电力电子学实验报告

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第44页 共44页电气学科大类 2009级信号与控制综合实验课程实验报告(基本实验四:电力电子学基本实验)姓名 学号 姓名 学号 姓名 学号专业班号 指导教师邓春花日期 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目录实验二十八 PWM信号

2、的生成和PWM控制的实现41、 实验目的2、 实验原理3、 实验设备4、 实验内容5、 实验结果6、 思考题实验二十九 DC/DCPWM升压、降压变换电路性能研究151、 实验目的2、 实验原理3、 实验设备4、 实验内容5、 实验结果6、 实验结果分析7、 思考题实验三十三相桥式相控整流电路性能研究231、 实验目的2、 实验原理3、 实验设备4、 实验内容与数据记录5、 实验波形记录与分析6、 实验总结7、 思考题实验三十一DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究291、 实验目的2、 实验原理3、 实验设备4、 实验步骤与数据记录5、 实验波形记录与分析6、 思考题实验心得40参考文献

3、 40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1.PWM控制PWM 控制的原理可以简单通过图1理解。图中，V1 为变换器输出的反馈电压，与一个幅值为Vtri的三角波信号进行比较，比较电路产生的输出电压为固定幅值、宽度随反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1-1 PWM控制原理2.PWM芯片TL494本实验主要是利用TL494来实现具有PWM控制功能的控制电路，并通过实验探究PWM控制电路的性能。 TL494工作原理T

4、L494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。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平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小，如图1-2所示：图1-2 TL494的工作时序图 TL494脉冲控制 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，当把死区时间控制输入端接上固定的

5、电压（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个通道，误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，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一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电

6、压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内部电路方框图，如图1-3所示：图1-3 TL494内部电路图三、实验设备1PWM 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、实验内容利用TL494设计一个具有PWM控制功能的控制电路，并拟定实现PWM控制的基本功能，通过调试验证设计的正确性。1、将实验板上的JP1的2、3两口相连,选择信号频率为20kHz；将JP2的1,2口相连，选择死

7、区时间；将JP3的1,2口相连，选择单路输出。2、将芯片与正负电源和地连接。3、按开机键。4、观察软启动。观察TP3的电平变化，以及Vg1输出信号的占空比变化。5、改变占空比。V1接+5V，调节RP1，观察Vg1的占空比。6、改变死区时间。将JP2改为连接3、4和5、6，观察死区时间。7、观察限流控制。缓慢增加I2（电压信号），观察Vg1的输出脉宽。8、保护封锁脉冲。I1为0，增加I2至HL2灯亮，记录此时的电压，并观察Vg1的输出变化。I2为0，增加I1至HL2灯亮，记录此时的电压，并观察Vg1的输出变化。9、双路输出。接通JP4的1,2两脚。同时观察Vg1和Vg2的输出信号波形。五、实验结

8、果1、TP4端口TL494芯片输出的标准锯齿波，Ts=100us图1-4 JP1置于23端时输出锯齿波波形2、软启动通过TP3的电平变化，来观察Vg1波形脉宽变化图1-5 软启动过程中V4信号波形（1） TP3=1.98V D=0.35时Vg1波形图1-6 D=0.35时Vg1波形图（2） TP3=0.71V D=0.55时Vg1波形图1-7 D=0.55时Vg1波形图（3） TP3=0.42V D=0.7时Vg1波形图1-8 D=0.7时Vg1波形图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Toff。由图可得，当TP3电压减小时，占空比增大，进而实现软启

9、动。3、改变占空比待输出稳定后，V1接入+5V，通过调节Rp1，改变TL494的1脚(TP1)输入电压Vf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85us(1) TP1=2.64V Ton=0.2us D=0.002 Vg1波形图图1-9 D=0.002时Vg1波形图（2）TP1=2.61V Ton=60us D=0.6 Vg1波形图图1-10 D=0.6时Vg1波形图（3） TP1=2.56V Ton=70us D=0.7 Vg1波形图图1-11 D=0.7时Vg1波形图（4） TP1=2.50V Ton=70us D=0.7 Vg1波形图图1-1

