华科电力电子实验报告Word文档格式.docx
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五、DC/DCPWM升降压变换电路(cuk变换器)设计·
20
六、实验结论·
24
七、心得与自我评价·
八、参考文献·
25
一、PWM信号的生产和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的设计方法;
2.掌握控制电路调试方法,了解其他PWM控制芯片的原理及设计原则。
二、实验内容
1.了解基于PWM芯片的控制电路的工作原理;
2.验证该控制电路的反馈电压调节脉宽功能,软启动功能,死区控制功能等。
三、实验步骤和数据分析
1、PWM脉宽调节:
软启动后,在V1端口施加电压作为反馈信号Vf,给定信号Vg=2.5v,改变V1端口电压大小,即可改变V3,从而改变输出信号的脉宽。
V3越大,K越大,C=J+K越大,脉宽越小;
反之脉宽越大。
记录不同V1下的输出波形并与预计实验结果比较。
不同V1下的输出PWM波形如图1-1所示,
图1-1(a)、V1=2.40V时输出PWM波形
图1-1(b)、V1=2.44V时输出PWM波形
图1-1(c)、V1=2.49V时输出PWM波形
通过比较不同V1时的PWM波形可以看出,反馈电压V1越大,输出的PWM占空比越小。
2、为防止变换器启动时较大的冲击电流,控制芯片TL494和其他控制芯片相似也采用了软启动。
在启动时,为防止变换器冲击电流的出现,驱动脉宽应从零开始增大,逐渐变宽到工作所需宽度。
本实验中此功能由脉冲封锁端口电位的逐渐开放来实现,电位又打逐渐变小,便可实现软启动。
为对控制芯片的该控制过程有更明确和清晰的认识,我们可以观察芯片启动过程中“启动和保护端口4”(TP3)的电压波形变化并与实验前预测进行比较。
软起动时4号引脚的电位变化如图1-2所示,
图1-2(a)、JP2连接1,2时的软启动波形
图1-2(b)、JP2连接3,4时的软启动波形
由图1-2可以看出,在软启动的过程中,4号脚的电位V4是缓慢下降的,使得开放的脉冲宽度从零开始增大。
下降的速度与RC电路的充电速度有关,JP2分别连接1,2和3,4时,由于电阻值的不同,使得软启动的速度不同,也使得V4的稳态值不同,从而改变了死区时间。
3、死区时间测量:
使反馈电压为零,即V3=0,则K=0,将JP2连接5和6,调节V4电位,观察并记录PWM输出波形,并测量死区时间。
观察死区时间的PWM波形如图1-3所示,
图1-3、死区时间
测量得死区时间td=9μs。
且调节电位器使V4越大,死区时间越长。
二、DC/DC-PWM升压、降压变换电路性能研究
1、验证、研究DC/DC
PWM升、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、设计原则;
3、了解电压/电流传感器的选用原则,建立驱动电路的概念和要求;
4、掌握反馈环节与滤波电路的概念和设计原则。
1、了解熟悉BUCK变换器个环节之间的信号幅值和功率关系,正确地设计并连接、调试;
2、占空比与电流连续方面的研究,对应的个参数设计、实验验证;
3、控制器设计研究:
开环特性、闭环特性、反馈环节的设计与选用。
1、电感和滤波电容的计算。
选取开关频率f=10kHz,80V≤Vs≤100V,则0.417≤D≤0.625。
由临界连续电流表达式
则
取L=10mH,则0.094A≤
≤0.1458A,343Ω≤R≤533Ω,即R<343Ω时,负载电流一定连续,故取R=250Ω。
取纹波系数
则滤波电容
取C=100μF。
2、研究降压变换器的开环特性。
①、固定占空比D、负载电阻RL不变,研究输出电压Vo与输入电压Vi的关系;
