2025年电力电子技术实验研究报告

电气学科大类_级姓名学号姓名学号姓名学号专业班号指导教师邓春花试验成绩评阅人试验二十八PWM信号的生成和PWM控电路性能研究究试验三十一DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究总分目录1.掌握PWM控制芯片的工作原理和外围2.掌握控制电路调试措施。3.理解其他PWM控制芯片的原理及设计原则。PWM控制的原理可以简朴通过图1理解。图中，V1为变换器输出的反馈电压，与一馈电压的增大而减小的PWM脉冲方波，如图1中阴影部分所示：图1-1PWM控制原理本试验重要是运用TL494来实现具有PWM控制功能的控制电路，并通过试验探究TL494是一种固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电大，输出脉冲的宽度将减小，如图1-2所示：Figure2.TimingDiagram(2)TL494脉冲控制固定的电压(范围在0—3.3V之间)即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。器进行计时，同步停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参照电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的二分之一。假如工作于单端状态，且最大占空比不不小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2获得。输出变压器一种反馈绕组及二极管提供下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式TL494内部电路方框图，如图1-3所示：3.示波器6、变化死区时间。将JP2改为连接3、4和5、6,观测死区时间。8、保护封锁脉冲。I1为0,增长12至HL2灯亮，记录此时的电压，并观测Vg1的输出变化。12为0,增长11至HL2灯亮，记录此时的电压，并观测Vg1的输出变化。图1-4JP1置于23端时输出锯齿波波形图1-5软启动过程中V4信号波形Vg1为低电平时，开关管导通，此时为Ton;Vg1为高电平时，开关管截止，此时为待输出稳定后，V1接入+5V,通过调整Rpl,变化TL494的1脚(TP1)输入电压V的大小，此时，测得TL494的反相输入端(2脚)电压值为2.6V,输出波形的周期约为(1)TP1=2.64VT=0.2usD=0.002Vg1波形图由上图可得，TP1电压越小，导通时间越长，占空比越大，TP1的有效变化范围是4、变化死区时间将V1悬空(此时Vg1导通时间最长),变化JP2连接(1)连接JP2的3、4引脚，TP3=0.985V,死区时间Ta=20us图1-13JP2选3、4时Vg1波形图(2)连接JP2的5、6引脚，TP3=1.252V,死区时间Ta=5us图1-14JP2选5、6时Vg1的波形图由以上试验成果可得，TL494引脚4的参照电压REF越大，死区时间越长。5、电流限制与脉冲封锁(1)Vn=10.3V,Vg1输出波形图1-15未过流时Vg1波形图图1-16过流时Vg1波形图断开JP3,接通JP4的1、2两脚。观测Vg1,Vg2输出波形答：调整反馈电压大小，观测Vg1输出随TP1电压变化和占空比的变化。一、试验目的1.验证、研究DC/DCPWM升、降压变换电路的工作原理和特性2.在试验二十八的基础上，深入掌握PWM集成电路芯片的应用、设计原则3.理解电压/电流传感器的选用原则4.建立驱动电路的概念和规定5.掌握反馈环节与滤波电路的概念与设计原则在分压电路中，假如采用半导体功率开关器件取代串联电阻或线性工作的晶体管，使带有滤波器(L或/和C)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种数值的直流电压，把输入的直流电源电压通过开关器件斩成周期性通断的方波，因而也称为“斩波电路”,这就是DC-DC降压变换的基本手段。降压电路也称为buck电路。buck线路(降压线路)的原理图如图1所示，降压线路的基本特性为：输出电压低于输入电压，输出电流为持续的，输入电流是脉动的。图2-1buck线路原理图1.正常工作模式下：(1)O<t<DTs,开关管导通时，输出电感储能，流过电感的电流线性增长，同事给负载提供能量，(2)DTs<t<Ts,开关管关断，输出电感通过二极管D进行续流，流过电感的电流线性减小，;根据电感伏秒平衡原理可得：(Vs-V₂)DTs=V(1-D)Ts,则有：故占空比D越大，负载上得到的电压V。也越高。2.电感电流断流模式下：当开关转换线路工作于CCM/DCM边界，对于buck线路而言，即流过电感的电流纹波与输出电流相等即：时，buck变换器工作在CCM/DCM边界；3.