10、2 D=0.7时Vg1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2.642.56V。4、改变死区时间将V1悬空（此时Vg1导通时间最长），改变JP2连接（1） 连接JP2的3、4引脚，TP3=0.985V，死区时间Td=20us图1-13 JP2选3、4时Vg1波形图（2） 连接JP2的5、6引脚，TP3=1.252V，死区时间Td=5us图1-14 JP2选5、6时Vg1的波形图由以上实验结果可得，TL494引脚4的参考电压REF越大，死区时间越长。5、电流限制与脉冲封锁I2加电压，当I2=3.85V时，HL2灯亮，出现封锁现象。I1加电压，当I1=1

11、1V时，HL2灯亮，出现封锁现象。下面在I1端施加电压来观察脉冲封锁现象。（1）Vn=10.3V, Vg1输出波形图1-15 未过流时Vg1波形图（1） Vn=13.04V，Vg1输出波形图1-16 过流时Vg1波形图6、双路输出断开JP3，接通JP4的1、2两脚。观察Vg1,Vg2输出波形图1-17 双路输出时Vg1、Vg2波形图六、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：验证实验班具有过流保护功能：I1、I2分别加电压，板子开机逐渐升高达到一定的值后

12、，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：此时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。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/DCPWM升压、降压变换电路性能研究一、 实验目的1. 验证、研究 DC/DC PWM 升、降压变换电路的工作原理和特性2. 在实验二十八的基础上，进一步掌握 PWM

13、 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4. 建立驱动电路的概念和要求5. 掌握反馈环节与滤波电路的概念与设计原则二、实验原理在分压电路中，如果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个数值的直流电压，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，降压线路的基本特征为：输出电压低于输入电压，输出电流为连续的，输入电流是

14、脉动的。图2-1 buck线路原理图1. 正常工作模式下： 0tDTS，开关管导通时,输出电感储能，流过电感的电流线性增加，同事给负载提供能量,Ldidt=VS-VL； DTStTS，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，Ldidt=Vo；依据电感伏秒平衡原理可得：(VS-VL)DTS=V(1-D)TS,则有：D=VoVS故占空比D越大，负载上得到的电压Vo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：VO(1-D)TS2L=VoR因此，当1-D2LfsR时，buck变换器工作在

15、DCM模式； 当1-D=2LfsR时，buck变换器工作在CCM/DCM边界；3.本实验所用实验原理图如图2所示：图2-2 实验原理图三、 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、供电电源、控制电源；2、各种功率和参数的电感、电容、电阻；3、数字式示波器；4、计算机及相应分析软件；5、面包板和若干元器件。四、 实验内容1. 实验元件参数的确定 滤波电感电容的选择其中，fs=10kHz ，D=0.5，临界电流：IOB=VO2Lfs(1-D)当VO=50V，P=100W时，I=2A，要保证IIOB，则L0.625mH，C20F综合考虑，并保留一定裕度，本实验中我们选取L=10

16、mH，C=220F，此时的输出电压纹波：VOVO=0.03%； 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 电压反馈环节：电路中V1接电压传感器，引入反馈。由VO=50V，I1=50V15K，I2=5VRx1+300，由I1I2=1025可得，Rx1=300； 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2.4510-3(Rx2+300)=8.53V，可得Rx2=410.4，在此取Rx2=420.2.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

17、测PWM电路板，并使其单路输出：接好TL494驱动线路，将电路板上JP1的2、3引脚连接，确定f=10KHz，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，通过调节RP1，可以改变占空比。3.开环特性（1）电源输入Vs=100V，负载R=50，调节RP1使占空比D在0.30.7之间浮动，测量输出Vo，Io（2）确定占空比D=0.5，负载R=200，改变Vs，测量输出Vo，Io；（3）确定占空比D=0.5，Vs=100V，改变负载R，测量输出Vo，Io；（4）确定占空比D=0.5，Vs=100V，测量系统在空载状态下的

18、输出 Vo，Io；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=200不变，改变Vs，测量输出Vo，Io；（2）维持电源电压Vs=100V，改变R，测量输出Vo，Io；（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，Io；五、实验结果1、PWM波产生图2-3 PWM波产生2.开环特性（1） 电源输入Vs=100V，负载R=50，调节RP1使占空比D在0.30.7之间浮动，测量输出Vo，Io；表1输出电压和电流随占空比D的变化D4/95/96/97/98/9Vo/v53.541292113Io/A0.980.790.550.40.24（2） 确

