电力电子实验报告515Word文件下载.docx
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四、实验数据及数据分析12
五、实验思考题14
六、实验总结14
实验三十一、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究16
一、实验目的16
二、实验原理16
三、总体方案的设计17
四、实验数据及数据分析17
五、实验思考题21
六、实验总结21
参考文献22
感想22
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.掌握控制电路的调试方法;
3.了解其他PWM控制芯片的原理及设计原则。
二、实验原理
1.PWM的控制
当输出反馈电压与一个三角波信号通过比较电路时即可产生电压幅值固定、宽度随反馈电压的增大而减小、随反馈电压减小而增大的PWM脉冲方波,PWM的频率与三角波的频率相等。
2.集成TL494芯片
本次实验采用集成PWM控制芯片TL494实现PWM的控制功能,它包括了PWM的产生及脉冲宽度控制、脉冲封锁及死区控制、软启动控制和限流控制等一系列功能。
其原理框图如下图28-1所示。
图28-1TL494原理方框图
三、总体方案的设计
本实验采用单路输出,将端口13接地。
1.软启动波形
使JP1接“3”,JP2接“1-2”,检查电路接线无误后,接通实验电路板电源,然后将示波器CH2接TP3并按下开机键S1,为方便示波器观察整个启动过程,调节示波器的扫描频率至较小的值,然后控制示波器的“stop”键,选取恰当时间按下“stop”键,使示波器屏幕显示整个启动过程波形。
观察并记录启动过程波形。
2.PWM脉宽调节
软启动后,由电路图可以得知Vg=2.5V,改变电阻RP1即可改变Vf的值,从而可以改变V3,进而改变PWM脉冲宽度。
将示波器CH1接芯片TL494的5引脚,CH2接引脚Vg1,改变电阻RP1,观察并记录不同Vf值时的波形。
3.观察TL494控制芯片的脉冲封锁功能
将开关JP2从“1-2”切换到“5-6”,将示波器CH1接芯片TL494的5引脚,CH2接引脚Vg1,调节可变电阻R26,使芯片TL494的引脚4的电压增大,则当V4电压增加到一定程度后将无输出PWM波,记录临界状态以及无PWM波输出的波形图。
4.死区时间测量
调节RP1使TL494引脚1的电位低于引脚2,则输出V3=0。
于是输出波形的高电平脉冲宽度为死区时间。
而改变V4点电位即可改变死区时间。
测量开关JP2处于不同状态的最小死去时间。
四、实验数据及数据分析
1.软启动过程
图28-2软启动过程TL494引脚4波形
实验结果分析:
当按下开机键时,电源给电容充电,使电容两端电压升高,从而TL494引脚4的电压不断下降,当电容充电结束后,引脚4的电压降为0。
与上图28-2所示的波形图非常符合。
a.Vf=2.385Vb.Vf=2.430Vc.Vf=2.461V
图28-3改变Vf时输出的PWM波形
由图可以得知当Vf增大时,输出PWM波形的占空比减小。
这是因为Vf增大时,V3=K(Vf-Vg)增大,而V3<
(0.7+VCT)时,输出高电平,由此可以看出输出高电平的时间减小了,于是占空比减小。
综上可知,实验结果非常符合理论分析的结果。
a.临界情况b.脉冲封锁
图28-4脉冲封锁时输出的PWM波形
当调节可变电阻R26,使芯片TL494的引脚4的电压增大到大于(VCT-0.12)的最大值时,J=1,于是输出被闭锁,输出无PWM波形。
因此实验结果与分析结果相符合。
a.JP2位于“1-2”b.JP2位于“5-6”
由上图28-4可以得到,当开关JP2位于“1-2”时,死区时间td=20us,当开关JP2位于“5-6”时,死区时间td=8us。
当开关JP2位于“1-2”时,根据课本后面的电路图“F4-4B01DC/DC变换控制电路原理图“可以得到此时V4=0.4V,则有
,因此实测值与理论值十分接近,相对误差
。
当开关JP2位于“5-6”时,
,于是
,实测值与理论值比较接近,相对误差
,误差主要由读数造成。
五、实验思考题
1.如何验证你设计的PMW控制电路所具有的保护功能?
