正弦逆变电路实验&开关电源实验报告.doc

1、清华大学 电力电子技术基础实验报告 1 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512正弦逆变电路实验开关电源实验实验报告班级：自 96学号：2009011512姓名：胡沛弦同组同学：白冰2011 年 12 月 13 日清华大学 电力电子技术基础实验报告 2 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512Experiment 2 正弦逆变电路实验【实验目的】掌握单相正弦逆变电路的组成和工作原理，熟悉桥式 SPWM 逆变电路主电路中各元器件的作用。对正弦逆变电路在电阻负载时的工作情况及其波形作全面分析，研究电路参数和开关频率对电路工作波形和性能的影响。【实验内

2、容】1、 单相正弦逆变电路的搭建；2、 测量 IGBT 驱动信号和主电路各点的工作波形，分析电路的工作原理；3、 在阻性负载下观测逆变电路在不同输出频率和幅度时的波形和输出正弦电压有效值；4、 分析电路参数和开关频率的变化对逆变电路工作性能的影响；5、 电流测量（选做） 。【实验设备与仪器】1、 电力电子与运动控制教学实验平台；2、 示波器及高压隔离探头；3、 万用表。【实验电路的组成】1、 直流供电电源的构成正弦逆变电路实验用的直流电源电路与实验一中采用的主电路相似，原理图见图 2-1。模块 MC0101C 为输入变压器模块，其中 L1、L2 和 L3 为三相电源进线端，接三相 380V 市

3、电（实验装置中已连接好） 。将标有 2U3 和 2W3 的端口分别与 2V3 端用 U 型短接桥连接，构成变压器副边星形输出。选取 2U1、2V1 和 2W1三端与整流模块 MC0308 的输入端分别相连，此时的变压器输出相电压约为90V（15V+75V） 。将滤波模块 MC0601 与整流模块 MC0308 用 U 型短接桥连接组成整流滤波电路。用 U 型短接桥连接滤波模块 MC0601 上的滤波电容。整流滤波电清华大学 电力电子技术基础实验报告 3 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512路的输出端作为逆变电路主电路的供电电源。该直流供电电源的输出电压 Ud 在空载

4、时约为 220V。接通输入变压器模块 MC0101C 上的主电路电源开关，用万用表测量并确认滤波模块 MC0601 上的输出直流电压。若测量结果距直流 220V 相差较大，严禁继续往下做实验。注意：在实验过程中始终用输入变压器模块 MC0101C 上的开关控制主电路的通断。开关在“I”位置时主电路接通，开关在“O”位置时主电路断开。2、 控制电路的构成及功能选择驱动控制单元 MC0510 以单片机和 IGBT 驱动芯片为核心构成，为 IGBT 模块MC2018 提供控制信号。此实验中选择在“正弦逆变”工作模式下运行。正弦逆变电路的原理图见图 2-2。将直流电源模块 MC0201D 上的15V、

5、0V和15V 用 U 型短接桥分别与驱动控制单元 MC0510 上的 15V、0V 和15V 端口清华大学 电力电子技术基础实验报告 4 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512连接好，调节 MC0510 单元上方左侧的“开关频率选择”旋钮可设定驱动信号的开关频率；调节右侧的“工作方式选择”旋钮可选定工作方式。在本实验中将“工作方式选择” 旋钮旋转到“ 正弦逆变”档。当控制电路通电后，对应的“ 正弦逆变”红色指示灯将点亮。注意：如果用 U 型短接桥将驱动控制单元 MC0510 左侧下方的“ 禁止”端口短接，则 MC0510 单元上的“ 故障”指示灯点亮并发出蜂鸣的报警信

6、号，同时关闭所有驱动输出，用此功能实现对实验电路的保护。只有重新上电后控制电路才能恢复工作。3、 桥式逆变电路的构成直流电压的逆变输出由 IGBT 模块 MC2018 实现。将 MC0510 单元的 G1 和E1、 G2 和 E2、G3 和 E3 以及 G4 和 E4 共 4 组 IGBT 驱动信号用合适长度的导线分别连接到 IGBT 模块 MC2018 上相应的 G1 和 E1、G2 和 E2、G3 和 E3 以及 G4 和E4。注意信号连接的对应关系。将 MC2018 模块上的 4 组 IGBT 单元 VT1、VT2、VT3 和 VT4 按照图 2-2 所示的连线方式连接，注意将 VT1