在D=0.5,RL=250Ω时测得Vo与Vi的关系如表2-1所示,
表2-1、固定D、RL时,Vo与Vi的关系
Vi/V
80
85
90
95
100
105
110
115
120
Vo/V
32
35
41
43
45
46
49
50
54
变压比M
0.4
0.412
0.456
0.453
0.45
0.438
0.445
0.435
由实验数据可以看出,当输入电压Vi改变时,输出电压Vo与其保持线性变化,变压比M=
=D。
②、固定占空比D、输入电压Vi不变,研究输出电压Vo与负载电阻RL的关系;
在D=0.5,Vi=100V时测得Vo与RL的关系如表2-2所示,
表2-2、表2-1、固定D、Vi时,Vo与RL的关系
RL/Ω
500
250
200
58
42
0.58
0.42
由实验数据可以看出,当负载电阻RL较小时,输出电压Vo基本不变,此时输出电流连续,变压比M=D;
当负载电阻RL增大时,输出电流变小,当小于临界连续电流IOB时,电流断续,此时输出电压升高,M>
D。
③、固定负载电阻RL、输入电压Vi不变,研究输出电压Vo与占空比D的关系;
在Vi=100V,RL=250Ω时测得Vo与D的关系如表2-3所示,
表2-3、固定Vi、RL时,Vo与D的关系
占空比D
0.50
0.43
0.30
0.24
28
0.32
0.28
由于负载电阻RL=250Ω可以保证负载电流连续,所以当改变占空比D时,输出电压随之变化,变化过程中保持变压比M=
三、三相桥式相控整流电路性能研究
1、了解晶闸管相控整流的移相调控原理和方法,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,了解相控整流功率因数普遍低下的共病。
3、滤波器设计。
二、实验步骤和数据分析
1、输出接阻性负载,观察不同控制角α时的输出电压电流波形。
输入线电压V1=45V,负载电阻R=200Ω时,输出电压电流波形随控制角α的变化关系如图3-1所示,
图3-1(a1)、α=0°
时输出电压波形
图3-1(a2)、α=0°
时输出电流波形
图3-1(b1)、α=30°
图3-1(b2)、α=30°
图3-1(c1)、α=60°
图3-1(c2)、α=60°
图3-1(d1)、α=90°
图3-1(d2)、α=90°
2、输出接阻感性负载,观察不同控制角α时的输出电压电流波形。
输入线电压V1=45V,负载R=200Ω、L=133mH时,输出电压电流波形随控制角α的变化关系如图3-1所示,
图3-2(a1)、α=0°
图3-2(a2)、α=0°
图3-2(b1)、α=30°
图3-2(b2)、α=30°
图3-2(c1)、α=60°
图3-2(c2)、α=60°
图3-2(d1)、α=90°
图3-2(d2)、α=90°
输出接电阻负载和阻感性负载时输出电压Ud随控制角α的变化如表3-1所示,
表3-1、输出电压Ud随控制角α的变化
α
30
60
电阻性负载Ud/V
59.3
51.7
33.9
6.98
阻感性负载Ud/V
59.7
50.7
32.4
3.87
1.35V1cosα/V
60.75
52.61
30.375
分析图3-1、图3-2和表3-1中的波形和数据可以得出以下结论:
①、三相桥式相控整流电路输出接电阻负载,当控制角α>
60°
时,Ud断续,此时输出电压Ud<
1.35V1cosα;
②、三相桥式相控整流电路输出接阻感性负载,Ud=1.35V1cosα始终连续,且当α>
时,Ud的波形中出现负值成分,直至α>
90°
以后,Ud<
0。
四、DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究
1、验证SPWM逆变电路的基本工作原理,并进一步掌握SPWM信号形成电路的设计方法;
