华科电力电子实验报告

电气学科大类

姓 名：同组者：

2010 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)

*** 学号： ***** 专业班号：电气***班 *** 学号： ***** 专业班号：电气***班

指导教师 **** 日 期 2013-05-28 实验成绩 评 阅 人

综合实验和实验报告要求

信号与控制综合实验，是集多门技术基础课程以及其它延伸课程理论于一体的综合性实验课程，需要综合多门学科理论知识和实验方法来体现，因此，实验目的不是简单的课程理论验证和练习，而是综合应用、研究开发、设计创新。应采用尽可能好的设计，使所设计的电路和系统达到要实现的功能，步骤和方案自行拟定，实现对设计思路的实验验证。

完成多个实验项目的，应将实验内容整理综合后写成一份总报告，以利于锻炼整理归纳和总结能力，在总报告中以第二级标题形式依次写下所完成的实验项目、内容及实验设计过程。

实验报告按“题目、目录、正文（分所完成的各实验项目）、结论、心得与自我评价、参考文献”6个部分撰写；正文主要包括以下几个内容：任务和目标、总体方案设计（原理分析与方案设计特点，选择依据和确定）、方案实现和具体设计（过程）、实验设计与实验结果、结果分析与讨论。

（格式方面请注意：每个图应该有图号和图名，位于图的下方，同一图号的分图应在同一页，不要跨页；每个表应该有表号和表名，位于表的上方，表号表名与表（数据）也应在同一页，不要跨页；建议各部分题目采用四号黑体、设计报告内容文字采用小四号宋体）

注：报告中涉及实验指导书或教材内容，只需注明引用位置，不必在报告中再加以阐述。不得不加引用标记地抄袭任何资料。

每一基本实验部分按计划学时100分成绩计算（100％），需要完成60分的实验项目；实验报告、设计部分和创新研究内容另外计分（分别为10％、20％和10％）。 再按照学时比例与本课程其它部分实验综合成为总实验成绩。每一部分实验均为：

基本实验：0～60分，考核基本理论的掌握和基本操作技能、实验室道德规范； 实验报告：0～10分，考核思考和总结表述能力； 完成设计性实验：0～20分，评价设计能力； 完成创新性实验：0～10分，鼓励创新。 实验报告装订线为左边。 本页可以不打印。

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实验评分表

实验编号名称/内容 28、PWM信号的生产和PWM控制的实现 29、DC/DC PWM升压、降压变换电路性能研究 30、三相桥式相控整流电路性能研究 31、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能 研究 实验名称/内容 设计性实验 实验名称/内容 创新性实验 教师评价意见 实验分值 实验分值 总分 评分 实验分值 10 10 10 10 评分 评分 基本实验

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目 录

第一部分 正文 ...................................................................................... 5

实验二十八 PWM信号的生成和PWM信号的控制 ................. 5

一、 实验目的.............................................................................................. 5 二、 实验原理.............................................................................................. 5 三、 实验内容及设备.................................................................................. 6 四、 实验步骤及结果.................................................................................. 7 五、 结果分析及讨论................................................................................ 13 六、 思考题................................................................................................ 14 七、 实验总结............................................................................................ 15

实验二十九 DC/DC PWM升压、降压变换电路性能研究 ........ 16

一、 实验目的............................................................................................ 16

二、 实验原理............................................................................................ 16 三、 实验内容及设备................................................................................ 17 四、 实验步骤及结果................................................................................ 18 五、 结果分析及讨论................................................................................ 21 六、 思考题................................................................................................ 23 七、 实验总结............................................................................................ 24

实验三十 三相桥式相控整流电路性能研究 ............................... 25

一、 实验目的............................................................................................ 25

二、 实验原理............................................................................................ 25 三、 实验内容及设备................................................................................ 26 四、 实验步骤及结果................................................................................ 27 五、 结果分析及讨论................................................................................ 36 六、 思考题................................................................................................ 37 七、 实验总结............................................................................................ 39

实验三十一 DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究 ......... 40

一、 实验目的............................................................................................ 40

二、 实验原理............................................................................................ 40 三、 实验内容及设备................................................................................ 41 四、 实验步骤及结果................................................................................ 42 五、 结果分析及讨论................................................................................ 52 六、 思考题................................................................................................ 53 七、 实验总结............................................................................................ 54

第二部分 心得与自我评价 .................................................................. 55 第三部分 参考文献 .............................................................................. 56

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第一部分 正文

实验二十八 PWM信号的生成和PWM信号的控制 一、实验目的

1、熟悉PWM控制的具体含义及作用；

2、了解PWM集成控制芯片TL494的工作原理及使用方法； 3、掌握验证控制电路正确性的方法

二、实验原理

1、PWM信号的作用及原理

电力电子变换电路之所以能完成对电能变换，是因为有驱动信号合理地控制相关开关管的通断。而脉冲宽度调制技术PWM（Pulse Width Modulation）就是一种保持驱动脉冲频率不变，通过改变驱动脉冲的宽度来控制变换电路输出电压的方法。可以引入反馈从而通过PWM控制保持输出电压不变。

PWM控制实现的基本原理是利用比较器对可变的反馈电压Vi和不变的三角波信号Vtri进行比较，从而输出脉冲宽度与反馈电压有关的驱动信号。如图28-1所示。当反馈电压Vi升高时，脉冲宽度将减小，从而控制输出电压降低；当反馈电压Vi下降时，脉冲宽度增大，从而控制输出电压升高，这样就可以使输出电压恒定在某一设定值附件。