本试验所用试验原理图如图2所示：TvRfD图2-2试验原理图三、试验设备1、电力电子综合试验装置及控制电路试验板、传感器模块、供电电源、控制电源；2、多种功率和参数的电感、电容、电阻；3、数字式示波器；4、计算机及对应分析软件；5、面包板和若干元器件。四、试验内容1.试验元件参数确实定(1)滤波电感电容的选择临界电流：综合考虑，并保留一定裕度，本试验中我们选用L=10mH,C=220μF,此时的输出电压纹(2)电压传感器和电流传感器部分在测试buck电路闭环特性时，需要电压传感器和电流传感器来构造闭环回路①电压反馈环节：电路中V1接电压传感器，引入反馈。由Vo=50V,②电流反馈环节：通过控制板电路图可知，串口I1电压≥8.53V时闭锁，传感器选5匝，电流留有20%的余量，即超过2.4A时闭锁保护，由2.4×5×10-³×(Rx₂+2.完毕主电路元件的连接、驱动电路的连接和控制电路的连接；检测PWM电路板，并接好TL494驱动线路，将电路板上JP1的2、3引脚连接，确定f=10KHz,将JP3毕后，观测产生的PWM波，通过调整RP1,可以变化占空比。3.开环特性(1)电源输入V₅=100V,负载R=500,调整RP1使占空比D在0.3—0.7之间浮动，测量输出Vo,Io(2)确定占空比D=0.5,负载R=200Ω,变化Vs,测量输出Vo,Io;(3)确定占空比D=0.5,Vs=100V,变化负载R,测量输出Vo,lo;(4)确定占空比D=0.5,Vs=100V,测量系统在空载状态下的输出Vo,lo;4.闭环特性：电路中V1接电压传感器，引入反馈环节(1)维持负载R=200Ω不变，变化Vs,测量输出Vo,lo;(2)维持电源电压Vs=100V,变化R,测量输出Vo,lo;(3)确定占空比D=0.5,Vs=100V,测量系统在空载状态下的输出Vo,lo;表1—输出电压和电流随占空比D的变化DD1D(2)确定占空比D=0.5,负载R=200Ω,变化Vs,测量输出Vo,Io;表2—输出电压和电流随输入电压Vs的变化≥S表3—输出电压和电流随负载电阻R的变化1/通用通甜艳封通封艳规格式RR(4)确定占空比D=0.5,Vs=100V,测量系统在空载状态下的输出Vo,lo;表4—空载状况下的输出03.闭环特性：电路中V1接电压传感器，引入反馈环节表5—输出电压和电流随输入电压V的变化/通用推阴格阴格明格式(2)维持电源电压Vs=100V,变化R,测量输出Vo,lo;表6—输出电压和电流随输入负载电阻R的变化R(3)确定占空比D=0.5,Vs=100V,测量系统在空载状态下的输出Vo,lo;表7一空载状况下的输出0从试验成果的数据中可以看出开环闭环特性的不一样，开环时由于没有反馈，其误差比较大，而当加了一种闭环之后，当输入电压发生较大变化时，输出电压都能基本稳定在指令值附近，这阐明电路的抗干扰性能有了较大的提高。1、Buck电路中电感电流持续与否会有什么影响?哪些参数会影响电流持续?试验中怎样保证电流持续?答：Buck电路在电流不持续时，输出电压会略高于电流持续状况下的输出电压。根据临界电流体现式可知，当负载电流不不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持续性。试验中，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不小于临界值，从而使电感电流持续。2、Boost电路中，为何D不能等于1?试验中怎样保证D≠1?答：由于在Boost变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量所有储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。假如占空比D靠近于1,那么开关靠近于全导通状态，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，将导致电感饱和，直至烧毁。因此Boost变换器不适宜在占空比D靠近1的状M=VIV₅=1/-D)也可以看出，当占空比D靠近1时，变压比M靠近于无穷大，这显然与实际不符，将导致电路无法正常工作。3、两种电路中L和C的设计应当满足什么规定?答：两电路中L和C都是起滤波作用。对于LC设计滤波时的规定：①负载上的单次谐波电压和总谐波电压减少到容许范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流减少到容许范围内。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、试验电路中，开关管的驱动电路规定有哪些?答：驱动电路需要提供持续的驱动电流，规定如下：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合适减小，以减少通态时基射结损耗，同步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，这能增长电力晶体管的集射极阻断电压的能力。