电力电子实验报告DOC.docx
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电力电子实验报告DOC
电力电子技术知识模块综合实验报告
(2013级本科)
题目:
直流斩波电路实验
学院:
工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2013电气?
?
班
姓名:
朱敏强
学号:
1360222
同组同学:
评定成绩:
授课教师:
吴清云
2015年01月
上海海洋大学电力电子技术综合实验报告任务书
课程名称
电力电子技术实验
课程代码4704037
题目
直流斩波电路实验模块综合实验报告
学院
工程学院
专业
电气工程及其自动化
班级
13电气1、2
知识模块综合实验报告任务
知识模块分为:
整流电路实验模块;逆变电路实验模块;直流斩波电路实验模块和交流-交流变流电路实验模块。
在每个知识模块内,本学期已经做过相应的实验,要求在已经完成的单个实验的基础上,对本模块内每个实验和它们之间的联系进行深入的分析研究,从而整体理解本模块的理论知识和实验研究知识,达到将模块内知识融会贯通,变成学生自己知识的目的,同时进一步提高学生分析问题、解决问题和理论联系实际的能力。
报告任务:
1.直流斩波电路实验模块主要理论知识
直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置,亦称直流斩波器或DC/DC变换器。
用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流,在一定滤波的条件下,在负载上可以获得平均值可小于或大于电源的电压或电流。
如果改变开关器件通、断的动作频率,或改变开关器件通、断的时间比例,就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度,以实现输出电压、电流平均值的调节。
早在1940年德国人采用机械开关通断的思想来调节直流电压以控制直流电动机的转速,1960年美国人把晶体管斩波器用于控制柴油发电机的励磁系统,1963年德国人把晶闸管斩波器用于控制蓄电池车。
早期主要应用于城市电车,地铁、电动汽车等直流牵引调速控制系统中。
随着自关断电力电子开关器件和脉宽调制(PulseWidthModulation—PWM)技术的不断发展,直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等显著优点,广泛应用于开关电源、有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。
一般来说,直流斩波电路有两类不同的应用领域:
一类负载是要求输出电压可在一定范围内调节控制,即要求电路输出可变的直流电压,例如直流电动机负载,为了改变其转速,要求可变的直流电压供电;另一类负载则要求无论在电源电压变化或负载变化时,电路的输出电压都能维持恒定不变,即输出一个恒定的直流电压,如开关电源等。
这两种不同的要求均可通过一定类型的控制系统根据反馈控制原理实现。
直流斩波电路的种类较多,根据其电路结构及功能分类,主要有以下4种基本类型:
降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路、丘克(Cuk)斩波电路,其中前两种是最基本的电路,后两种是前两种基本电路的组合形式。
由基本斩波电路衍生出来的Sepic斩波电路和Zeta斩波电路也是较为典型的电路。
利用基本斩波电路进行组合,还可以构成复合斩波电路和多相多重斩波电路。
本章将详细介绍基本斩波电路的工作原理和稳态工作特性,对其它电路作一般性的原理分析。
为了获得各类直流斩波电路的基本工作特性而又简化分析,在本章的分析中,都假定直流斩波电路是理想的,即满足以下条件:
(1)开关器件和二极管从导通变为阻断,或从阻断变为导通的过渡时间均为零。
(2)开关器件的通态电阻为零,电压降为零。
断态电阻为无限大,漏电流为零。
(3)电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件,且电感量和电容量均为足够大。
(4)线路阻抗为零。
无特殊说明时电源的输入功率等于输出功率。
2.直流斩波电路实验模块实验目的
熟悉六种斩波电路(buckchopper、boostchopper、buck-boostchopper、cukchopper、sepicchopper、zetachopper)的工作原理,掌握着六种斩波电路的工作状态及波形情况。
3.直流斩波电路实验模块实验内容
1.SG3525芯片的调试。
2.斩波电路的连接。
3.斩波电路的波形观察及电压测试。
4.
4.直流斩波电路实验模块实验原理(包括原理图和原理简述)
1、降压斩波电路(BuckChopper)
降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如图4-12所示。
图中V为全控型器件,选用IGBT。
D为续流二极管。
由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向负载供电,UD=Ui。
当V处于断态时,负载电流经二极管D续流,电压UD近似为零,至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一周期的过程。
负载电压的平均值为:
式中ton为V处于通态的时间,toff为V处于断态的时间,T为开关周期,α为导通占空比,简称占空比或导通比(α=ton/T)。
由此可知,输出到负载的电压平均值UO最大Ui,若减小占空比α,则UO随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。
图4-12降压斩波电路的原理图及波形
2、升压斩波电路(BoostChopper)
升压斩波电路(BoostChopper)的原理图及工作波形如图4-13所示。
电路也使用一个全控型器件V。
由图4-13b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向电感L1充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电,因C1值很大,基本保持输出电压UO为恒值。
设V处于通态的时间为ton,此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。
当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电,并向负载提供能量。
设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui)I1ton。
当电路工作于稳态时,一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等,即:
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。
图4-13升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)
升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)的原理图及工作波形如图4-14所示。
电路的基本工作原理是:
当可控开关V处于通态时,电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量,同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。
此后,V关断,电感L1中贮存的能量向负载释放。
可见,负载电压为上负下正,与电源电压极性相反。
输出电压为:
(a)电路图(b)波形图
图4-14升降压斩波电路的原理图及波形
④、Cuk斩波电路
Cuk斩波电路的原理图如图4-15所示。
电路的基本工作原理是:
当可控开关V处于通态时,Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。
当V处于断态时,Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流,输出电压的极性与电源电压极性相反。
输出电压为:
若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压。
⑤、Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图4-16所示。
电路的基本工作原理是:
可控开关V处于通态时,Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电,L1和L2贮能。