答:
保护功能包括输入过电流保护以及电源输入过电流与输出过电流的封锁功能。
可以在电流反馈I1端加入一直流电压模拟输出电流。
一方面当直流电压增大时会使得芯片启动过电流保护功能使得输出的脉冲电压占空比减小。
当直流电压继续增大时,外围电路启动过电流封锁功能,输出的电压占空比为0,同时红灯亮,提示过流环节出现的位置。
可以在电流反馈I2端加入一直流电压模拟电源侧的输入电流,当直流电压增大至一定值时,外围电路启动过电流封锁功能,输出的脉冲电压占空比为0。
2.以你自己的调查或观察,举例说明软启动的作用。
软启动过程中会出现一系列逐渐变宽的脉冲波形,使得占空比逐渐增大,输出的直流电压逐渐升高。
这样做的优点是防止电路中出现较大的冲击电流,比如变压器或电感因出现的的冲击电流而导致磁路饱和,进而损坏元件。
3.说明限流运行时PWM控制方式的变化。
电流比较器通过输出电流的反馈来影响死区时间,防止电流过大。
所以进行限流运行时,由三角波和直流电压进行比较产生的PWM控制,也受到了反馈电流的限制。
六、实验总结
这次试验让我对PWM信号的生成和PWM控制的实现有了更深刻的了解。
特别是脉冲封锁及死区控制、软启动控制这三部分,这让我感受到了要想让电路正常安全地工作需要考虑很多因素,一点小的疏忽都会造成电路的不正常工作以及出现安全问题。
其次,这次实验培养了我看芯片的电路图的能力。
以前看到一张芯片内部原理图我都会觉得头疼,现在我已经懂得如何阅读电路图,及分区分模块去看,首先弄清每一模块的功能,然后将其整体联系起来即可。
实验二十九、DC/DC-PWM升压、降压变换电路性能研究
1.验证研究DC/DCPWM降压变换电路的工作原理和特性。
2.进一步掌握PWM集成电路芯片的应用和设计原则。
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.掌握反馈环节的概念与滤波器的概念与设计原则。
1.Buck电路工作原理
Buck电路是一种DC/DC降压变换电路,根据电感电流是否连续,其可分为连续电流模式、临界电流模式以及断流模式。
连续或临界工作模式下
(29-1)
断流模式下
(29-2)
临界电流
(29-3)
连续模式下电压脉动量
(29-4)
2.霍尔传感器的工作原理
在后面的闭环实验中需要将输出电压反馈到控制开关管导通的驱动信号端,由于输出电压的等级一般大于驱动的电压,为此还需将输出电压降到与驱动相同的电压等级。
因此需要用到霍尔传感器。
实验面板上的霍尔元件有“3匝”、“5匝”两种接线方式,由于实验中电流较小,故用“5匝”端。
其转换关系为
电流霍尔传感器
(29-5)
电压霍尔传感器
(29-6)
3.闭环控制
引入闭环控制后,输出将不会水输入变化而变化。
其示意图如下图29-1。
图29-1闭环控制示意图
1.开环时
(1)电流连续模式
由于实验室提供的电容与电感有限,故取滤波电感为10mH,滤波电容为220uF,设置占空比为D=0.5,fS=10kHz,输入电压变化范围为80-120V。
按照Buck电路原理图接好电路后,取负载电阻为250Ω,则依据公(29-3),
,故Buck电路工作在电流连续模式下,记录占空比保持不变,输入电压在80-120V内变化梯度为10V时输出电压、电流和输入电流的变化情况。
(2)电流断流模式
将负载电阻换成1250Ω,则
,故其工作在断流模式,记录占空比保持不变,输入电压在80-120V内变化梯度为10V时输出电压、电流和输入电流的变化情况。
(3)输出电压随占空比的变化
保持输入电压为100V恒定不变,调节RP1,改变占空比,记录不同占空比下输出电压、电流和输入电流的变化情况。
2.闭环控制
当输入为100V,输出为56V时,按照闭环控制原理图接好电路图,取负载电阻为250Ω,则此时Buck电路工作在电流连续模式,记录输入电压在80-120V内变化梯度为10V时输出电压、电流和输入电流的变化情况。
将负载电阻换成1250Ω,则此时Buck电路工作在电流断流模式,记录输入电压在80-120V内变化梯度为10V时输出电压、电流和输入电流的变化情况。
占空比D=0.5时PWM波形如下图29-2所示。
图29-2D=0.5时PWM波形
电流连续模式时的数据如下表格29-1所示。
表格29-1电流连续模式下的数据
负载电阻为250Ω,占空比D=0.5
输入电压Vin/V
120
110
100
90
80
输出电压Vout/V
61
56
50
46
42
输入电流/A
0.146
0.134
0.121
0.108
0.097
输出电流/A
0.235
0.216
0.197
0.181
0.158
输入功率Pin/W
17.520
14.740
12.100
9.720
7.760
输出功率Pout/W
14.335
12.096
9.85
8.326
6.636
(Pin-Pout)/W
3.185
2.644
2.250
1.394
1.124