④断态时最佳外加反向的基射极电压，这能增长电力晶体管的集射极阻断电压的能力。5、试验电路中，传感器选用原则有哪些?答：传感器选用的原则有：①考虑敏捷度。考虑敏捷度时要综合考虑试验有关环境，由于在测量过程中，敏捷度高的传感器对于杂波也具有放大作用，也许会导致精度下降。②考虑频率响应特性。确定传感器的延迟和测量频率范围，对于试验来说，不必要选用延时很小的传感器③稳定性。试验环境变换而引起的性能偏差，尽量越小越好，本试验中电路元件会发出④精度。关系到试验数据的精确性，对于本试验，并不需要定量测数据，故而运用精度不是很高的传感器，以节省试验成本一、试验目的1.理解晶闸管相控整流的移相调控原理和措施，掌握不一样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.观测输出直流电压及输入交流电流波形，理解功率因数的概念，初步给出功率因数校正的思绪；3.理解wavestar软件的基本使用，可以用来分析输入输出的功率因数；3.初步掌握滤波器设计的措施；4.闭环稳压控制设计和校正措施的应用。二、试验原理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α),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。变化触发脉冲出现的时刻，即变化控制角的大小，使输出整流平均电压发生变化，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，本试验采用三相桥式。2.相控整流电路中晶闸管的触发规定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、下各一种晶闸管)同步被触发导通。触发控制角与整流直流输出电压平均值的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规定延迟角，且需要足够的幅值和宽度。本试验采用与功率晶闸管集成于一体的数字检测与脉冲控制。4.试验电路中的三相晶闸管整流功率模块原理简介综合试验装置中使用的晶闸管为三相晶闸管整流智能控制功率模块，采用了全数字移相触发集成电路，本试验中采用手动控制的方式。三、试验设备1.电力电子综合试验装置、控制电路试验板、传感器模块、供电电源、控制电源；2.多种功率和参数的电感，电容，电阻；3.数字式示波器；4.计算机及对应分析软件；5.面包板和若干元器件。四、试验内容与数据记录1.试验元件参数选定①输入电压V1和负载电阻R的整定根据试验规定指标(输入三相交流电压：V1≤100V;输出功率：P≤100W)初步估算电阻负载范围和滤波器参数：,得Vpmax≤135V,2;输入电压V₅=90V②滤波器参数的电感电容值的整定由于，在输出波形中，重要是六次谐波，那么我们设置的低通滤波器的频率6×50=300HZ,故初步选定滤波器参数：L=100mH,C=220uF2.试验环节(1)保证输入和负载R=2002不变，手动调整滑动电阻，变化Vcon₁,记录输入、输出的电000(2)保证输入和负载R=1KΩ不变，手动调整滑动电阻，变化Vcon1,记录输入、输出的电000000阻，变化Vcon₁,记录输入、输出的电压、电流波形000图3-3a=60°时输出电压和输入电流波形图3-42、纯阻性负载R=1000Ω时，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°时的输出电压和输入电流波形图3-7a=60°时输出电压和输入电流波形图3、阻感性负载R=200Ω,L=100mH时，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°时输入电流与输出电压波形图4、阻感性负载加LC滤波器，控制角a=0°,a=30°,a=60°,a=90°时输入电流与输出电压波形五、试验总结本次试验是三相桥式相控整流电路性能的研究，试验过程中通过控制晶闸管整流智能控制的移相调控器的角度α来控制它的导通时间θ,于是可以在整流电路的输出端得到脉动的直流电压，试验中通过变化负载的特性，从阻性负载到感性负载，通过观测输出电压和电流的波形来研究三相整流桥的特性。1、记录相控整流电路的功率因数应当观测哪些原因(波形或数据)?怎样观测?答：应观测输入电压和输入电流波形，在Wavestar中创立“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测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?怎样提高功率因数?答：根据公式PF=v*cosφ,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。