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。
1、验证SPWM逆变电路的基本工作原理;
2、掌握逆变电路输出电压幅值与频率的控制方法;
3、设计滤波器。
1、接好控制电路和对应的电源,顺序观察控制电路三角波Vtri和正弦波Vsin的波形。
Vp-p=8.00V,f=4.717kHz的三角波Vtri波形如图4-1所示,
图4-1、三角波Vtri波形
Vp-p=4.96V,f=50Hz的正弦波Vsin波形如图4-2所示,
图4-2、正弦波Vsin波形
2、观察测量控制电路输出驱动波形的死去时间,如图4-3所示,
图4-3、驱动波形的死区时间
测量得死区时间td=12.4μs。
3、合上主电路的总电源开关,逆变器工作,用示波器记录逆变后的SPWM波形,如图4-4所示,
图4-4、逆变后的SPWM波形
4、设计滤波器参数:
当fr=50Hz,fc=5kHz时,调制比N=100,则最低次谐波频率为f100=Nfr=5kHz,滤波器的截止频率要求f<
<
5kHz,取L=266mH,C=0.1μF,此时截止频率f=975Hz。
经滤波后的输出电压波形如图4-5所示,
图4-5、滤波后的输出波形
比较图4-4和图4-5可知,经SPWM逆变输出的波形含有较多的谐波成分,但谐波次数较高,最低谐波为100次,故经过简单的LC滤波后,便可得到谐波成分很少的正弦波形。
5、改变正弦波的幅值Vr,即改变调制比M=Vr/Vc,记录输出电压幅值V1m随Vr的变化。
在输入直流电压Ud=16V,三角波幅值Vc=4V时,输出电压幅值V1m随调制比M的变化如表4-1所示,
表4-1、输出电压随调制比M的变化
Vr/V
2.5
3
3.3
3.6
4
调制比M
0.625
0.75
0.825
0.9
V1m/V
9.2
10.6
12.3
13.7
15.9
由表4-1可知,当调制比M变化时,单相桥式SPWM逆变电路输出电压基波幅值V1m保持V1m=M*Ud线性变化,故通过改变正弦波的幅值Vr,即改变调制比M,便可控制逆变输出交流电压的大小。
6、改变正弦波的频率fr,记录输出电压基波频率f1的变化如表4-2所示,
表4-2、输出电压频率随正弦调制波频率fr的变化
fr/Hz
60.20
70.03
80.13
90.25
f1/Hz
50.40
60.10
由表4-2可知,SPWM逆变电路输出电压的基波频率f1与正弦调制波的频率fr相同,故控制正弦调制波的频率就能控制输出电压的频率。
五、DC/DCPWM升降压变换电路(cuk变换器)设计
一、实验设计
1、控制电路设计。
本次试验采用TL494芯片进行PWM控制。
①、开关频率
设置开关频率fs=20kHz,通过TL494的5号引脚与6号引脚外接的RT、CT振荡生成三角波Vtri,在双极性PWM调制中,其频率即为开关频率。
选择CT=10nF(103),RT=5.5kΩ(5.1kΩ定值电阻+1kΩ可变电阻),如图5-1所示,
图5-1、三角波产生部分
②、给定电压V*和软启动
给定电压V*由2号脚引入,软启动由4号脚控制,接法如图5-2所示,
通过调节2号脚上方的电位器,可以使V*在2.5V~5V的范围内变化,对应的cuk电路输出电压为50V~100V。
当芯片不需要工作时,4号脚上方的开关S闭合,限制了PWM波的输出;
断开S,通过电容的充电,V4从5V下降至约0.7V,使PWM的占空比逐渐增大,从而实现了软启动的保护功能,同时也限制了死区时间。
图5-2、给定电压和软启动部分
2、反馈电路设计
①、霍尔电压传感器
当cuk电路的输出电压为50V时,反馈到1号脚的的反馈电压V1=2.5V。
选择霍尔传感器一次侧的限流电阻为150kΩ,由于其变流比为25:
10,则二次侧的采样电阻为:
②、滤波电路
开关频率fs=10kHz,故输出电压中最低次谐波频率为20kHz。
使用一阶RC低通滤波器,其截止频率应满足:
选择R1=10kΩ,C1=10-7F(104),截止频率为fc=159Hz,滤波器的传递函数为:
③、PI环节
PI环节主要起到误差放大的作用,其电路参数如图5-3所示(含RC滤波电路),
图5-4、滤波电路和PI环节
电阻R3的作用是将PI环节的极点从零点引向负实轴,从而保证了整个系统的稳定性,但却会使系统的阶跃响应存在稳态误差。
整体的传递函数为:
整个控制电路的实物照片如图5-5所示,
图5-5、控制电路的实物照片
1、连接cuk主电路,将控制电路的输出PWM信号接至开关管的驱动,控制电路的反馈电压V1接2.5V,调节2号脚的电位器,改变2号脚的电位,即给定电压V*,测试cuk电路的开环特性,如表5-1所示(输入电压Vs=50V),
表5-1、cuk电路的开环特性
0.38
0.5
0.64
输出电压Vo
87
Vs
30.65
88.89
由表5-1可知,cuk电路在开环控制时,其变压比为
2、将cuk电路输出电压经霍尔传感器接至控制电路的反馈电压处,构成闭环控制的cuk电路,调节2号脚电位器,改变给定电压V*,使输出电压Vo=50V,测试闭环特性。
①、负载电阻R=250Ω,改变输入电压Vs,测量输出电压Vo如表5-2所示,
表5-2.改变输入电压时的闭环特性
输入电压Vs/V
51.84
40.12
45.34
55.16
59.92
输出电压Vo/V
50.04
50.16
50.38
50.43
②、输入电压Vs=50V,改变负载电阻R,测量输出电压Vo如表5-3所示,
表5-3、改变负载电阻时的闭环特性
负载电阻R/Ω
1000
1250
1500
1750
50.01
49.99
50.02
50.06
由表5-2和表5-3可以看出,对cuk电路进行闭环控制后,只要保持给定电压V*不变,输出电压Vo便不受其他因素的影响,保持50V不变。
实验中出现的最大电压波动:
三、实验方案不足与改进
本实验方案存在以下几点不足之处:
1、输出电压变化范围有限,由于2号脚电位的变化范围为2.5V~5V,所以输出电压只能在50V~100V范围内调节(实际范围更小);
2、在PI参数设计过程中,为了提高系统的稳定性,在传递函数上进行了改进,但后果是时整个系统出现了稳态误差;
3、反馈电路中,滤波器和PI的参数都是固定的,不能根据实际情况调节,故响应速度和超调量等性能不能得到优化。
对于以上不足之处,我们希望下一步能在控制方法上进行改进,不再使用TL494芯片进行模拟电路控制,而是采用单片机对cuk电路进行数字控制,在控制精度、速度和参数的调节优化等方面都有很大的优势。
六、实验结论
在“PWM信号的生成和PWM控制的实现”实验中,我们掌握了利用TL494芯片产生PWM波的原理,即将反馈电压V1与给定电压V2的差值V3放大,然后与固定频率、幅值的三角波进行比较,产生占空比一定的PWM波。
当反馈电压V1增大时,差值V3增大,从而使占空比D减小,这样便对输出电压进行了PWM控制。
另外,TL494芯片还具有死区控制和软启动的功能,通过4号脚的电位V4来实现。
死区时间的存在,使开关管的占空比最大值<1,从而避免了开关直通,V4越大,死区时间越长。
软启动则是在电路启动工作时,通过电容的充电,使V4从高电平缓慢下降,逐渐开放占空比,避免了较大的冲击电流;
在“DC/DC–PWM升压、降压变换电路性能研究”实验中,我们主要测试了BUCK电路的开环特性,包括输出电压Vo随输入电压Vs的变化、随占空比D的变化以及随负载电阻的变化。
当输出电流连续时,Vo与Vs、D之间的关系为M=Vo/Vs=D,不受负载电阻的影响。