图28-1 PWM控制原理图

2、PWM控制集成芯片TL494

如今集成电路发展迅速，很多电路都已经模块化、集成化，PWM控制电路也是如此。TL494就是PWM集成芯片比较常用的一种。其电路原理图如图28-2所示。

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图28-2 TL494电路原理图

由上图可以看出，该芯片除了具有上述基本的PWM控制功能外，还增加了如下功能：

① 产生死区时间以防止同一桥臂的两个开关管同时导通致使电源侧短路； ② 软启动功能，防止脉冲突然开放导致电路中出现较大的冲击电流； ③ 电流限制功能，防止负载电流长时间超过额定电流而导致电路故障； ④ 输出方式可控，可以驱动一个开关管或者同时驱动同一桥臂的两个开关管。

利用TL494再配以适当的外围电路，可以构成功能较为完善的PWM控制电路。

三、实验内容及设备

1、实验内容

分析实验室的DC/DC变换PWM控制电路（实验指导书附图F4-4 BO1所示）所具有的功能，并且通过相应的步骤来验证这些功能。

由其电路原理图可以看出，该PWM控制电路具有以下功能： ① 可产生10kHZ或20kHZ的锯齿波，通过JP1来控制； ② 可通过JP3来控制单路输出或双路输出； ③ 软启动功能

④ 可以根据反馈电压调节脉冲宽度

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⑤ 脉冲封锁及死区控制功能 ⑥ 限流控制功能 2、实验设备

DC/DC变换控制电路实验电路板、示波器

四、实验步骤及结果

1、观察锯齿波

给电路板接通电源，JP1连接1、2脚，用示波器观察TP4处的波形；然后改变JP1使其连接2、3脚，再观察TP4处波形。结果如图28-3、28-4所示：

图28-3 20kHZ锯齿波

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图28-4 10kHZ锯齿波

2、验证软启动功能

将JP2的1、2脚连接，保持各输入端口悬空，将示波器CH1通道接到TP3处，然后按下开机键，观察TP3处的波形。结果如图28-5所示：

图28-5 软启动时TP3处的波形

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3、验证输出方式控制

电路板启动后，先使JP3的1、2脚连接，此时TL494的V13为低电平，用示波器同时观察Vg1和Vg2（JP4应接通）的波形；然后再使JP3的1、2脚断开，时TL494的V13为高电平，用示波器同时观察Vg1和Vg2（JP4应接通）的波形。结果如图28-6、图28-7所示：

图28-6 V13为低电平，单路输出时Vg1和Vg2的波形

图28-7 V13为高电平，双路输出时Vg1和Vg2

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4、验证死区控制

保持V1端悬空，将JP2的5、6引脚连接，测出TL494的4引脚电压V4，然后观察Vg1的波形；之后调节电位器R24以改变V4，再观察Vg1的波形。比较死区时间与电压V4的关系。结果如下（将Vg1的波形反相了，因此低电位才是死区）：

图28-8 V4=0.368V时，Vg1反相后的波形（td?10?s）

图28-9 V4=0.942V时，Vg1反相后的波形（td?20.5?s）

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图28-10 V4=1.948V时，Vg1反相后的波形（td?37.5?s）

5、验证反馈电压控制脉宽

重新改变JP2使1、2引脚连接，在V1端接入5V电源，然后调节电位器RP1以改变TL494的引脚1电压V1使其在2.5V左右，然后测出一组不同电压V1对应的输出Vg1波形。观察输出波形脉宽与反馈电压V1的关系。结果如下：

图28-11 V1=2.43V时，Vg1的波形（ton?39?s）

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图28-12 V1=2.46V时，Vg1的波形（ton?26?s）

图28-13 V1=2.51V时，Vg1的波形（ton?11?s）

6、验证电流限制功能

保持V1端悬空，在I1端分别接入5V和12V电压，观察Vg1的波形；在I2端也分别接入5V和12V电压，观察Vg1的波形。其结果如下：

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① I1通5V电压时Vg1有输出波形，HL1、HL2都不亮；

图28-14 I1通5V电压时Vg1的输出波形

② I1通12V电压时，HL1亮，V4=8.34V，无输出波形，已封锁； ③ I2通5V电压时，HL2亮，V4=8.16v，无输出波形，已封锁； ④ I2通12V电压时，HL2亮，V4=8.24v，无输出波形，已封锁。

五、结果分析及讨论

1、由步骤1的结果可以看出，该电路可以正确产生频率为10kHZ和20kHZ的锯齿波。

2、由步骤2的结果可以看出，当按下启动键后，TP3处的V4波形是一个衰减的波形，表明它可以在启动时使脉宽不会瞬间有较大脉宽，启动时的脉宽是慢慢增加到预定值的，因而它具有软启动功能。

Vg1和Vg2的波形相位相差180?，3、由步骤3的结果可以看出，当V13为高电平时，

为双路输出模式；当V13为低电平时，Vg1和Vg2的波形相同，为单路输出模式。 4、由步骤4的结果可以看出，V4=0.368V时，死区时间td?10?s；V4=0.942V时，死区时间td?20.5?s；V4=1.948V时，死区时间td?37.5?s。可见随着V4的