7、和 VT2 上下串联为一组桥臂， VT3 和 VT4 上下串联为一组桥臂，两组桥臂再并联连接(缓冲电路已在模块内部连接好 )。在确认电路已断电且 Ud 为零后，将直流电压 Ud（图 2-1 中滤波器模块MC0601 的“+” 、 “-”输出端）分别对应地连接到 IGBT 模块 MC2018 的直流电源电压Ud 的 “+”、 “-”输入端。注意：切勿接错电源极性。4、 高频滤波电路及负载的构成将 IGBT 模块 MC2018 上的输出与高频滤波模块 MC0612 上的电感和电容连接好，参见图 2-2。其中两个电感的电感值各为 2mH，电容用两个 2.2uF 的电容并联。负载使用模块 MC1093

8、E 上的 3 个灯泡（额定电压 220V、额定功率 90W） 。【实验内容及步骤】1、 正弦逆变电路基本功能的验证将 MC0510 单元上的“ 输出幅度”旋钮回零，保证通电后的输出电压最小。选择开关频率为 15 千周。接通控制回路电源，观察“正弦逆变” 工作指示灯是否正确点亮。确认正常后，接通主电路电源。按下 MC0510 单元上的红色“ 运行/ 停止” 按钮，“运行 ”指示灯点亮，此时驱动信号送出，实验电路开始工作。调节“输出幅度” 旋钮（改变调制度） ，观察负载灯泡亮度的变化情况；调节“输出频率 ”旋钮，观察负载灯泡上输出正弦波频率的变化范围。在输出频率为 50Hz 时，观测输出正弦波上叠

9、加的高频谐波分量的幅值和频率。清华大学 电力电子技术基础实验报告 5 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 20090115122、 滤波器参数对电路工作性能的影响将 MC0612 模块上的 3 个电容并联，按照步骤（1）的方式，观察负载输出正弦电压平滑度的变化情况，与步骤（1）所测的输出波形对比高频谐波幅值的大小并给出结论。或者仅去掉一个高频电感（另一个电感必须按图 2-2 正确连接） ，重复上述内容。本步骤结束后按图 2-2 和实验初始参数恢复原先的接线。3、 实验电路中工作波形的测量将输出正弦波频率调整为 55Hz，分别将输出电压有效值调整为 0V、55V 和110V，观测 IGB

10、T 驱动信号、 IGBT 模块 MC2018 的“H 桥”输出端、MC0612 模块上的高频电感两端以及输出正弦电压的波形。观察 SPWM 波形最大 /最小占空比的变化，分析逆变电路的工作原理及高频滤波电感电容的作用。观察并分析在一个正弦输出周期内 SPWM 波形的变化规律（可与驱动信号做对比） 。4、 开关频率对电路工作性能和噪声的影响注意：调整“开关频率选择” 旋钮一定要在断电的情况下进行。将输出正弦波频率调整为 50Hz，将“ 输出幅度”旋钮从 0 逐渐右旋至最大。将开关频率分别设置为 10 千周和 20 千周。用万用表分别测量正弦输出电压的最大有效值 Uomax 和此时的主电路直流电压

11、 Ud，观察开关频率对输出正弦波形的平滑度、失真度和高频谐波频率的影响，分辨实验装置发出的噪声大小。将测试结果填入表 2-1。表 2-1 逆变电路测试结果开关频率 10 千周 20 千周Uomax(V)Ud(V)波形平滑程度波形失真程度高频谐波频率噪声情况5、 电流测量（选做）若要观测电路中任一处的电流波形，方法如下：使用 MC0512 模块上的霍尔电流传感器单元，将该模块的15V、0V 和15V 端用导线分别对应地与直流电源模块 MC0201D 上的15V 、0V 和15V 端口连接好。将待测电流回路串联接入到MC0512 模块上霍尔电流传感器右侧“被测电流”的“”和“ ” 两个输入端，接通

12、电源后，测量该路霍尔电流传感器左侧“输出电压”端口的电压值，或用示波器观测该点波形，根据该模块上标注的换算关系 0.4V/1A 进行计算，得到该回路的电流值或波形。接线关系见实验一中的图 1-8。清华大学 电力电子技术基础实验报告 6 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512【实验注意事项】1、 线路连接完毕以后要认真检查，待确认无误后方可通电和做实验。2、 注意电路的通电和断电顺序：通电时要先接通控制回路，然后再接通主回路；断电时先切断主回路，然后再切断控制回路。3、 当需要改变电路接线、改变电路的开关频率或负载大小时，一定要先关断电路的电源，然后再进行操作。4、 由