但是当负载电阻不断增大,使输出电流当小于临界连续电流IOB时,电流断续,此时输出电压升高,M>
D;
在“三相桥式相控整流电路性能研究”实验中,我们观测并记录了三相桥式相控整流电路在电阻负载和阻感负载时的电压电流波形。
电阻负载时,若α≤60°
,输出电压连续,且满足Ud=1.35V1cosα,若α>60°
,输出电压出现断续,Ud平均值减小。
阻感负载时,输出电压始终连续,且满足Ud=1.35V1cosα,当α>60°
以后,输出电压波形中出现了负值的成分,使Ud平均值减小,当α=90°
时,Ud=0;
在“DC/AC单相桥式SPWM逆变电路性能研究”实验中,我们掌握了双极性SPWM调制的原理,即通过参考正弦波Vsin和载波三角波Vtri比较大小产生开关管的控制信号,利用了冲量等效原理,使逆变电路输出的多脉冲电压与正弦电压等效。
我们用示波器观测SPWM逆变输出的电压波形,发现谐波含量很大,使波形畸变严重,但由于都是高次谐波(100次及以上),所以经过简单的LC滤波后便得到了标准的正弦波。
另外,我们还验证得出,输出电压的基波幅值V1与调制比M=Vr/Vc呈线性关系变化,所以调节参考正弦波的幅值Vc就能调节输出电压的幅值。
输出电压的基波频率f1与参考正弦波的频率fr相等,所以调节fr就能调节输出电压的频率。
在“DC/DCPWM升降压变换电路(cuk变换器)设计”实验中,我们在实验二十八的基础上,对利用TL494芯片进行PWM控制的原理进行了进一步的研究,包括给定电压部分、软启动部分、反馈电压的引入、PI参数的设计以及霍尔传感器的使用,从而使用芯片对cuk变换电路进行闭关控制。
闭关控制的思想是,利用霍尔传感器和一阶RC滤波电路将cuk电路的输出电压引入控制芯片的反馈输入端,与给定电压比较,通过PI环节进行误差放大,最后利用TL494芯片自身的占空比调节功能,使输出电压稳定在设定值。
在实验室测试了cuk变换器的闭环性能,当输入电压和负载电阻变化时,输出电压基本保持50V不变,出现的最大电压波动只有0.86%,满足了稳压要求。
七、心得与自我评价
前四个验证性实验相对比较简单,由于事先做好了预习工作,对电力电子学的内容进行了复习与巩固,实验过程较为顺利,实验结果基本与原理相符。
在设计性实验中,由于TL494芯片的PWM控制是一个陌生的内容,而且之前也没有选修单片机的相关课程,所以整个实验过程必须从零开始。
先是对实验二十八的内容进行了复习和更深入的学习,把附录4中的那幅电路图分析和计算了许多遍,之后又向同学和老师请教了有关驱动、反馈和PI参数方面的知识,这才对整个实验电路有了明确的设计。
利用周末的时间,在电工基地焊接了实验班,边焊电路边测试是个良好的习惯,可以保证不会出现各种错综复杂的接线错误。
正是事先充分的准备设计和周密的分析考虑,正式实验时不到一个小时便完成了任务。
在实验报告的撰写过程中,每一个波形、每一组数据所能验证的原理,我都认真分析,不过由于是实验结束很久之后才写实验报告,我对实验的内容和任务都有些忘却,所以基本上每一个实验都还需要重新复习一遍。
我认为这种情况完全可以避免,每一个实验结束后,立即进行数据处理和分析,这应该是一个合格的实验者的基本素质。
这更让我体会到,一次完整的实验,从预习设计、到动手实验、再到最后的处理分析,每一步都必须严谨细心,才能保证实验的成功,得到正确的结论。
八、参考文献
【1】信号与控制综合实验教程.熊蕊.华中科技大学出版社.2005
【2】电力电子学——电力电子变换和控制技术.陈坚康勇.高等教育出版社.2011
【3】电子技术基础(模拟部分).高等教育出版社.2006
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