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增大，死区时间也增大，因为死区时间对应的是VCT?V4?0.12V时的时间，V4越大死区时间自然越大，与原理相符。表明此电路可以实现死区控制。

5、由步骤5的结果可以看出，此电路输出电压的设定值为2.5V，当V1=2.43V时，脉宽ton?39?s；V1=2.46V时，脉宽ton?26?s；V1=2.51V时，脉宽ton?11?s。可见当反馈电压偏小时，脉宽将增大，而当反馈电压偏大时，脉宽将减小。可见它可以根据反馈电压来调节脉宽。

6、由步骤6的结果可以看出，当I1没过流时电路可以正常工作，一旦过流时，将会启动封锁功能，使V4电压变为高电平，从而实现输出封锁。

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：控制板的稳压功能是通过反馈闭环控制来实现的。可以通过分组实验的对比实现。在V1端口输入直流电压信号。当V1>2.5V时，可以发现输出脉宽减小，在系统工作时，此即会使输出电压减小；而当V1<2.5V时，会发现输出脉宽增大，在系统工作时，此即会使输出电压增大。此即说明控制板具有稳压功能。 2、如何验证你设计的PWM控制电路具有保护功能？

答：可以在I1或是I2端口，输入一个大于保护值的直流电压信号，输出脉冲会被封锁且相应指示灯点亮。

3、以你自己的调查或观察，举例说明软启动的作用。

答：软启动时，脉宽逐渐增大，最后趋于稳定。在整流桥带直流电动机负载时，软启动产生的逐渐增宽的脉冲信号，会减小电机绕组的冲击电压，起到了保护电机的作用。

4、说明限流运行时的PWM控制方式。

答：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，即不再进行增大脉宽的稳压PWM控制，转换为电流增大而脉冲宽度减小的限流控制。

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七、实验总结

本实验是电力电子的第一个实验，总的来说是比较基础的认识性实验，通过验证电路功能来了解电路的作用原理。同时本实验也是后来实验的基础，因为PWM控制在电力电子变换电路中应用十分普遍，只有深刻理解了其原理才能更好地做好后面的实验。

本实验虽然基础，但也需要注意一些地方。首先要在实验前看懂实验电路板的原理图，要不然根本不知道从何下手；然后需要理解此电路各个功能的作用；最后实验时应该细心认真，因为此电路板有很多电位器很跳线，要时刻明确做哪一步时各跳线应该接哪里，这样才不会出错。

另外还需说明，由于Vg1的输出波形在电路中已经反相，及Vg1波形中的高电平时开关管将截止，Vg1波形中的低电平时开关管将开通。在验证死区控制时由于当时不知道内部已经反相，我又开了示波器的反相功能，因此此时的死区是低电平所对应的的时间。

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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、通过实验进一步理解DC／DC变换器的基本工作原理和性能；

2、将上一实验的PWM控制电路用到Buck电路中，从而具体认识PWM控制的实际应用；

3、了解电压电流互感器的选用原则以及滤波器的设计原则。

二、实验原理

DC/DC变换电路分为升压型的Boost电路和降压型的Buck电路。在电感电流连续的情况下，他们的输出电压大小都与只与驱动脉冲的占空比有关，改变占空比D就能改变输出电压的大小。

本实验选择研究降压型的Buck电路，其电路图如图29-1所示：

图29-1 Buck变换器反馈控制系统原理图

若不加入反馈控制系统，电感电流连续时，输出直流电压VO?DVS，其中D驱动信号的占空比，D?ton/Ts。当D不变时，输出电压将随着输入电压的变化而变化。若加入反馈系统，在输入电压变化时可以通过输出电压的大小调节占空比D，从而保证输出电压恒定，不随输入电压的变化而变化，这就是PWM控制在Buck电路中的应用。

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三、实验内容及设备

1、实验内容

Buck电路实验原理图如图29-2所示：

G1L1电流霍尔10mH电流霍尔VsVD1?R1电压霍尔100uFC1250?/50WVAA图29-2 Buck电路实验原理图

上图中，电表V1、A1分别是测量输入电压和输入电流的，而电表V2、A2分别是测量输出电压和输出电流的，开关管VT的触发信号由实验二十八中的PWM控制电路板产生。

实验的要求指标是输入（100?20%）V，输出50V，输出功率100W，因此应该根据此电路要求来选择电路元件的参数。 （1）滤波电感L和滤波电容C的选取

因为滤波电感L不仅关系到滤波特性，其电流的断续还会影响到变压比。只有在电感电流连续的情况下，变压比M=D。因此它的选取应从两方面考虑：

① 从电流连续考虑，IOB?VSVD(1?D)?O(1?D)，取开关频率2LfS2LfSfs=10kHz，最小占空比Dmin?0.4，负载电流最小值ILmin?0.2A，要电流连续应使负载电流最小值大于临界电流，可得到最小电感值应为3.65mH。

② 从滤波效果来考虑，要使滤波后电压脉动小于1%。

?VO?2fC2根据脉动电压公式：?()(1?D)