19、定占空比D=0.5，负载R=200，改变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Vs/v8090100110120Vo/v4550566169Io/A0.20.20.280.30.32（3） 确定占空比D=0.5，Vs=100V，改变负载R，测量输出Vo，Io；表3输出电压和电流随负载电阻R的变化R/50100150200300Vo/v5355555659Io/A10.520.350.290.2（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，Io；表4空载状况下的输出Vo/v100Io/A03.闭环特性：电路中V1接电压传感器，引入反馈环

20、节（1）维持负载R=200不变，改变Vs，测量输出Vo，Io；表5输出电压和电流随输入电压Vs的变化Vs/v8090100110120Vo/v46.050.050.050.050.1Io/A0.200.210.220.220.22（2）维持电源电压Vs=100V，改变R，测量输出Vo，Io；表6输出电压和电流随输入负载电阻R的变化R/50100150200300Vo/v50.050.050.050.050.0Io/A0.960.50.30.220.18（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，Io；表7空载状况下的输出Vo/v50Io/A0六、实验结果分析从

21、实验结果的数据中可以看出开环闭环特性的不同，开环时由于没有反馈，其误差比较大，而当加了一个闭环之后，当输入电压发生较大改变时，输出电压都能基本稳定在指令值附近，这说明电路的抗干扰性能有了较大的提升。七、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：Buck电路在电流不连续时，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

22、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D1？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：

23、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：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。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。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：开通时有较高的基极驱动电流ib强触发，以减短开通时间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。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。断态时最好外加

24、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。5、实验电路中，传感器选取原则有哪些？答：传感器选取的原则有：考虑灵敏度。考虑灵敏度时要综合考虑实验相关环境，因为在测量过程中，灵敏度高的传感器对于杂波也具有放大作用，可能会导致精度下降。考虑频率响应特性。确定传感器的延迟和测量频率范围，对于实验来说，不必要选取延时很小的传感器稳定性。实验环境变换而引起的性能偏差，尽量越小越好，本实验中电路元件会发出热量。精度。关系到实验数据的准确性，对于本实验，并不需要定量测数据，故而利用精度不是很高的传感器，以节约实验成本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

25、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. 了解wavestar软件的基本使用，能够用来分析输入输出的功率因数；3. 初步掌握滤波器设计的方法；4. 闭环稳压控制设计和校正方法的应用。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”；

26、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。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vD=32V1cos=vD0cos，式中，V1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。4实验电路中的三相晶闸管整流功率模块原理简介综合实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

27、实验中采用手动控制的方式。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；3数字式示波器；4计算机及相应分析软件；5面包板和若干元器件。四、实验内容与数据记录1实验元件参数选定输入电压V1和负载电阻R的整定根据实验要求指标（输入三相交流电压：V1100V；输出功率：P100W）初步估算电阻负载范围和滤波器参数：VDmax=32V1，得VDmax135V ，P=VD2RR180；输入电压Vs=90V滤波器参数的电感电容值的整定因为，在输出波形中，主要是六次谐波，那么我们设置的低通滤波器的频率f=12LC650=300HZ，故

28、初步选定滤波器参数：L=100mH, C=220uF2.实验步骤保证输入和负载R=200不变，手动调节滑动电阻，改变Vcon1，记录输入、输出的电压、电流波形 0306090Vcon1/V8.085.654.011.56/V11095.2550/A0.520.490.280保证输入和负载R=1K不变，手动调节滑动电阻，改变Vcon1，记录输入、输出的电压、电流波形0306090Vcon1/V84.45.864.812.06/V11599.657.50/A0.10.10.050保证输入和阻感负载R=200,L=100mH不变，手动调节滑动电阻，改变Vcon1，记录输入、输出的电压、电流波形030

29、6090Vcon1/V7.865.774.331.58/V112.599.657.50/A0.50.480.30保证输入和负载R=200不变，加入滤波器L=100mH，C=220uF，然后手动调节滑动电阻，改变Vcon1，记录输入、输出的电压、电流波形0306090Vcon1/V8.225.804.061.42Vo/V11095.2550Io/A0.500.480.280五、实验波形记录与分析1、纯阻性负载R=200控制角=0，=30，=60，=90时输出电压及输入电流波形图3-1 =0时输出电压和输入电流波形图3-2 =30时输出电压和输入电流波形图3-3 =60时输出电压和输入电流波形图3

