《信号与控制综合实验》课程电力电子基本实验报告大学论文.doc
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1、电气学科大类 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)姓 名:* 学号: * 专业班号:电气*班同组者:* 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
2、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
3、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:060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:010分,考核思考和总结表述能力; 完成设计性实验:020分,评价设计能力; 完成创新性实验:010分,鼓励创新。实验报告装订线为左边。 本页可以不打印。5
4、7实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分28、PWM信号的生产和PWM控制的实现1029、DC/DC PWM升压、降压变换电路性能研究1030、三相桥式相控整流电路性能研究1031、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能 研究10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
5、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38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第一部分 正文实验二十八 PWM
6、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和不变的三角波信号进行比较,从而输出脉冲宽度与反馈
7、电压有关的驱动信号。如图28-1所示。当反馈电压升高时,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。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: 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; 软启动功能,防止脉冲突然
8、开放导致电路中出现较大的冲击电流; 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; 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: 可产生或20kHZ的锯齿波,通过JP1来控制; 可通过JP3来控制单路输出或双路输出; 软启动功能 可以根据反馈电压调节脉冲宽度 脉冲封锁及死区控制
9、功能 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的为低电平,用示波器同
10、时观察和(JP4应接通)的波形;然后再使JP3的1、2脚断开,时TL494的为高电平,用示波器同时观察和(JP4应接通)的波形。结果如图28-6、图28-7所示:图28-6 为低电平,单路输出时和的波形图28-7 为高电平,双路输出时和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,然后观察的波形;之后调节电位器以改变,再观察的波形。比较死区时间与电压的关系。结果如下(将的波形反相了,因此低电位才是死区):图28-8 =0.368V时,Vg1反相后的波形()图28-9 =0.942V时,Vg1反相后的波形()图28-10 =1.948V时,Vg1反相后的
11、波形()5、 验证反馈电压控制脉宽重新改变JP2使1、2引脚连接,在端接入5V电源,然后调节电位器以改变TL494的引脚1电压使其在2.5V左右,然后测出一组不同电压对应的输出波形。观察输出波形脉宽与反馈电压的关系。结果如下:图28-11 =2.43V时,的波形()图28-12 =2.46V时,的波形()图28-13 =2.51V时,的波形()6、 验证电流限制功能保持端悬空,在端分别接入5V和12V电压,观察的波形;在端也分别接入5V和12V电压,观察的波形。其结果如下: 通5V电压时有输出波形,HL1、HL2都不亮;图28-14 通5V电压时的输出波形 通12V电压时,HL1亮,=8.34
12、V,无输出波形,已封锁; 通5V电压时,HL2亮,=8.16v,无输出波形,已封锁; 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。3、 由步骤3的结果可以看出,当为高电平时,和的波形相位相差,为双路输出模式;当为低电平时,和的波形相同,为单路输出模式。4、 由步骤4的结果可以看出,=0.368V
13、时,死区时间;=0.942V时,死区时间;=1.948V时,死区时间。可见随着的增大,死区时间也增大,因为死区时间对应的是V时的时间,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=2.43V时,脉宽;=2.46V时,脉宽;=2.51V时,脉宽。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
14、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V12.5V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V12.5V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,
15、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。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
16、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,由于的输出波形在电路中已经反相,及波形中的高电平时开关管将截止,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。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DCDC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
17、。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,其中D驱动信号的占空比,。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。三、 实验内容及设备
18、1、实验内容Buck电路实验原理图如图29-2所示: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()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: 从电流连续考虑,取开关频率=10kHz,最小占空比,负载电流最小值,要电流连续应
19、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。 从滤波效果来考虑,要使滤波后电压脉动小于1%。根据脉动电压公式: 其中:为开关频率, 取占空比,=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=60
20、0,这样电压霍尔传感器的额定输出电压,将此电压反馈至V1端,再经分压后可得到2.5V电压到端,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;250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,用示波器观察的波形。再调节电位器使驱动信号的占空比D=0.5,如图29-3所示。然后将引到VT的触发控制端。 保持负载电阻R=250,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
21、-1 R=250 ,D=0.5时,改变输入电压时各表读数输入电压U1/V8090100110120输入电流I1/A0.10.110.120.140.15输出电压U2/V4246525863输出电流I2/A0.140.150.170.190.2 保持输入电压=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/100150250450750输入电压U1/V100100100100100输入电流I1/A0.280.20.120.090.08输出电压U2/V505152545
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