VO2fS 17

其中：fs为开关频率，错误！未找到引用源。 取占空比Dmin?0.4，fs=10KHz,可以得电容最小值为7.5uF

根据以上原则，并且保留一定的阈值，选择电感参数为：10mH，电容参数为：100uF。

（2）霍尔传感器的选取

电路中两个电流霍尔传感器是为了将电流信号反馈至控制电路板的I1和I2端以实现过电流封锁功能。电压霍尔传感器是将输出电压反馈回控制电路板的V1端，从而实现闭环控制。由于过电流封锁功能在本实验中没有要求，因此现在只要选择电压霍尔传感器。

因为额定输出电压为50V，选择电压霍尔传感器的R2=600Ω，这样电压霍尔传感器的额定输出电压V2?V150?2.5R2??2.5?600?5V,将此电压反馈至R15000V1端，再经分压后可得到2.5V电压到V?端，从而实现闭环控制。 2、实验设备

电力电子综合实验装置及控制电路板；传感器模块；数字示波器；万用表；电源；10mH电感；100uF电容；250Ω电阻

四、实验步骤及结果

1、开环实验

开环实验即不引人电压反馈。先将控制电路板JP1的2、3引脚接通，JP2的5、6引脚接通，然后接通电源开机，用示波器观察Vg1的波形。再调节电位器R24使驱动信号的占空比D=0.5，如图29-3所示。然后将Vg1引到VT的触发控制端。

① 保持负载电阻R=250Ω，占空比D=0.5不变，改变输入电压，观察并记录各电表的读数，数据如表28-1所示：

表29-1 R=250Ω ，D=0.5时，改变输入电压时各表读数 输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A

80 0.1 42 0.14 90 0.11 46 0.15 100 0.12 52 0.17 110 0.14 58 0.19 120 0.15 63 0.2 18

② 保持输入电压VS=100V，占空比D=0.5不变，改变负载电阻的阻值，观察并记录各电表的读数，数据如表28-2所示：

表29-2 U1=100V ，D=0.5时，改变输入负载电阻时各表读数

负载电阻/Ω 输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A 100 100 0.28 50 0.49 150 100 0.2 51 0.31 250 100 0.12 52 0.17 450 100 0.09 54 0.1 750 100 0.08 58 0.05

图29-3 D=0.5时，驱动信号的波形

③ 保持负载电阻R=250Ω，占空比D=0.6不变，改变输入电压，观察并记录各电表的读数，数据如表28-3所示：

表29-3 R=250Ω ，D=0.6时，改变输入电压时各表读数

输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A

80 0.13 50 0.16 90 0.14 56 0.19 100 0.16 61 0.12 110 0.18 68 0.18 120 0.2 74 0.25 ④ 保持输入电压VS=100V，占空比D=0.6不变，改变负载电阻的阻值，观

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察并记录各电表的读数，数据如表28-4所示：

表29-4 U1=100V ，D=0.6时，改变输入负载电阻时各表读数

负载电阻/Ω 输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A

100 100 0.38 59 0.59 150 100 0.26 60 0.39 250 100 0.16 61 0.2 450 100 0.12 64 0.1 750 100 0.09 68 0.08

图29-4 D=0.6时，驱动信号的波形

2、闭环特性

先在控制电路板的V1端接入5V电压，调节电位器RP1到适当位置，使TL494的1号引脚电压V?=2.5V，然后保持RP1不变。将霍尔电压传感器的输出端接到控制电路板的V1端，并使Vg1的初始占空比为0.5，然后进行试验：

① 保持负载电阻R=250Ω不变，改变输出电压，观察并记录各电表的读数，数据如表28-5所示：

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表29-5 R=250Ω ，闭环控制时改变输入电压各表读数

输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A

80 0.1 42 0.11 90 0.12 48 0.15 100 0.12 50 0.16 110 0.12 50 0.16 120 0.12 50 0.16 ② 保持输入电压U1=100V不变，改变负载电阻R，观察并记录各电表的读数，数据如表28-6所示：

表29-6 U1=100V ，闭环控制时改变输入负载电阻各表读数

负载电阻/Ω 输入电压U1/V 输入电流I1/A 输出电压U2/V 输出电流I2/A

100 100 0.38 50 0.49 150 100 0.2 50 0.3 250 100 0.12 50 0.18 450 100 0.1 50 0.1 750 100 0.08 50 0.06 五、结果分析及讨论

1、开环特性分析

① 由表29-1可以看出，开环时由于没有反馈控制，输出电压会随着输入电压的改变而改变，因为占空比D此时是保持不变的，而理论输出电压VO?DVS，显然输出电压会改变。

② 由表29-2可以看出，当输入电压不变时，负载改变也会导致输出电压的改变。由于此时D=0.5，电感L=10mH，则临界负载电流为

IOB?VSV100D(1?D)?O(1?D)??0.5?0.5?0.125A 2LfS2LfS2?0.01?10000当负载电流I2?0.125A时电感电流将断流，断流后变压比M?D,并且与负载电流有关。由表中数据可知，当负载电流I2?0.125A，输出电压VO?DVS，而当I2?0.125A，输出电压VO?DVS，I2越小输出电压越高，与理论相符合。

③ 由表29-1和表29-3可以看出，当输入电压相同，增大占空比D时，输出电压也增大，因为此时负载较小，电流连续，变压比M?D，与理论相符。

④ 由表29-4可以看出，改变占空比后，当输入电压不变时，负载改变也会导致输出电压的改变。由于此时D=0.6，电感L=10mH，则临界负载电流为

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IOB?VSV100D(1?D)?O(1?D)??0.6?0.4?0.12A 2LfS2LfS2?0.01?10000当负载电流I2?0.12A时电感电流将断流，断流后变压比M?D,并且与负载电流有关。由表中数据可知，当负载电流I2?0.12A，输出电压VO?DVS，而当