13、于主电路电压较高，在实验装置停机后务必使用放电电阻对主电路的直流电压放电，然后再改变接线，以保障人身和实验装置的安全。5、 严禁在电路空载（负载开路）的情况下通电做实验。6、 实验指导书中标注“选做”的项目内容属于研究型实验，供有兴趣的同学在完成了全部基本实验内容以后，在时间允许的情况下选做。7、 在测量电压较高的信号时，应使用带有隔离的高压示波器探头，一般选择衰减倍数为 X100。注意高压探头自身需要供电电源。8、 当发现实验装置工作不正常时，应切断电源，保持现场，认真检查原因，排除故障后再继续进行实验。【实验报告】1、 绘制 SPWM 逆变实验电路的主电路原理图，结合测试波形分析其工作原理

14、。2、 根据表 2-1 的测试结果，总结开关频率的变化对逆变电路工作性能（含Uomax/Ud、波形平滑程度、波形失真程度、高频谐波幅值和频率以及噪声等）的影响，分析其原因。3、 分析电路滤波参数的变化对负载输出波形的影响。4、 分析改变调制度和输出频率对输出波形有效值和频率的影响。5、 说明为使输出波形尽可能接近正弦波可以采取的措施。6、 写出实验的心得和体会，以及对实验的改进意见或其他建议。【实验内容】1. 正弦逆变电路基本功能验证：连接完电路后测试输出电压，波形如下：调节输出幅度旋钮，灯泡亮度随之变化。调节输出频率旋钮，输出波形的频率也随之变化，测得最高频率为 65.9Hz，最低频率为 4

15、5.7Hz。同时大约读出在输出频率为 50Hz 的情况下，波形叠加的高频分量幅值为 40mV，频率约为 14.7kHz。清华大学 电力电子技术基础实验报告 7 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512频率为 50Hz 的输出波形 高频分量波形 波形的平滑度2. 滤波器参数对电路工作性能的影响：将 MC0612 模块上的 3 个电容并联，同样在输出频率 50Hz 的情况下得到输出波形、高频分量和波形平滑度如下：频率为 50Hz 的输出波形 高频分量波形 波形的平滑度测得此时高频分量的幅值约为 30mV，小于两个电容并联时的 40mV。所以可见滤波器的低通性能越好，得到的正

16、弦波的平滑程度越好。3. 实验电路中工作波形的测量：将输出正弦波频率调整为 55Hz，分别将输出电压有效值调整为 0V、55V 和 110V，观测 IGBT 驱动信号、IGBT 模块 MC2018 的“H 桥”输出端、MC0612 模块上的高频电感两端以及输出正弦电压的波形。观察 SPWM 波形最大 /最小占空比的变化，分析逆变电路的工作原理及高频滤波电感电容的作用。观察并分析在一个正弦输出周期内 SPWM 波形的变化规律 （可与驱动信号作对比）a) 当输出电压有效值为 0 时：IGBT 驱动信号 H 桥输出波形清华大学 电力电子技术基础实验报告 8 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦

17、 2009011512电感两段波形 输出波形b) 当输出电压有效值为 55V 时：IGBT 驱动信号 H 桥输出波形清华大学 电力电子技术基础实验报告 9 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512电感两段波形 输出波形c) 输出电压有效值为 110V 时：IGBT 驱动信号 H 桥输出波形电感两段波形 输出波形清华大学 电力电子技术基础实验报告 10 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 20090115124. 开关频率对电路工作性能和噪声的影响：将输出正弦波频率调整为 50Hz，将“输出幅度”旋钮从 0 逐渐右旋至最大。将开关频率分别设置为 10 千周、15

18、千周和 20 千周。用万用表分别测量正弦输出电压的最大有效值 Uomax 和此时的主电路直流输入电压 Ud，观察开关频率对输出正弦波形的平滑度、失真度和高频谐波频率的影响，分辨实验装置发出的噪声大小。测得数据如下表：开关频率 10 千周 20 千周Uomax(V) 138.60V 109.50VUd(V) 239.6V 243.2V高频谐波频率 10.00kHz 20.41kHz波形平滑程度波形失真程度清华大学 电力电子技术基础实验报告 11 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512噪声情况由测得的波形可知，当开关频率为 10 千周时，波形平滑程度较低，失真程度较低，噪