30、-4 =90时输出电压和输入电流波形2、纯阻性负载R=1000时，控制角=0，=30，=60，=90时的输出电压和输入电流波形图3-6 =30时输出电压和输入电流波图3-5 =0时输出电压和输入电流波形图3-7 =60时输出电压和输入电流波形图3-8 =90时输出电压和输入电流波形3、阻感性负载R=200,L=100mH时，控制角=0，=30，=60，=90时输入电流与输出电压波形图图3-9=0时输出电压和输入电流波形图3-10 =30 时输出电压和输入电流波形图3-11=60 时输出电压和输入电流波形图3-12 =90 时输出电压和输入电流波形4、阻感性负载加LC滤波器，控制角=0，=30，

31、=60，=90时输入电流与输出电压波形、图3-13 =0时输出电压和输入电流波形图3-14 =30 时输出电压和输入电流波形图3-15 =60 时输出电压和输入电流波形图3-16 =90 时输出电压和输入电流波形五、 实验总结本次实验是三相桥式相控整流电路性能的研究，实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来控制它的导通时间，于是可以在整流电路的输出端得到脉动的直流电压，实验中通过改变负载的特性，从阻性负载到感性负载，通过观察输出电压和电流的波形来研究三相整流桥的特性。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

32、形，在Wavestar中创建“Power Harmonics”，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

33、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

34、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1、桥式逆变电路对于三相桥式逆变电路，若只有一个桥臂交替通断工作而另外两个桥臂的开关管总是处于断开状态，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一半；根据负载的不同（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可能完全不同；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同而不同。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

35、含量大大降低而且谐波次数提高，进而可大大降低滤波器参数值、尺寸和成本。更进一步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时，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波形的方式很多，按照脉冲极性分有单极性和双极性之分，还有单极性倍频方式等。本实验中采用参考标准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要求：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），死区宽度的设计依据是应远大于开关管所需要的关断时间。4、桥式

36、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，桥式逆变电路需要更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.本实验所用的原理接线图，如图1所示：图4-1 单相半桥逆变电路实验原理图 滤波器的参数设计： 实验中所用到的标准正弦波的频率为fr=50HZ，标准三角波的频率为fc=4.9KHZ，则标准载波比N=fcfr=4.910350=98，输出交流电压VO中的谐波次数很高，同时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25HZ115

37、HZ，亦即输出电压的基波频率最大约为115HZ，因此考虑选取的滤波元件的参数应满足12LC115HZ，结合实验室条件我们选取：L=133mH、C=10F，12LC=138HZ，满足要求。同时由于实验板功能的限制，在设置过电流保护的功能时，我们采取在直流输入侧和交流输出侧接入电流霍尔传感器，实现对实验电路的过电流保护功能。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；3、数字式示波器；4、计算机及相应分析软件；5、面包板和若干元器件。四、实验步

38、骤与数据记录1.B05B实验板的测试和调节接通B05B实验板电源，用示波器观察TRI（三角波）和SIN（正弦波）信号；调节正弦波为标准正弦波：RP1调整频率(fr=50HZ)，RP2、RP3调整波形上下对称，RP4调整波形左右对称，RP5调整波形的幅值(Vrm=4.9V)；调节三角波为标准三角波：RP6调三角波的频率(fc=4.9KHZ)，RP7调三角波的幅值(Vcm=6.1V)；在SP1口观察并记录SPWM波形；在PW1口和PW2口观察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按照实验原理图1连接线路，接通主电路，使输入电压VD=50V、负载R=100，固定V

39、rm=4.9V、Vcm=6.1V，不加滤波器，记录输出电压波形；固定输入直流电压VD=50V和三角波载波频率fc=4.9KHZ，加上LC滤波器(L=133mH，C=10F)，改变正弦波频率，记录不同正弦波频率下，输出电压的波形及其频率；255075100109Vo/V3334.236.238.640.224.75075100109固定输入直流电压为VD=50V和正弦波频率fr=50HZ，加上LC滤波器(L=133mH，C=10F)，改变正弦波幅值，记录在不同的正弦波幅值下，输出电压的波形和幅值；Vrm/V3.34.04.55.0Vop-p/V26.430.032.434.23.接入过流保护环节