I2?0.12A，输出电压VO?DVS，I2越小输出电压越高，与理论相符合。

⑤ 误差分析

由表中数据可以看出，电流连续时，输出电压的实际值与理论值VO?DVS存在一定的差异。分析其原因可能是：占空比D是根据驱动信号波形看出来的，与实际的占空比之间肯定存在误差；输入电压、输出电压的大小都是通过指针式电压表测出来的，存在读数误差，并且仪表限于精度等级，其测量值存在测量误差；真实的临界电流无法通过计算精确获得，而当电流不连续时，输出电压不是只占空比有关。 2、闭环特性

对比表29-1和表29-5可以看出，当引入了电压反馈控制后，随着输入电压的改变，输出电压总是恒定在50V左右，这是因为输出电压会调节占空比，使占空比随着U1的改变而改变，从而使VO?DVS保持不变。

同样比较表29-2和表29-6也可以看出，引入闭环控制后虽然负载改变会使电感断流，但是有反馈电压的影响，还是能保持输出电压恒定在50V。

图29-5 开环特性与闭环特性比较

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比较开环特性和闭环特性可以发现：开环时输出电压波动大，输入电压的变化和负载的变化都会引起输出电压的变化。而闭环时具有很好的稳压功能，输出电压能稳定在预定值而不随输入电压和负载的变而改变。

六、思考题

1、Buck电路中电感电流连续与否会有影响？哪些参数会影响电流连续？实验中如何保证电流连续？

答：电感电流断流时，输出电压会升高。负载大小以及系统参数如电感、电容大小和占空比、开关频率会影响电感电流连续性。实验中可以通过设置适当的负载保证电流连续性。

2、Boost电路中为什么D不能等于1？实验中如何保证D?1？

答：Boost电路中，当D=1时，电感只有充电过程而没有放电过程，电感能量持续增加，会导致烧毁电感，而且此时输出电压过大也会影响系统的正常工作。实验中，可以通过过流和过压保护来保证系统工作在适当范围的占空比。

3、Buck和Boost两种电路中的L和C的设计应满足什么原则？

答：电感的设计需要考虑其电流是否会断流，电容的设计可以依据输出电压纹波来进行。

4、实验电路中，开关管的驱动电路的要求有哪些？

答：除了能完成正常的PWM生成功能以外，还必须具有软启动和过流、过压保护功能。

5、传感器选取原则有哪些？开环试验和闭环电路中分别需要接入哪些传感器？为什么？

答：电气隔离，精度，比例，带负载能力和成本。开环实验中只需要接入电流过流保护，也即接入霍尔电流传感器；闭环系统中，除了过流保护的霍尔电流传感器外，还另需接入电压检测反馈回路，故需要电压传感器。

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七、实验总结

本实验是将上一实验的PWM控制电路用到DC/DC变换电路中来。由于有上一个实验的基础，本实验Buck电路的控制原理也就不难理解了。关键是本实验是一个变换电路，必须要用到霍尔传感器来实现闭环控制和过电流保护功能。霍尔传感器的正确选择是实现这些功能的基础，因此应该重点了解。通过本实验我们还可以直观地看到引入电压反馈后的闭环控制效果，闭环控制时具有很强的稳压特性，优点突出。

本实验应该注意的是电流断流时的情况，因为断流时输出电压不仅与占空比D有关，还以VO、IO、L、fs等多种变量有关。

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实验三十 三相桥式相控整流电路性能研究 一、实验目的

1、理解三相桥式相控整流电路的工作原理及实现方法；

2、观察不同性质负载时的整流电路输出电压波形，从而进一步了解负载性质对整流输出电压的影响；

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。改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α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”。

本实验的研究对象是三相桥式全控整流电路，其主电路如图30-1所示。

图30-1 三相桥式相控整流主电路

触发控制角α与整流直流输出电压平均值vD的关系为

vD?32v1cos??vD0cos??

式中，v1为线电压的有效值。

控制角α是以晶闸管开始承受正向电压的自然导通点为起点到施加触发脉冲使其导通的瞬间这段时间所对应的的电角度，因此必须要求触发脉冲与晶闸管两端电压要严格同步，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，并且用手动控制的方法来改变控制角α。

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三、实验内容及设备

1、实验内容

本实验选择三相晶闸管整流功率模块的手动控制功能，观察控制角α和负载性质对整流输出电压和输入侧电流波形的影响。实验接线图如图30-2所示：

图30-2 三相相控整流电路实验原理图

当三相晶闸管整流功率模块选择手动控制时，ECON端输出10V电压，外接一个电位器后接到GND端，而电位器的可动端接到CON端，这样当移动电位器时，就可以使CON端的电压在0~10V之间改变，而不同的VCON值将输出有不同控制角α的驱动信号，这样就实现了α的手动控制。

输出电压的波形可以直接用示波器观察，但A相输入电流的波形却无法直接用示波器观察。因此必须用到电流霍尔传感器将电流信号转变成电压信号再用示波器观察。为了提高测量的灵敏度，可以选择“5匝”端使得灵敏度变为5倍。同时在二次侧传入600欧姆电阻。此时传感器变比为1A/3V。用示波器观察霍尔电流传感器的输出电压波形即是A相电流的波形。