19、声情况比较清晰；当开关频率提高为 20 千周时，波形平滑程度相对较高，失真程度相对也较高，噪声情况比较微弱。5. 电流测量（选作）：采用霍尔元器件测得 20 千周时主电路的在最大输出电压情况下霍尔元件的电压为44.42mV，那么对应的电流约为 0.11A。【实验分析】1 绘制 SPWM 逆变实验电路的主电路原理图，结合测试波形分析其工作原理。解答：原理图如右侧（取自实验指示书）：工作原理：面积等效原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，作用效果基本相同。根据这一原理，若有一幅值不变而面积占空比变化的方波，其一个周期内的冲量与某一正弦波在同样时间内冲量相同，则可以使负载输出近似于正弦的

20、波形。这里方波的占空比由 IGBT 的驱动信号控制，而高频滤波部分则是惯性环节，最终加在负载上的波形即是需要得到的波形。同时可以知道 SPWM 原理就是通过改变方波的占空比，使得这一方波序列只含有某一较低频率的谐波分量以及开关频率对应的高频谐波分量。这样在经过 LC 低通滤波之后，高频分量被滤除，剩下的低频分量就是近似的正弦波2 总结开关频率的变化对逆变电路工作性能（含 Uomax/Ud 、波形平滑程度、波形失真程度、高频谐波幅值和频率以及噪声等）的影响，分析其原因。解答：由测试结果可知：开关频率越高，Uomax/Ud 越小，波形越平滑，波形失真程度越小，高频谐波幅值越小、频率越高，噪声越微弱

21、。清华大学 电力电子技术基础实验报告 12 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512分析原因可知，开关频率越高，开关损耗自然会上升，这可能是导致Uomax/Ud 变小的原因。由于输出波形中的高频分量频率与开关频率相等，故开关频率越高，高频分量频率越高。开关频率越高，输出波形中带有的高频谐波频率越高，这样就越容易被 LC 滤波滤除，所以波形中带有的高频谐波幅值越小，波形更加平滑。然而开关频率高时，脉宽数会变小，而由于最小脉宽的限制，更多的脉冲会被略去，波形会失真。因此从失真的角度来说，开关频率越低，波形的失真越小。3 分析电路滤波参数的变化对负载输出波形的影响。解答：首先

22、 LC 滤波电路中的 LC 越大，对于高频的滤除作用就越好，所以得到的波形就越平滑。但是与此同时 LC 若过大的话会对基波分量造成严重的影响，使得输出波形的幅值降低。综合考虑就应该选择比较合适的 LC，已得到较好的输出波形和幅值。4 分析改变调制度和输出频率对输出波形有效值和频率的影响。解答：由 SPWM 的原理可知，若调制度越高，输出波形的有效值越大。开关频率不会影响输出波形的基波频率，但是会影响到高次谐波的频率。调制采用的调制信号波形的频率即为输出波形基波频率。5 说明为使输出波形尽可能接近正弦波可以采取的措施。解答：可以采取的措施有：（1 ） 提高开关频率（2 ） 合理配置滤波器参数，提

23、高对于高频信号的滤除能力（3 ） 对死区时间与最小脉宽限制等造成的失真进行对应谐波补偿（4 ） 提高控制器件的开关速度（5 ） 提高直流电源的稳定性【实验心得体会】本次实验的过程比较复杂，预习过程中对于实验的理解就显得比较重要了。不过本次实验在课程上的理论知识还是比较清晰的，所以在实验过程中也没有遇到特别大的问题。当然了，这也得感谢一直与我作为搭档的白冰同学，两个人的合理分工使得实验进行的较快，效率较高，实验记录数据和拍照等活动都进行的非常顺利。清华大学 电力电子技术基础实验报告 13 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512Experiment 3 开关电源实验【实验