提高功率因数的措施：有加入无源滤波器、附加有源功率因数校正器，或采用品有源功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，且滤波器的设计应当遵照如下原则：负载上的单次谐波电压和总谐波电压减少到容许的范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流减少到容许的范围内；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；在所规定的频率上，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，假如负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗应为低阻抗。假如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。一、试验目的1、验证SPWM逆变电路基本工作原理，并深入掌握SPWM信号的形成电路的设计措施；2、学习、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制措施；3、理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措施和有关集成电路芯片的使用；二、试验原理1、桥式逆变电路对于三相桥式逆变电路，若只有一种桥臂交替通断工作而此外两个桥臂的开关管总是处在断开状态，则成为单相半桥电路，理论上，输出电压最高峰值为直流输入电源电压的二分之一；根据负载的不一样(纯阻性、阻感性或纯感性),电压型逆变器虽然电压均为方波而电流波形也许完全不一样；同样电流型逆变器中，电流为方波而电压波形也随负载性质的不一样而不一样。2、SPWM(正弦脉冲调制)基本原理根据冲量等效原理，将单脉冲变成若干个脉冲，可以使信号中的谐波含量大大减少并且谐波次数提高，进而可大大减少滤波器参数值、尺寸和成本。更深入地将宽度相等的多脉冲变成按正弦规律变化的正弦脉冲序列，则在实现闭环调宽稳压控制的同步，可获得更高的基波、更小的谐波，这种脉冲宽度随正弦规律变化的调制方式，称为正弦脉冲宽度调制(SPWM)。3、SPWM方式的实现产生SPWM波形的方式诸多，按照脉冲极性分有单极性和双极性之分，尚有单极性倍频方式等。本试验中采用参照原则正弦波和三角波信号与比较器形成脉冲。设计时应注意桥式逆变电路的最基本规定：同一桥臂上下两个开关管触发脉冲应设置死区(即两个开关管都不导通的时间),死区宽度的设计根据是应远不小于开关管所需要的关断时间。4、桥式逆变电路的过流保护桥式电路中一旦过流，往往开关管关断时间延迟，超过原设定的死区则形成同一桥臂开关管直通短路。因此，桥式逆变电路需要愈加关注过流保护电路的设计。单相半桥逆变电路需在直流输入与桥臂间的两个端子均串接电流霍尔传感器，才能可靠地检测到过电流。5.本试验所用的原理接线图，如图1所示：图4-1单相半桥逆变电路试验原理图(1)滤波器的参数设计：试验中所用到的原则正弦波的频率为f=50HZ,原则三角波的频率为f=4.9KHZ,则原则载波比,输出交流电压V₀中的谐波次数很高，同步在对单相半桥逆变电路的性能探究时，所用到的正弦波的频率变化范围为25HZ~115HZ,亦即输出电压的基波频率最大概为115HZ,因此考虑选用的滤波元件的参数应满,结合试验室条件我们选用：L=133mH、C=10μF,138HZ,满足规定。(2)同步由于试验板功能的限制，在设置过电流保护的功能时，我们采用在直流输入侧和交流输出侧接入电流霍尔传感器，实现对试验电路的过电流保护功能。三、试验设备1、电力电子综合试验装置(含三相全控器件桥模块，可完毕单相半桥逆变、单相全桥逆变、三相桥式逆变等)、控制电路试验板、传感器模块、供电电源、控制电源；2、多种功率和参数的电感、电容、电阻；3、数字式示波器；4、计算机及对应分析软件；5、面包板和若干元器件。四、试验环节与数据记录1.B05B试验板的测试和调整(1)接通B05B试验板电源，用示波器观测TRI(三角波)和SIN(正弦波)信号；(2)调整正弦波为原则正弦波：Rp₁一调整频率(fr=50HZ),Rp₂、Rp₃一调整波形上下(3)调整三角波为原则三角波：Rp₆一调三角波的频率(fc=4.9KHZ),Rp₇一调三角波的(4)在SP1口观测并记录SPWM波形；(5)在PW1口和PW2口观测输出信号的波形并记录死区时间；2.不接过流保护时的单相半桥逆变电路性能研究(1)按照试验原理图1连接线路，接通主电路，使输入电压Vo=50V、负载R=100Ω,固定Vm=4.9V、Vcm=6.1V,不加滤波器，记录输出电压波形；(L=133mH,C=10μF),变化正弦波频率，记录不一样正弦波频率下，输出电压的波形及