输出电压、输入电流中都含有较多谐波。其中输出电压的最底次谐波为6次谐波，如果负载侧要求输出电压为直流，则应设计滤波器来滤除谐波。但在本实验中负载侧接的是电阻和电感，对输出电压没有要求。另外我们此次实验重点观察的就是输出电压、输入电流波形形状随控制角和负载性质改变的变化情况，如果接了滤波器反而不能观察到正确波形，因此我们没有在输出侧加入滤波器。

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2、实验设备

电力电子综合实验装置及控制电路板、传感器模块、电源、数字示波器、各种参数的电感和电阻

四、实验步骤及结果

1、按照图30-2所示的电路图连接电路，先使输出空载，将示波器CH1通道接到输出端，然后手动调节电位器改变VCON，观察输出波形，从而得到控制角分别等于0°、30°、60°、90°时对应的电位器的电阻值。实验结果如表30-1所示：

表30-1 不同相空角对应的电位器电阻值

相控角α/° 电阻值/kΩ

0 10 30 6.5 60 5.1 90 3.5 2、在输出电压两端接入一个阻值为200Ω的电阻负载，调节输入电压，使输入相电压保持18V不变。用示波器分别观察负载两端输出电压的波形和电流霍尔传感器输出端所表示的A相输入电流的波形。然后调节电位器以改变相控角α，观察并记录下相控角α分别等于0°、30°、60°、90°时电压、电流的波形以及输出电压的大小。结果如下所示：

表30-2 负载为纯电阻时，输出电压与相控角α的关系 相控角α/° 输入相电压VS/V 理论VD/V 实测VD/V 0 18 42.1 42 30 18 36.5 36 60 18 21.1 27.3 90 18 0 6.5

其中输出电压的理论值的算法为

vD?32?v1cos??36?vscos?

式中vs为相电压有效值。

实验中记录的电压电流波形如下所示：

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图30-3 纯电阻负载，α=0°时输出电压波形

图30-4 纯电阻负载，α=30°时输出电压波形

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图30-5 纯电阻负载，α=60°时输出电压波形

图30-6 纯电阻负载，α=90°时输出电压波形

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图30-7 纯电阻负载，α=0°时A相输入电流波形

图30-8 纯电阻负载，α=30°时A相输入电流波形

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图30-9 纯电阻负载，α=60°时A相输入电流波形

图30-10 纯电阻负载，α=90°时A相输入电流波形

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2、在输出电压两端接入R=200Ω、L=133mH的阻感性负载，然后再重复步骤2，得到的实验结果如下所示：

表30-3 负载为阻感性时，输出电压与相控角α的关系 相控角α/° 输入相电压VS/V 理论VD/V 实测VD/V 0 18 42.1 42 30 18 36.5 36 60 18 21.1 27 90 18 0 5

图30-11 阻感性负载，α=0°时输出电压波形

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图30-12 阻感性负载，α=30°时输出电压波形

图30-13 阻感性负载，α=60°时输出电压波形

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图30-14 阻感性负载，α=90°时输出电压波形

图30-15 阻感性负载，α=0°时A相输入电流波形

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图30-16 阻感性负载，α=30°时A相输入电流波形

图30-17 阻感性负载，α=60°时A相输入电流波形

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图30-18 阻感性负载，α=90°时A相输入电流波形

五、结果分析及讨论

1、从所得波形可以看出，用示波器观察到的输出电压波形与相控角α的关系基本和书上的理论波形相同，只不过由于有噪声等的干扰，使输出电压波形存在一点畸变。

2、由表30-1和表30-2可以看出，随着α的增大，输出直流电压将减小。并且在α=0°和30°时测量值与理论值相差很小，可认为在可接受误差范围内。在纯电阻负载，α=90°时可以看到输出电压是间断的，输出电流也是间断的，因此此

时的输出电压理论值是不能用

vD?32?v1cos??vD0cos?来计算的，因为此计算

公式是在输出电流连续的情况下推导出来的。故纯电阻负载α=90°时，输出电压的理论值不是零，应该是大于零的值，可见测得的数据与此相符。而α=60°时是电压刚好连续的临界点，由表中数据可以看到此时理论值与测量值存在较大差异，其原因可能是驱动信号的实际α角与观测到的值有较大差异。

3、对比表30-1和表30-2还可以发现，在α=0°和30°时，负载性质的变化不

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影响输出电压的大小，而当α=60°和90°时，输出电压大小将随负载性质改变而变化。其原因就是当α<60°时，输出电压总是连续的，因此负载性质对它无影响。而当α>60°时，若是纯阻性负载输出电压将是间断的，而若是阻感性负载，若电感足够大的话，输出电压也总是连续的。

从电压波形也可以看出，当α=90°时，纯电阻负载输出电压都是正的，并且是间断的；而对于阻感性负载时，输出电压将会有负的部分，并且是连续的，可见负载性质确实会影响输出电压的大小很波形。

4、从得到的电流波形可以看出，虽然输入电压是正弦波，但输入电流明显不是正弦波，输入电流的基波与输入电压存在相位差，可见整流器的功率因数将比较低。这是此电路整流器的一个缺点，因此实际应用时还应加上功率因数校正环节，提高整流器的功率因数。 5、误差分析