24、目的】了解脉宽调制（PWM）的作用，掌握开关电源的工作原理。观察在不同开关频率和负载时开关电源的工作状况，分析开关频率和负载大小的变化对开关电源工作性能的影响。加深对桥式变换电路工作原理及特性的理解。【实验内容】1、 开关电源电路的搭建。2、 在不同开关频率、不同占空比和不同的负载情况下，观察和测量高频变压器原副边、高频整流输出端和直流输出电压的波形变化情况。3、 在不同开关频率、不同占空比和不同的负载情况下，观测负载上输出电压的变化情况。4、 电流测量（选做） 。【实验设备与仪器】1、 电力电子与运动控制教学实验平台2、 示波器及高压隔离探头3、 万用表【实验电路的组成】1、 直流供电电源的

25、构成开关电源实验用的直流电源电路与实验二正弦逆变电路的电路相同，原理图见图 3-1。模块 MC0101C 为输入变压器模块，其中 L1、L2 和 L3 为三相电源进线端，接三相 380V 市电（实验装置中已连接好） 。将标有 2U3 和 2W3 的端口分别与 2V3端用 U 型短接桥连接，构成变压器副边星形输出。选取 2U1、2V1 和 2W1 三端与整流模块 MC0308 的输入端分别相连，此时的变压器输出相电压约为90V（15V+75V） 。将滤波模块 MC0601 与整流模块 MC0308 用 U 型短接桥连接组成整流滤波电路。用 U 型短接桥连接滤波模块 MC0601 上的滤波电容。整

26、流滤波电清华大学 电力电子技术基础实验报告 14 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512路的输出端作为逆变电路主电路的供电电源。该直流供电电源的输出电压 Ud 在空载时约为 220V。接通输入变压器模块 MC0101C 上的主电路电源开关，用万用表测量并确认滤波模块 MC0601 上的输出直流电压。若测量结果距直流 220V 相差较大，严禁继续往下做实验。注意：在实验过程中始终用输入变压器模块 MC0101C 上的开关控制主电路的通断。开关在“I”位置时主电路接通，开关在“O”位置时主电路断开。2、 控制电路的构成及功能选择驱动控制单元 MC0510 以单片机和 IG

27、BT 驱动芯片为核心构成，为 IGBT 模块MC2018 提供控制信号。此实验中选择在“开关电源”工作模式下运行。开关电源的原理图见图 3-2。将直流电源模块 MC0201D 上的15V、0V 和15V 用 U 型短接桥分别与驱动控制单元 MC0510 上的 15V、0V 和15V 端口连接好，调节 MC0510 单元上方左侧的“开关频率选择”旋钮可设定驱动信号的开关频率；调节右侧的“ 工作方式选择”旋钮可选定工作方式。在本实验中将“工作方式选清华大学 电力电子技术基础实验报告 15 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512择”旋钮旋转到“ 开关电源”档。当控制电路通电

28、后，对应的“ 开关电源”红色指示灯将点亮。注意：如果用 U 型短接桥将驱动控制单元 MC0510 左侧下方的“ 禁止”端口短接，则 MC0510 单元上的“ 故障”指示灯点亮并发出蜂鸣的报警信号，同时关闭所有驱动输出，用此功能实现对实验电路的保护。只有重新上电后控制电路才能恢复工作。3、 桥式逆变电路的构成直流电压的逆变输出由 IGBT 模块 MC2018 实现。将 MC0510 单元的 G1 和E1、 G2 和 E2、G3 和 E3 以及 G4 和 E4 共 4 组 IGBT 驱动信号用合适长度的导线分别连接到 IGBT 模块 MC2018 上相应的 G1 和 E1、G2 和 E2、G3 和

29、 E3 以及 G4 和E4。注意信号连接的对应关系。将 MC2018 模块上的 4 组 IGBT 单元 VT1、VT2、VT3 和 VT4 按照图 3-2 所示的连线方式连接，注意将 VT1 和 VT2 上下串联为一组桥臂， VT3 和 VT4 上下串联为一组桥臂，两组桥臂再并联连接(缓冲电路已在模块内部连接好 )。在确认电路已断电且 Ud 为零后，将直流电压 Ud（图 3-1 中滤波器模块MC0601 的“+” 、 “-”输出端）分别对应地连接到 IGBT 模块 MC2018 的直流电源电压Ud 的“+”、 “-”输入端。注意：切勿接错电源极性。4、 高频整流电路及负载的构成将 IGBT 模