占空比D
0.508
0.509
0.500
0.511
0.525
从上表格可以看出输出电压与输入电压的比值为占空比D,这完全符合公式(29-1)。
由于电压是从电压表上读取地,而电压表的精度不高,因此会有一定的误差。
此外,从上表还可得到输入功率与输出功率的差值随着输入电压的增大而增大。
当不计开关等损耗时,两者相等;
但是,随着输入电压的提高,开关管的损耗越大,滤波电感上的损耗越大,因此输入功率与输出功率差值越大。
电流断流模式时的数据如下表格29-2所示。
表格29-2电流断流模式下的数据
负载电阻为1250Ω,占空比D=0.5
85
79
71
65
57
0.068
0.063
0.057
0.053
0.049
0.069
0.0628
0.056
0.045
8.160
6.930
5.700
4.770
3.920
5.865
4.9612
3.976
3.185
2.565
2.295
1.969
1.724
1.585
1.355
Vout/Vin
0.708
0.718
0.710
0.722
0.713
从上表格可以看出输出电压与输入电压的比值大于占空比D,输出电压与输入电压的比值基本不变;
由公式(29-2)可知由于Vo/IO不变,占空比不变,故Vo/Vin不变。
输出电压随占空比变化的数据如下表格29-3所示。
表格29-3输出电压随占空比变化的数据
负载为250Ω,输入电压Vin=100V
占空比
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
83
58
0.263
0.166
0.139
0.119
0.095
0.317
0.281
0.196
0.166
29.594
19.078
16.017
13.416
10.622
26.311
16.603
13.885
11.852
9.512
3.283
2.475
2.132
1.564
1.110
理论输出电压/V
70
60
40
从上表格可以看出输出电压与输入电压的比值基本上等于占空比D;
这是因为
,于是该电路工作在连续电流模式下,在此模式下输出电压与输入电压的比值就为占空比D,而输入功率与输出功率的差值随着输入电压的增大而增大的原因与前面相同。
2.闭环时
占空比波形数据如下所示,
a.输入电压为120Vb.输入电压为80V
图28-3闭环时的PWM波形
表格29-4电流连续模式下的数据
负载为250Ω,输出电压Vout=56V
输入电压Vout/V
0.136
0.142
0.15
0.159
0.172
0.21
16.320
15.620
15.000
14.310
13.760
11.76
4.560
3.860
3.240
2.550
2.000
从上表格可以看出输出电压保持恒定,不随输入电压的变化而变化,尽管
,电路工作在连续电流模式下。
这是因为当输入电压变大时,反馈电压也会变大,从而驱动电路输出的PWM的占空比变小,使输出电压不变,当输入电压变小时,反馈电压会减小,使驱动电路输出额PWM波占空比变大,使输出电压保持不变。
由于输出功率保持不变,故输入电流将随输入电压的减小而变大。
而输入功率与输出功率的差值随着输入电压的增大而增大的原因与前面相同。
电流断流模式时的数据如下表格29-5所示。
表格29-5电流连续模式下的数据
负载为1250Ω,输出电压Vout=56V
0.043
0.046
5.160
4.730
4.300
3.870
3.440
2.576
2.584
2.154
1.294
0.864
,电路工作在电流断流模式下。
与上电流连续模式相同,输出电压不随输入电压的变化而变化,输入功率与输出功率的差值随着输入电压的增大而增大。
六、实验思考题
1.BUCK电路中的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?
实验如何保证电流连续?
电感电流连续时,电压变比与占空比相同;
电感电流断流时,电压变比大于占空比。
由
可知,临界电流的大小与负载电流大小的关系会影响电流连续,即VO、D、L、fS及负载大小会影响电流连续。
可以通过增大开关频率以及使用较大的电感来保证电流连续。
2.Buck电路中L和C的设计应满足什么原则?
L的设计是依据公式
,即保证电流连续。
而C的设计依据的是公式
,即保证输出电压的脉动量符合要求。
3.实验电路中,开关管的驱动电路的要求有哪些?
本实验电路的开关管为三极管。
驱动电路的要求为:
(1)控制电路和驱动电路之间要有良好的电气隔离,使得主电路的高电压大电流不会对控制电路产生电磁干扰。
(2)开通时有较高的强触发,以减短开通时间。
(3)开通后基极电流要适当减小,以减小通态时基射结损耗,同时使得三极管不至于过饱和导通。
(4)关断时施加反向脉冲电流,缩短关断时间。
(5)断态时最好施加反向基射电流,增加晶体管阻断电压的能力。
4.传感器的选取原则有哪些?