由表30-1和表30-2可以看出，输出电压的理论值与实测值之间存在一定的差距，其原因可能是：

① 读取输入、输出电压值时由于是指针式仪表，存在较大读数误差； ② 驱动脉冲的实际相控角α并不能直观地读出来，只能大致看出，因此实际的α值与我们认为的α值之间也存在较大差距。

六、思考题

1、记录相控整流电路的功率因数应该观测那些因素（波形或数据）？如何观测？

答：由功率因数的计算公式PF?VSIS1cos?可知，应观测输入电流以及输入

VSIS电压的波形来实现，通过示波器软件的谐波分析FFT计算功能，直接得到输入电压有效值VS，输入电流有效值IS，输入流基波分量有效值IS1，基波电流和电压的相位差?，从而可以算出功率因数。

2、影响相控整流电路功率因数的原因有那些？如何提高功率因数？ 答：PF?VSIS1cos?所以功率因数由两个方面来决定：

VSIS37

（1）输入基波电压和基波电流之间的相位差。 （2）输入电压电流的基波分量的大小。

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。 有源功率因素校正器的作用：

使得交流电流跟踪输入正弦电压波形，使两者同相，从而使输入端总谐波畸变率THD小于5%，而功率因数提高到0.95或更高。

3、相控整流电路滤波器设计的原则有那些？

答：a. 滤波器在相应的工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性。

b. 要满足负载电路工作频率和需抑制频率的配合要求。

c. 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。这一点我们平时考虑得较少。

d. 滤波器还必须有能够与工作主电路电压等级相匹配的耐压值，以抗高压冲击。

e. 滤波器允许通过的电流值应与电路中连续运行的额定电流一致。 f. 滤波器应具有足够的机械强度，结构简单，重量轻，体积小，安全可靠。 g. 对于整流电流，具体的还有必须将输出电压中的交流分量限制在一定范围内，且电感最好大些，以起平波作用使输出电流连续。

4、相控整流电路的稳压控制需要考虑那些问题？

答：负载的性质对输出电压、电流波形的影响；需不需要保证负载电流连续；对于一定的稳压输出要求，电路的功率因数有什么限制要求；输出直流电压的纹波应控制在什么水平以内；负载需要搭配什么样的滤波器；若要求负载电压在交流电源电压或者负载阻抗变化时维持恒定，应如何设计闭环反馈控制电路；根据负载的耐压耐流值，设计电路对负载的过压过流保护功能。

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七、实验总结

本实验是三相整流电路，相比于前面的单相实验来说波形可能更复杂了一点，因此实验前应该先理解好三相桥式相控整流电路的原理，这样才能在实验时获得清晰的条理。

在测纯阻性负载α=90°的输出电压时，按照公式算出来的理论值应该是零，但无论是从波形还是从测量值都可以看出，其值不应该为零，这个问题曾迷惑了我们好久，后来仔细看书时才发现在这种输出电压间断的情况下此公式是不适用的，由此可见实验前只有仔细预习了才能在实验中发现、解决各种问题。

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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、了解DC/AC单相桥式SPWM逆变电路的工作原理； 2、掌握SPWM的实现方法以及SPWM调制的作用及优点

3、熟悉SPWM模拟控制电路的设计方法和有关集成电路芯片的使用。

二、实验原理

直流/交流电功率变换称为逆变。而我们一般需要得到的交流电都是正弦交流电，为此通常需要输出滤波器。理论上，只要滤波时间常数足够大，总能将谐波成分衰减到足够小。但所需的滤波器不仅需要体积、重量不菲的滤波元件，而且会带来基波电压损失和动态响应缓慢的问题。采用正弦脉冲宽度调制技术SPWM是减小滤波器尺寸、获得高质量正弦波的有效手段。

SPWM的基本原理是冲量等效原理，即：大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要他们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。

产生SPWM的方式很多，按照脉冲极性不同有单极性和双极性之分。主要是采样参考标准正弦波和三角波信号与比较器形成。本实验采样实验室的单相半桥模拟控制电路板（电路原理图见实验指导书附录图F4-1 BO5B所示）来作为控制电路。它采用函数发生器集成电路芯片L8038产生正弦波和三角波。U4芯片（ICL8038(I)）的2端产生频率可调（Rw1）的正弦波Vsin，经运算放大器放大，形成幅值为也可调（Rw5）的正弦波信号VSIN（图中的测试点“SIN”）。U1芯片（L8038(II)）产生频率为5KHz的三角波Vtri，经运算放大器U2放大，形成幅值为6.1V的三角波信号VTRI。二者经过一定的电路处理之后，作为逆变电路开关管的触发信号。

SPWM调制可以用于单相桥式和三相桥式逆变电路。本实验为了简单起见，采样单相半桥逆变电路来作为研究对象。其电路图如图31-1所示。

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图31-1 单相半桥逆变器电路原理图

若正弦参考波幅值为Vsinm，三角高频载波幅值为Vtrim，则电压调制比

M?Vsinm/Vtrim。半桥逆变输出交流电压幅值Vom?VdVsinmVd???M，有效值2Vtrim2Vo?Vom/2?Vd?M。固定Vtrim，改变Vsinm，即可调控逆变器输出电压Vo；若22固定三角波频率fc，改变正弦参考波频率fr，即可改变载波比N(N?fc/fr)，即可改变逆变器输出电压的频率fo。