30、块 MC2018 上的输出连接到开关电源模块 MC0611 的高频变压器输入端，并将 MC0611 模块的输出端连接到 MC1093F 模块上的 3 个灯泡（额定电压110V、最大功率 120W） 。高频变压器的原副边匝比为 4:1。【实验内容及步骤】1、 基本功能验证将 MC0510 单元上的“ 输出幅度”旋钮回零，保证通电后的输出电压最小。调节“开关频率选择 ”旋钮，选定开关频率为 15 千周。接通控制回路电源，观察MC0510 单元上的“ 开关电源”工作指示灯是否正确点亮。确认正常后再接通主电路电源。按下 MC0510 单元上的红色“运行/停机”按钮， “运行” 指示灯点亮，此时驱动信号

31、送出，实验电路开始工作。调节 MC0510 单元左侧的“ 输出幅度”旋钮，观察负载灯泡亮度和直流电源电压 Ud 的变化情况。在占空比 为 550 的条件下，测试电路参数并记录至少 5 组测试结果，将测试结果填入表 3-1 中，同时注明高频变压器输入端的波形是否变形。清华大学 电力电子技术基础实验报告 16 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512表 3-1 开关电源测试结果开关频率： 负载情况：波形情况：（是否变形）（%） Uo（V） Ud（V ） 波形情况 2、 重载和轻载情况下的波形测量在占空比 的一定范围内，通过改变并联灯泡的数量，观测并比较重载（电感电流连续，此

32、时并联接入 3 个灯泡）和轻载（电感电流断续，此时只接入一个额定功率为 40W 的灯泡）情况下波形的不同之处。用示波器观察 IGBT 驱动信号、MC0601 模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感两端及直流输出电压 Uo 的波形。分别测试和记录占空比 =25%时两种负载情况下上述各点的波形。分析被测波形和电压值发生变化的原因。3、 不同开关频率对电路工作性能的影响注意：调整“开关频率选择” 旋钮一定要在断电的情况下进行。调整“ 开关频率选择” 旋钮，将驱动信号的开关频率改变为 5 千周，重复步骤（1 ）和（2 ）中的实验内容，观测并记录“重载” 时（此时仍并联接入 3 个灯泡

33、）的实验结果。体会和分析当开关电源的开关频率降低时，即使在“重载” 的情况下也有可能出现电流不连续的现象。当改变开关频率时，注意分辨实验电路的高频噪声情况，分析产生噪声和噪声大小的原因。4、 电流测量（选做）若要观测电路中任一处的电流波形，方法如下：使用 MC0512 模块上的霍尔电流传感器单元，将该模块的15V、0V 和15V 端用导线分别对应地与直流电源模块 MC0201D 上的15V 、0V 和15V 端口连接好。将待测电流回路串联接入到MC0512 模块上霍尔电流传感器右侧“被测电流”的“”和“ ” 两个输入端，接通电源后，测量该路霍尔电流传感器左侧“输出电压”端口的电压值，或用示波器

34、观测该点波形，根据该模块上标注的换算关系 0.4V/1A 进行计算，得到该回路的电流值或波形。接线关系见实验一中的图 1-8。清华大学 电力电子技术基础实验报告 17 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512【实验注意事项】1、 线路连接完毕以后要认真检查，待确认无误后方可通电和做实验。2、 注意电路的通电和断电顺序：通电时要先接通控制回路，然后再接通主回路；断电时先切断主回路，然后再切断控制回路。3、 当需要改变电路接线、改变电路的开关频率或负载大小时，一定要先关断电路的电源，然后再进行操作。4、 由于主电路电压较高，在实验装置停机后务必使用放电电阻对主电路的直流电压

35、放电，然后再改变接线，以保障人身和实验装置的安全。5、 严禁在电路空载（负载开路）的情况下通电做实验。6、 实验指导书中标注“选做”的项目内容属于研究型实验，供有兴趣的同学在完成了全部基本实验内容以后，在时间允许的情况下选做。7、 在测量电压较高的信号时，应使用带有隔离的高压示波器探头，一般选择衰减倍数为 X100。注意高压探头自身需要供电电源。8、 当发现实验装置工作不正常时，应切断电源，保持现场，认真检查原因，排除故障后再继续进行实验。【实验报告】1、 绘制开关电源实验电路的主电路原理图并分析其工作原理。2、 根据重载时表 3-1 的记录数据，绘制 Uo/Ud- 曲线，与理想曲线进行比较，