开环实验和闭环电路中分别需要接入哪些传感器?
为什么?
传感器的选取原则是在符合要求的前提下尽量使用灵敏度高、线性度好、精度高而且价格低廉的传感器。
开环实验需要接入电流霍尔传感器而测量输入与输出电流;
而闭环实验需要接入电流与电压霍尔传感器,电流霍尔传感器用来测输入与输出电流,而电压霍尔传感器用来反馈输出电压,构成闭环控制。
这次试验让我对DC/DC降压变换电路的开环控制与闭环控制有了更深刻地了解。
同时我也逐渐站在一个设计者的角度来设计电路的参数而不是通过经验主义去试探,然后得到参数的大小。
其次,这次试验提高了我做好一个实验的能力。
以前的实验都有步骤可循,而这次实验的实验目的与步骤都需要自己来设计,在设计过程中不仅要严谨而且要能更好地为实现实验目而服务。
因此这次DC/DC降压变换电路,我设计了探究开环、闭环下电流连续与断续工作情况下的Buck电路工作状况,并通过有条不紊的步骤达到目的。
1.了解相控整流的基本原理,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.观察输出直流和输入交流的波形并掌握滤波器的设计方法。
晶闸管的控制角和整流电路的负载性质会影响整流电路输出直流电压大小。
对于电阻型负载,其控制角α的范围为(0,120O)。
当α∈(0O,60O)时,输出电流连续,输出电压平均值可以用下面公式计算
(30-1)
当α∈(60O,120O)时,输出电流断流,输出电压不能用上面公式(30-1)计算。
当输出负载为阻感性负载时,若输出电流连续时,输出电压的计算公式认可采用上面公式(30-1),当输出电流断流时,输出电压不能用上面公式(30-1)计算。
三相桥式相控整流电路的主电路原理图如下图30-1所示。
图30-1三相桥式相控整流电路主电路原理图
实验过程中保持输入相电压的有效值为25V。
1.负载为电阻,R=200Ω
按照原理图接好主电路,在负载侧接入200Ω的电阻,然后在输入侧A相中串接一霍尔电流传感器,根据公式(30-1)可以计算输出电压平均值最大为
,此时可以得到输出电流平均值为
,因此输入侧电流不会超过1A,故电流霍尔传感器选用“+”、“5匝”两个端子。
将示波器的CH1经“*10”探头以后接整流输出负载,CH2接霍尔传感器的“Out”端。
旋转指针式电位器改变相控角α,记录不同α下的示波器的波形图,并根据波形判断相控角α与旋转指针式电位器读数之间的关系。
2.负载为电阻和电感,R=200Ω,L=133mH
将负载电阻换成阻感性负载,其中R=200Ω,L=133mH并在输出负载两端接一电压表。
重复上述步骤,由于上面的实验已经找到了相控角α与旋转指针式电位器读数之间的关系,因此可以通过读旋转指针式的值来得到相应的相控角,记录不同α下的示波器的波形图以及输出电压平均值的大小。
不同波形所对应的相控角α见下图30-2。
a.相控角α=0Ob.相控角α=30O
c.相控角α=60Ob.相控角α=90O
图30-2负载为纯阻性
相控角α与旋转指针式电位器读数之间的关系见下表30-1。
表格30-1相控角α与旋转指针式电位器读数之间的关系
相控角/°
30
电阻值/欧姆
7.55
6.00
4.58
2.31
阻感性负载时,不同相控角α所对应的波形图见下图30-2。
相控角α与输出电压平均值之间的关系见下表30-1。
表格30-2相控角α与输出电压平均值之间的关系
负载为阻感性R=200Ω,L=133mH
相控角α/°
测量Vo值/V
54
36
4
理论Vo值/V
58.48
50.64
29.24
相对误差/%
4.24
6.64
23.12
3.实验数据分析
根据上面的波形图可以得到,对于电阻性负载,当相控角当α∈(0O,60O)时,输出电流连续,因此输出电压的波形也是连续的,而某一相的输入电流则正负脉冲波形,其脉宽均为120O,而且波形形状与对应的输出电压波形相同;
当相控角α∈(60O,120O)时,输出电流会断流,因此输出电压也是断续的,输入电流虽然波形与对应的输出电压相同,但是其脉宽将小于120O;
当相控角α=60O时,对应的是临界连续情况,此时输出电压与输出电流均是连续的,但是最小值为0,而输入电流脉波宽度恰好为120O。
对于电阻、电感性负载,由于电感的存在,其输出电流是否连续不仅取决于相控角,而且还与
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