实验七 单相正弦波脉宽调制( SPWM)逆变电路实验

实验七 单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路实验

一、实验目的

(1)熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成。 (2)熟悉ICL8038的功能。 (3)掌握SPWM波产生的基理。

(4)分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 6 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK06 给定及实验器件 DJK09 单相调压与可调负载 DJK14单相交直交变频原理 双踪示波器 万用表 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块 该挂件包含“二极管”等模块 该挂件包含“单相自藕调压器” 等模块 自备 自备 三、实验线路及原理 采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。实验电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。

(1)主电路部分: V1V3G1G3AC + 42L G2G4O ACAV2V4-D

AC/DC (整流) DC/AC (逆变)

图4-1 主电路结构原理图

如图4-1所示, 交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由实验挂箱DJK09提供）；

逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出 。

本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载，在满足一定条件下,可接电阻启动式单相鼠笼式异步电动机。

(2)驱动电路:

如图4-2（以其中一路为例）所示，采用IGBT管专用驱动芯片M57962L，其输入端接控制电路产生的SPWM信号，其输出可用以直接驱动IGBT管。其特点如下：

①采用快速型的光藕实现电气隔离。 ②具有过流保护功能，通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流,过流时IGBT管CE结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光藕TLP521的输出端OC1呈现高电平，经过流保护电路（见图4-3），使4013的输出Q端呈现低电平，送控制电路，

31起到了封锁保护作用。

+5TLP5218OC1OVCU13VR11C1G1

COMVoutVCC54E1+2461+9VVin3SPWM114VEEGNDM57962L图4-2 驱动电路结构原理图

+5V

OC1+5V14357VCCCLKDGND4013Q126SSTOPQ

OC2

OC3

OC4图4-3保护电路结构原理图

(3)控制电路:

图4-4 控制电路结构框图

4R2+57178SADJTRI WFMBIASFMSWTIMCAPSIN W338622+5V2RCQ6 8038 8038

101112SQU WVCCDADJV OR GNDSADJDADJ-5+5178SADJTRI WFMBIASFMSWTIMCAPSIN W10-151112SQU WVCCDADJV OR GNDSADJDADJ-5415964-5+5+5V1PWM+45+53CABCLRQPWM+7&&SPWM1574HC08:ASTOP74HC08:BUr+574HC04:A74HC04:B23+74528-UmLM311+5V14RCQ10Uc6733284152964-5+515PWM-+5CABCLRQ74HC08:CPWM-974HC08:D&121113&SPWM2COM54528图4-5控制电路结构原理图

控制电路如图4-5所示，它是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。各波形的观测点均已引到面板上，可通过示波器进行观测。

为了便于观察SPWM波，面板上设置了“测试”和“运行”选择开关，在“测试”状态下，三角载波Uc的频率为180HZ左右,此时可较清楚地观察到异步调制的SPWM波，通过示波器可比较清晰地观测SPWM波，但在此状态下不能带载运行，因载波比N太低，不利于设备的正常运行。在“运行”状态下，三角载波Uc频率为10KHZ左右, 因波形的宽窄快速变化致使无法用普通示波器观察到SPWM波形，通过带储存的数字示波器的存储功能也可较清晰地观测SPWM波形。

正弦调制波Ur频率的调节范围设定为5-60Hz。

控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。

四、实验内容

(1)控制信号的观测。

(2)带电阻及电阻电感性负载。（分三种频率低、中、高） (3)带电机负载（选做）。 五、思考题

(1)为了使输出波形尽可能地接近正弦波，可采取什么措施？ (2)调制波可否采用三角波？

(3)分析开关死区时间对输出的影响。 六、实验方法

(1)控制信号的观测

在主电路不接直流电源时，打开控制电源开关，并将DJK14挂箱左侧的钮子开关拨到“测试”位置。

①观察正弦调制波信号Ur的波形，测试其频率可调范围； ②观察三角载波Uc的波形，测试其频率；

③改变正弦调制波信号Ur的频率，再测量三角载波Uc的频率，判断是同步调制还是异步调制；

④比较“PWM+”，“PWM-” 和“SPWM1”，“SPWM2”的区别，仔细观测同一相上下两管驱

动信号之间的死区延迟时间。

(2)带电阻及电阻电感性负载

在实验步骤1之后，将DJK14挂箱面板左侧的钮子开关拨到“运行”位置，将正弦调制波信号Ur的频率调到最小，选择负载种类：

①将输出接灯泡负载，然后将主电路接通由控制屏左下侧的直流电源(通过调节单相交流自藕调压器，使整流后输出直流电压保持为200V)接入主电路，由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。

②接入DJK06给定及实验器件和DJK02上的100mH电感串联组成的电阻电感性负载，然后将主电路接通由DJK09提供的直流电源(通过调节交流侧的自藕调压器，使输出直流电压保持为200V)，由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率观测负载电压的波形，记录其波形参数（幅值、频率）。

(3)带电机负载（选做）。

主电路输出接DJ21-1电阻启动式单相交流异步电动机，启动前必须先将正弦调制波信号Ur的频率调至最小，然后将主电路接通由DJK09提供的直流电源，并由小到大调节交流侧的自藕调压器输出的电压，观察电机的转速变化，并逐步由小到大调节正弦调制波信号Ur的频率，用示波器观察负载电压的波形，并用转速表测量电机的转速的变化，并记录之。

七、注意事项

(1)双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)在“测试”状态下，请勿带负载运行。

(3)面板上的“过流保护”指示灯亮，表明过流保护动作，此时应检查负载是否短路，若要继续实验，应先关机后，再重新开机。

(4)当做交流电机变频调速时，通常是与调压一起进行的，以保持V/F＝常数,本装置是采用手动调节输入的交流电压。

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