当V处于断态时,Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电,此阶段Ui和L1既向R供电,同时也向C2充电,C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
输出电压为:
⑥、Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的原理图如图4-17所示。
电路的基本工作原理是:
当可控开关V处于通态时,电源Ui经开关V向电感L1贮能。
当V处于断态后,L1经D与C2构成振荡回路,其贮存的能量转至C2,至振荡回路电流过零,L1上的能量全部转移至C2上之后,D关断,C2经L2向负载R供电。
输出电压为:
若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压。
5.直流斩波电路实验模块实验设计(包括具体实验内容设计和实验方法步骤设计)
按照面板上各种斩波器的电路图,取用相应的元件,搭成相应的斩波电路即可。
1.SG3525性能测试
用示波器测量,PWM波形发生器的“1”孔和地之间的波形。
调节占空比调节旋钮,测量驱动波形的频率以及占空比的调节范围。
2.buckchopper
(1)连接电路。
将PWM波形发生器的输出端“1”端接到斩波电路中IGBT管VT的G端,将PWM的“地”端接到斩波电路中“VT”管的E端,再将斩波电路的(E、5、7),(8、11),(6、12)相连,最后将15V直流电源U1的“+”正极与VT的C相连,负极“-”和6相连。
(照电路图接成buckchopper斩波器。
)
(2)观察负载电压波形。
经检查电路无误后,闭合电源开关,用示波器观察VD两端5、6孔之间电压,调节PWM触发器的电位器RP1,即改变触发脉冲的占空比,观察负载电压的变化,并记录电压波形。
(3)观察负载电流波形。
用示波器观察并记录负载电阻R两端波形
3.boostchopper
(1)照图接成boostchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻为R。
实验步骤同buckchopper。
4.buck-boostchopper
(1)照图接成buck-boostchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻为R。
实验步骤同buckchopper
5.cukchopper
(1)照图接成cukchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻R
实验步骤同buckchopper。
6.sepicchopper
(1)照图接成sepicchopper电路。
电感和电容任选,负载电阻为R。
实验步骤同buckchopper。
7.zetachopper
(1)照图接成zetachopper电路。
电感和电容任选,负载电阻为R。
实验步骤同buckchopper
6.直流斩波电路实验模块实验设备及仪器
1.电力电子教学试验台主控制屏;
2.NMCL-22组件;
3.示波器(自备);
4.万用表(自备)。
7.直流斩波电路实验模块实验过程及结果(包括实验数据和照片)
Pwm的输出端“1”与地之间的的波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
BuckChopper:
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-788mv)(U=-959mv)
2)电阻R两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-348mv)(U=-970mv)
BoostChopper
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-1.49v)(U=-2.8v)
2)VT的G、E两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-3.32mv)(U=-3.31v)
3)电阻R两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-2.89v)(U=-3.26v)
Buck-boostchopper
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-332mv)(U=-387mv)
2)VT的G、E两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-196mv)(U=-631mv)
3)电阻R两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-319mv)(U=-371mv)
Cukchopper
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-22.6mv)(U=-367mv)
2)VT的G、E两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-164mv)(U=-465mv)
3)电阻R两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-3.09mv)(U=-215mv)
Sepicchopper
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-2.04v)(U=-1.17v)
2)VT的G、E两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-96.7mv)(U=-8.06mv)
3)电阻R两端的电压波形:
Zetachopper
1)VD两端5、6孔之间的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-213mv)(U=-634mv)
2)VT的G、E两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-2.01v)(U=-7.87v)
3)电阻R两端的电压波形:
占空比较小时的波形占空比较大时的波形
(U=-1.74mv)(U=-29.5mv)
8.直流斩波电路实验模块实验中碰到的问题及解决措施
(1)在实验中当我们连接好电路时,实验箱发出轻微的蜂鸣声。
我们立即断电,仔细检查电路,发现我们连接错了线路,造成了短路;为了清晰的观察电路,我们把电路拆了,进行了重新连接。
(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测?
因为共地问题,容易造成短路,损坏示波器。
(3)在实验中用示波器观察时,波形可能没有那么稳定和标准。
我们需要多次尝试,可能我们在接线时,有的地方、导线与导线之间接触不良,造成不稳定,所以我们需要将连接部分按一按,还可以用万用仔细检查以下,可能是有的导线内部损坏,而我们用眼睛无法看到。
9.直流斩波电路实验模块实验总结和感想
直流斩波电路(即斩波器)的功能是将直流电变换为另一固定电压或可调电压的直流电。
直流斩波电路是通过控制直流电源的通和断,来实现对负载上的平均电压和功率进行控制的。
控制方式主要有脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、调频调宽混合调制和瞬时值控制方式。
直流斩波电路的种类较多,根据其电路结构及功能分类,主要有以下4种基本类型:
降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路、丘克(Cuk)斩波电路,其中前两种是最基本的电路,后两种是前两种基本电路的组合形式。
由基本斩波电路衍生出来的Sepic斩波电路和Zeta斩波电路也是较为典型的电路。
利用基本斩波电路进行组合,还可以构成复合斩波电路和多相多重斩波电路。
这个实验虽然我们很快就做完了,但是并不代表这个实验里面的内容简单,直流斩波是我们电学中一个重要的部分,在各个领域都有应用,尤其是工业方面,应用尤为广泛,所以我们要透过实验学会对电路的分析和运用,这才是我们做实验的目的。
主要参考资料(主要是自己看的资料写上,这里是主要的三个)
1.《电力电子技术》王兆安,刘进军,机械工业出版社。
2.《电力电子技术实验指导书》谢嘉,上海海洋大学校内教学用书。
3.《电力电子技术》杂志。
4.《电气传动自动化》杂志。
指导教师(签名):
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