36、分析产生差异的原因。说明占空比的变化对开关电源输出电压的影响。3、 在占空比 =25%和开关频率为 15 千周的条件下，分别绘制 IGBT 驱动信号、MC0601 模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感两端及直流输出电压 Uo 在重载和轻载时的时序波形图。分析不同负载情况下电路的工作状态。说明轻载时波形畸变的原因。4、 在占空比 =25%和开关频率为 5 千周的条件下，绘制 “重载”时上述各点的时序波形图。对比开关频率降低时电路工作波形的不同，分析其原因。说明开关频率的变化对开关电源工作性能和噪声的影响。5、 写出实验的心得和体会，以及对实验的改进意见或其他建议。【实验内容】

37、1. 基本功能验证在正确连接电路后，调节“输出幅度”旋钮，会发现灯泡亮度随之变化。开关频率选择为 15 千周，比 为 550的条件下，测试电路参数并填入下表：开关频率：15 千周 负载情况：重载 波形情况（是否变形）(%) 5.0 15.0 25.0 35.0 45.0清华大学 电力电子技术基础实验报告 18 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512Uo(V) 7.12 18.68 31.98 44.67 54.63Ud(V) 246.5 245.6 243.5 242.1 240.8波形情况 是 是 是 轻微失真 几乎不失真占空比为 5% 占空比为 15% 占空比为

38、25%占空比为 35% 占空比为 45%2. 重载和轻载条件下的波形测量：在占空比 的一定范围内， 通过改变并联灯泡的数量， 观测并比较重载 （电感电流连续，此时并联接入 3 个灯泡）和轻载（电感电流断续，此时只接入一功率为 40W 的灯泡）情况下波形的不同之处。用示波器观察 IGBT 驱动信号、MC0601 模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感两端及直流输出电压 Uo 的波形。分别测试和记录占空比 = 25% 时两种负载情况下上述各点的波形。重载情况下：IGBT 驱动信号 高频变压器原副边 整流桥输出端清华大学 电力电子技术基础实验报告 19 / 25清华大学自动化系 9

39、6 班 胡沛弦 2009011512高频电感两端 直流输出电压轻载情况下：IGBT 驱动信号 高频变压器原副边 整流桥输出端高频电感两端 直流输出电压3. 不同开关频率对电路工作性能的影响：清华大学 电力电子技术基础实验报告 20 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512调整“开关频率选择”旋钮，将驱动信号的开关频率改变为 5 千周，重复步骤上面的实验内容，观测并记录“重载”时（此时仍并联接入 3 个灯泡）的实验结果。（1） 占空比的影响开关频率选择为 5 千周，比 为 550的条件下，测试电路参数并填入下表：开关频率：5 千周 负载情况：重载 波形情况（是否变形）(%

40、) 5 15 25 35 45Uo(V) 6.03 28.96 48.83 60.07 60.14Ud(V) 248.3 244.5 242.6 240.4 240.1波形情况 是 是 是 否 否不同占空比时的图像如下：占空比为 5% 占空比为 15% 占空比为 25%占空比为 35% 占空比为 45%（2） 开关频率 5 千周重在情况下的波形测量= 25%，重载情况下各点波形如下：清华大学 电力电子技术基础实验报告 21 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512IGBT 驱动信号 高频变压器原副边 整流桥输出端高频电感两端 直流输出电压4. 电流测量（选作）：5 千周

41、输出为 60.10V（此时 = 45%）电压下串入主电路的霍尔元件电压约为0.381V，对应电流约为 0.953A。【实验分析】1. 绘制开关电源实验电路的主电路原理图并分析其工作原理。解答：主电路原理图如下（取自实验指示书）：电路工作原理：通过改变控制信号的占空比，在变压器的原边侧测得的不同占空比的方波，再通过变压器的整流、滤波后得到幅值不同的直流，从而实现通过改变驱动信号占空比得到不同直流电压的目的。2. 根据重载时的记录数据，绘制 Uo/Ud - 曲线，与理想曲线进行比较， 分析产生差异的原因。 说明占空比的变化对开关电源输出电压的影响。解答：根据记录的数据，绘制出高频 15 千周下 U