40、的单相半桥逆变电路的性能研究按照实验接线原理图1将实验线路图连接完整；保持输入直流电压、负载和电路其他部分的元件参数值不变，调节B05实验板上的RP2A，观察并记录B05B实验板上的PW1和B05实验板上Vg1的波形变化。五、实验波形记录与分析1、B05B实验板的测试和调节（1）观察TRI（三角波）和SIN（正弦波）信号a.调节RP4、RP6，使输出三角波和正弦波对称b.调节RP7使三角波幅值为6.1V图4-2 fc=4.9KHZVcm=6.1V载波三角波信号c.调节RP1、RP5得到50Hz、幅值为4.9V的正弦波形图4-3 fr=50HZ Vrm=4.9V输入正弦波信号(2)SP1口输出S

41、PWM波形图4-4 SPWM+和SPWM-的波形（3）观察PW1、PW2输出波形，测得死区时间t=5us图4-5 PW1、PW2波形2、不接过流保护时的单相半桥逆变电路性能研究（1）输入电压VD=50V、负载R=100，不加滤波器时输出电压波形图4-6 无滤波器时输出电压波形（2） 固定输入直流电压VD=50V和三角波载波频率fc=4.9KHZ，加上LC滤波器，改变正弦波频率，输出电压波形图4-7 fr=25Hz时滤波后输出电压波形图4-8 fr=50Hz时滤波后输出电压波形图4-9 fr=75Hz时滤波后输出电压波形图4-10 fr=100Hz时滤波后输出电压波形图4-11 fr=109Hz

42、时滤波后输出电压波形（3） 固定输入直流电压为VD=50V和正弦波频率fr=50HZ，加上LC滤波器,改变正弦波幅值，观察输出电压波形图4-12 Vrm=3.3V 滤波后输出电压波形图4-13 Vrm=4.0V 滤波后输出电压波形图4-14 Vrm=4.5V 滤波后输出电压波形2. 接入过流保护环节的单相半桥逆变电路的性能研究保持输入直流电压、负载和电路其他部分的元件参数值不变，调节B05实验板上的RP2A，观察PW1和Vg1波形变化（1）Ch1为PW1，其幅值为1.36V Ch2为Vg1,其幅值为15.4V 图4-15 接入过流保护后PW1、Vg1波形图（3） 调节RP5后PW1、Vg1波形

43、，CH1为Vg1, CH2为PW1，其幅值为1.5V图4-16 调节RP5后PW1、Vg1波形图六、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

44、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。实验心得电力电子系列实验是继自控实验之后，包含学科最多，综合性最强的实验之一。无论是在理论，设计，还是操作上都对我们提出了更高的要求和更大的挑战。在实验中，我们多次被实验调试

45、的不顺利所困扰，但是在同学的积极讨论和老师的耐心指导下，还是顺利完成了实验。对这其中遇到的困难，我们做出如下反思。本系列实验中，遇到最大的困难之一是读电路图。由于数电课程的学习过于偏向基础和理论。在遇到实际的应用设计时，很难通过与所学的结合，并且迅速的分析出各个部件的功能和搭配关系。尤其是对于稍微大规模的电路，开始很难找到分析的入口。经过本次电力电子实验，渐渐熟悉了这类电路图的分析，尤其是能在初次看到电路图的时候保持冷静，通过信号的流向来判断结构的功能，同时掌握可控元件对于信号的控制关系。即使依然被某些结构困扰，但是经过同学间激烈的讨论和请教，我们最终弄清了电路的运行方式，信号的流向以及处理，同时还更深刻的认识到了实验板的设计思路，我们觉得这些苦恼都是值得的。和以往的实验一样，电力电子实验让我们走出教室，大胆的把理论应用于实践，不仅加深了对理论的记忆，同时让我们能够初步掌握了对于理论的应用和变通，虽然对于实验本身我们付出了大量的时间经历，面对过很多让人苦恼和崩溃的意外和错误，但是最终我们还是对自己在实验中的成长和收获十分的满意。我们会依然把握好每一次实验的机会，不断的提高自己。参考文献1、陈坚.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，20022、信号与控制综合实验第四部分电力电子学基础实验.华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心第 44 页 共 44 页