容）对电路电源和输出电压（输入电流和输出电流）

的影响。此外，容量应尽量小，价格、体积和重量在实际设计中都是应该

考虑的因素。

八.实验总结

实验三十五DC/DCPWM升降压变换电路（cuk变换器）设计

一.实验目的

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，进一步加深对主电路和控制电路设计的理解和掌握，学会电力电子电路的

设计方法。掌握集成电路控制芯片在实验电路方案时的各种应用。

二.实验原理

1.cuk变换器

Cuk变换器电路拓扑结构及其输入输出电流和电压波形如图35-1所示。当

Q1导通时，VI急剧下降，由于电容电压不能突变，V2也急剧下降相同的幅值，

使VD1反偏。由于在L1上的电压Vdc,其电流线性上升，储能增加。但在Q1导

通前，C1左端已经被充电至Vp,其右端被D1钳位到地电位，此时C1已经有储

能CY；/2,一旦Q1导通，则C1相当于蓄电池，电流从左端出发，通过Q1及

Ro,再通过L2返回到C1的右端。储存在C1和L2中的能量就传递给Ro,同时将

输出滤波电容反向充电至-Vo。当Q1关断时，VI上升为正电位Vp,V2随之上升,

但如上所诉，它将被VD1钳位而只能到达零电位。此时L2的左端为地点位，右

端为-Vo,L2上的电流就流经VD1和Ro后会到L2的右端。

当Q1导通时，L1的上升率为dI/dt=Vdc/Ll.当Q1关断时，V2己经上升至

一个高于电压Vdc的电压Vp,L1的电流下降率为dl/dt=（Vp-Vdc）/Ll.此时。由

于Q1关断，L2左端电位由VD1钳位到地，其右端电位为-Vo,L2的电流下降率

为dI/dt=Vo/L2.如果L1和L2足够大，它们的电流就会停留在某个值上，不会

下降到零。

事・山♦直笛MAa安演II的主♦也从和电▲♦密

hCQ一

图35-1不带输入输出隔离的基本cuk变换器拓扑结构和电流电压波形

2.电路设计中的各种关系式

1）输入输出电压比与开关管Q导通时间的关系

由Vp=Vdc—

foff

T

Vp=Vo—

则，Vo=Vdc2

2)L1与L2的电流变化率

Ton期间，由土包=生

dtL1

+di2_Vp-Vo

~dT~L2

则,当L1=L2时，Ton期间两个电感电流的电流上升率相等。

Toff期间，电感电流逐渐下降，

由-diL=Vp-Vdc

dt~L\

-di2_Vo

~dT~~L2

则，当L1=L2,Toff期间两个电感电流的下降率也相等。

3.闭环电路设计一一PWM控制器及设计

Cuk变换器的控制仍采用集成PWM芯片及合适的外围电路设计实现"采用实

验室的B01控制电路板完成设计。

三.实验内容

1.按照实验原理，实验条件和指标，设计cuk电路主电路参数,

推导输出输入电压的数值，并近似推导它们中的纹波成分。

2.了解实验挂箱上的参数，确定实验测量范围和预计实验结

果。在实验挂箱上搭建cuk电路主电路。

3.完成控制电路设计，可以用实验控制板B01完成，也可以自行

设计。

四.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；试验箱面包板；示波器，计算机及相应的分析软件。

五.实验步骤与结果

1.Cuk电路的主电路参数设计

降压实验：输入(100±20%)V；输出50V。

升压实验:输入(100±20%)V；输出100V。

输出功率：均为100W。

取缓冲电路设计频率为lOKHzo

①电感L1和L2值的设计

对于降压实验：M=—=——一€(0.417,0.625),则由可得

Vs100±20%1-D

De(0.294,0.385)。由临界电流D)2,可得

2巩

L>V()(1-OH=0.6228mH