42、o/Ud 实际曲线与理想曲线如下：清华大学 电力电子技术基础实验报告 22 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512其中蓝线为实际测得的数据绘制的曲线，黑线为理论计算的曲线。可以看出还是比较相近的。实验较为理想。同时绘制出低频 5 千周条件下 Uo/Ud 实际曲线与理想曲线如下：清华大学 电力电子技术基础实验报告 23 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512可以看到在低频 5 千周的条件下测出的 Uo/Ud 实际值大于理论值，而且在 Uo/Ud=0.25之后就开始处于饱和不再变化。计算可知当占空比为 50%时达到的最大值就是 0.25。在较低频

43、率下，占空比大约在 35%左右就趋于饱和，此后 Uo/Ud 不再随着占空比的增大而增大。这是由于在低频情况下电流断续更加严重，所以在占空比未达到 50%时就达到了最大值。3. 在占空比 = 25% 和开关频率为 15 千周的条件下，分别绘制 IGBT 驱动信号、MC0601 模块上高频变压器的原边侧和副边侧、整流桥输出端、高频电感两端及直流输出电压 Uo 在重载和轻载时的时序波形图。分析不同负载情况下电路的工作状态。说明轻载时波形畸变的原因。解答：15 千周下重载情况时的时序图如下：IGBT 驱动信号 高频变压器原边侧 高频变压器副边侧整流桥输出端 高频电感两端 直流输出电压15 千周下轻载情

44、况的时序图如下：IGBT 驱动信号 高频变压器原边侧 高频变压器副边侧整流桥输出端 高频电感两端 直流输出电压清华大学 电力电子技术基础实验报告 24 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512由上可见，不论是轻载还是重载，都会有一定的失真出现，不再是完美的方波。这是由于在一个周期内变压器和电感上的能量变化较为剧烈，电流产生断续。若占空比较高的话那么波形的失真将会有所改观。相比之下轻载的失真更为严重，这是因为轻载条件下电流的断续更为严重，又由于电路中存在有电感和电容，所以还可能产生了一定的振荡，因此会导致波形严重失真。4. 在占空比 = 25% 和开关频率为 5 千周的条

45、件下，绘制“重载” 时上述各点的时序波形图。 对比开关频率降低时电路工作波形的不同， 分析其原因。说明开关频率的变化对开关电源工作性能和噪声的影响。解答：开关频率为 5 千周时，重载情况下各点波形的时序图如下所示：IGBT 驱动信号 高频变压器原边侧 高频变压器副边侧整流桥输出端 高频电感两端 直流输出电压由上可知在开关频率降低时，波形的失真更加严重了。这是由于开关频率降低之后，一个周期的时间变长了，而一个周期内电感与变压器上的能量不足以维持电流的连续，而同时电路内存在有电感和电容效应，电路的震荡就更加严重了。但是由于负载上并联了有大电容进行滤波，所以在输出上看失真存在但并不是特别的明显。同时

46、在实验时，可以听见很刺耳的声音，一开始还不知道是什么原因，关掉电路后发现声音消失了，因此可以判断是电路中产生的噪声。所以提高开关频率对于提高输出波形的质量和减小噪声都有很重要的意义。清华大学 电力电子技术基础实验报告 25 / 25清华大学自动化系 96 班 胡沛弦 2009011512【实验心得体会】这个实验和第二个实验相类似，甚至电路都不需要特别大的改动，同时此电路涉及的电压也比第一个要高，实验时需要注意。在实验做出的波形中有很多存在着振荡和噪声，因此拍摄的波形也是各种抖动，而且相比之下不同的实验台做出的波形还是不一样的，可能是每一个实验台上的仪器各自的特性不尽相同，而且噪声也不一样，甚至有的会产生噪声的叠加。实验分析的时候由于结果的独特性，所以分析也没有统一的答案，锻炼了探究的能力。本学期的电力电子实验就此结束了，回想起来还是很有收获的。当然这也是为数不多的强电实验，实验的严谨性也必须大大提高。通过这三次的实际操作，也使我了解了电力电子中常用电路的具体工作情况和可能存在的问题，将理论知识和实际相结合，有助于加深对于本门课程的理解。最后感谢白冰同学在本学期实验中的配合以及在实验报告撰写中的帮助，同时也感谢实验室的老师及助教在实验中给予的帮助和提示，正是在这些帮助和指引之下，促成了每一次的又快又好的完成实验，得到成功结果。