三、实验内容及设备

1、实验内容

本实验主要研究的是单相半桥SPWM逆变电路的性能。实验接线图如图31-2所示。

图31-2 单相半桥SPWM逆变电路实验接线图

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上图中的两个开关管的触发端接到实验室的单相半桥模拟控制电路板的输出侧。因此本实验应该先了解并验证相半桥模拟控制电路板的功能是否正常。应该用示波器观察其输出驱动信号是否符合要求。

尽管采用SPWM调制可以使输出波形正弦化，但它仍然有谐波电压，因此要在输出端加入一个滤波器来滤除高次谐波，使输出电压更趋标准正弦波。采用双极性SPWM调制时，输出电压的最低次谐波应在载波频率fc附近，基波频率则是参考波频率fr。而单相半桥模拟控制电路板的三角载波频率fc?5kHZ左右。故滤波电感可取L?10mH，滤波电容C?10?F，如图31-2所示，滤波器截止频率fs?12?LC?503.29HZ，基波频率可以通过而最低次谐波将会衰减。

单相半桥模拟控制电路板还具有过电流保护功能，因此要用霍尔电流传感器来将输入、输出电流送回控制电路的相应端口。但是由于本实验我们采用的输入电压较低，基本不会使它出现过电流，因此在实验时没有接霍尔电流传感器。

实验时主要观察的是输出电压的大小与变压比的关系，以及输出电压的基波频率与正弦参考波频率的关系，因此要测出输入、输出电压的峰峰值和有效值及输出电压的波形。 2、实验设备

10mH电力电子综合实验装置；控制电路板；供电电源；控制电源；200Ω电阻；

电感；10?F电容；数字示波器

四、实验步骤及结果

1、观察控制电路输出的驱动信号

按图31-2所示连接电路，接通供电电源和控制电源。将示波器观察控制电路板的SIN、TRI端的波形，并调节相关电位器使其输出波形对称。然后再观察PW1和PW2端的输出驱动脉冲，读出死区时间。记录的波形如下所示：

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图31-3 控制电路SIN端的输出波形（fr?50HZ,Vsinp?p?10.2V）

图31-4 控制电路TRI端的输出波形（fc?4.774kHZ,Vtrip?p?11.8V）

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图31-5 控制电路PW1和PW2端的输出信号（死区时间?t?14?s）

2、观察变换电路的输出电压与电压调制比和载波比的关系

① 保持输入电压

Vd?30V、Vtrim?5.95V、载波比N不变，改变正弦参考2波的电压幅值Vsinm，即改变调制比M，观察输出电压的大小和波形。结果如下所示：

表31-1 保持Vd/2?30V、Vtrim?5.95V不变时，输出电压大小与Vsinm的关系

参考波电压幅值Vsinm/V 调制比M 理论幅值Vom理论/V 实际幅值Vom实际/V 理论有效值Vo理论/V 实际有效值Vo实际/V 5.1 0.857 25.7 23.2 18.17 15.3 5.7 0.958 28.74 25.6 20.31 17.1 6.25 1.05 31.51 31.6 22.28 19.6 6.7 1.126 33.78 32.4 23.89 21.1

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图31-6 Vd/2?30V,M?0.857时输出波形（幅值为23.2v，有效值15.3v）

图31-8 Vd/2?30V,M?0.958时输出波形（幅值为25.6v，有效值17.1v）

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图31-9 Vd/2?30V,M?1.05时输出波形（幅值为31.6v，有效值19.6v）

图31-10 Vd/2?30V,M?1.126时输出波形（幅值为32.4v，有效值21.1v）

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② 保持Vtrim?Vsinm?6V，即调制比M=1不变，只改变输入电压Vd，观察输出电压的大小和波形。结果如下所示：

表31-2 保持调制比M=1不变时，输出电压大小与输入电压的关系 输入直流电压Vd/V 2调制比M 20 1 20 19.8 14,.14 13 30 1 30 29.8 21.21 19.1 40 1 40 38.8 28.28 25.8 50 1 50 48 35.35 32 60 1 60 58 42.43 38.8 理论幅值Vom理论/V 实际幅值Vom实际/V 理论有效值Vo理论/V 实际有效值Vo实际/V

图31-11 Vd/2?20V,M?1时输出波形（幅值为19.8v，有效值13v）

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图31-12 Vd/2?30V,M?1时输出波形（幅值为29.8v，有效值19.1v）

图31-13 Vd/2?40V,M?1时输出波形（幅值为38.8v，有效值25.8v）

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图31-13 Vd/2?50V,M?1时输出波形（幅值为48v，有效值32v）

图31-14 Vd/2?60V,M?1时输出波形（幅值为58v，有效值38.8v）

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③ 保持M=1，Vd/2?40V不变，三角载波的频率fr?4.774kHZ也不变，只改变正弦调制波的频率fr，即只改变载波比N，观察输出电压的大小和波形。结果如下所示。

表31-3 保持Vd/2?40V，M=1不变，输出电压随载波比的变化关系

参考波频率fr/HZ 输出电压频率fo 输出电压有效值Vo/V 50 50.12 25.09 60 60.11 25.18 70 70.45 25.41 80 80.33 25,80

图31-15 Vd/2?40V,M?1，fr?60HZ时输出电压波形

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