序 摘要
本实验报告书理论基础依托电力电子技术课程,设备基础依托于电气信息学院专业中心实验室电力电子及电气传动教学试验台,依据老师带领学生分别完成的单相半控桥整流电路实验、三相全控桥整流及有源逆变实验、半桥型开关稳压电源的性能研究三次实验所得结果与数据撰写而成。
在本报告中的开篇,主要介绍了实验小组人员和实验设备的相关情况,之后详实记录了各次实验的实验原理与目的、实验过程、实验过程及所得到的波形与数据,并对数据进行了进一步的分析,对实验结果进行了更深层次的探索与思考。此外,本报告分别对三次实验的理论值与理论波形进行了推导与仿真,并分析了可能产生误差的原因。在最后,报告总结了三次实验结束之后的心得体会,提出了部分实验改进意见。
关键词:电力电子技术、实验报告、单相半控桥整流电路、三相全控桥整流及有源逆变、半桥型开关稳压电源的性能
Abstract
The theoretical basis of the experimental report relies on the course of power electronics technology, and the equipment foundation relies on the teaching test bench of power electronics and electrical transmission in the professional Center Laboratory of the College of electrical information. According to the single-phase half controlled bridge rectifier circuit experiment, three-phase full control bridge rectification and active inverter experiment, and the performance research of half bridge switching power supply respectively completed by Xiao Yong The results were written with the data.
In the beginning of this report, we mainly introduced the relevant situation of the experimental team members and experimental equipment. After that, we recorded the experimental principle and purpose, the experimental process, the experimental process and the obtained waveform and data of each experiment in detail, and further analyzed the data, and carried out a deeper exploration and Thinking on the experiment. In addition, this report deduces and simulates the theoretical values and waveforms of the three experiments, and analyzes the possible causes of errors. In the end, the report summarizes the experience after the three experiments, and puts forward some suggestions for improving the experiment.
实验设备描述
我们的主要操作实验设备为由浙江大学求是科技开发公司生产的型号为MCL-III的电力电子及电气传动教学实验台。其容量为1.5KVA,质量150KG,体积1.6*0.75*1.6m3。其次,我们的测量设备是实验室配备的TDS系列双通道数字存储示波器。在实验一中,我们使用了该设备的半控桥整流电路模块;实验二中使用了全控桥整流及有源逆变模块;在实验三中,我们使用了半桥型开关稳压电源模块。如图1-1所示。
实验一:单相半控桥整流电路实验
单相半控桥整流电路具有电路构成简单,成本低廉的特点,其工作特性具有一定的特殊性,本实验将通过对该电路的实现和测评,强化有关同步移相控制、晶闸管半控特点和整流输出品质评估等知识和能力的训练。
一、实验内容
实现控制触发脉冲与晶闸管同步。观测单相半控桥在纯阻性负载时的移相控制特点,测量最大移相范围及输入-输出特性。观测并分析半控桥在阻-感性负载时的工作状态,制造“失控”现象并讨论解决方案。
二、实验项目
实现同步:从三相交流电源进端取线电压Uuw(约230v)到降压变压器(MCL-35),输出单相电压(约124v)作为整流输入电压u2;在(MCL-33)两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列(共12只)中选定两只晶闸管,与两只整流二极管组成晶闸管共阴极方式的半控整流桥,保证控制同步,并外接纯阻性负载。半控桥纯阻性负载实验:最大移相范围测试:保持负载为最大电阻值,调整控制量uct,测量并记录Ud、的有效边界值,用数码相机记录α最小、最大和90o时的输出电压ud波形(注意:确保当输出电压较大时, Id 不超过0.6A);输入-输出特性测试:在最大移相范围内,调节不同的控制量uct,分别测量控制角 、输入交流电压u2、控制信号uct和整流输出Ud的大小,要求有效数据不低于10组。半控桥阻-感性负载(负载加入L=200mH)实验:观测并记录α最小、最大和90o时的输出电压ud波形,观察其特点(Id≤0.6A);固定=90o,调节负载电阻由最大逐步减小(使输出电流分别处于断续、临界连续和连续0.5A三种情况)。对应三个不同负载阻抗角条件,记录输出电流id波形和Id大小,测量变压器原边功率因数cosφ1、有功功率P1和负载电阻RL,核算对应三种情况下的ωL、tgΦ和电流id纹波系数γi。
思考:如何测算输出电流id纹波系数γi?
保持控制角α≈45o,输出电流达到较大值Id≈0.6A(为什么?),突然断掉两路晶闸管的脉冲信号(模拟封锁脉冲)制造失控。记录失控前、后的ud波形,以及失控后两只晶闸管的UVT波形。
三、实验前思考题
1.如何通过示波器观测周期函数并获取其特征参数(相位角、触发控制角)?
答:校正示波器后,将CH1接头接至负载两端,调节SEC/DIV与VOLTS/DIV,在示波器上显示出多个周期的波形。由SEC/DIV可知横轴每格所代表的时间,由
可得相位角和触发控制角。
2.如何实现三相整流到单相整流的同步控制等效转换?
答:实验室提供了三相全控整流桥,而本次试验需要的是单相半控整流桥,所以应选用两个共阴极晶闸管,例如VT1、VT3。
3.如何实现触发脉冲的相位调节?
答:本实验台提供基于锯齿波同步原理的脉冲移相控制电路,所以可以通过调节直流电压Uct来实现相位调节,Uct越大,触发角越小。
4.如何获取整流输出电流id的实时函数波形?如何判断电流断续和连续?
答:因为阻性负载端电压和流过的电流同相位,所以id和UR波形一致,连续性也一致,将示波器接头接至电阻两端。
5.如何变化整流电路的负载阻抗角arctgΦ?
答:接入电感后,由于arctgΦ=L/R,所以可通过调节滑动变阻器来变化阻抗角。
6.接通电源和控制信号后,如何判断移项控制是否同步?
答:观察波形一个周期由0跳变到非0的时刻与最近的一个周期里跳变时刻相同即表示同步。
7.如何规划有价值的数据采样分布规律?
答:数据采样应当有效并且具有普遍性,所以应测出线性转至非线性区域时对应的值,在此之前平均取8组数据。
四、实验记录与处理
1. 实验接线图,与原始数据单
2. 数据处理与记录
(1) 实现同步
在(MCL-33)两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列(共12只)中选定两只晶闸管,与两只整流二极管组成晶闸管共阴极方式的半控整流桥,保证控制同步,并外接纯阻性负载。
(2)半控桥纯阻性负载实验:
最大移相范围测试:通过调整uct,我们得到了α为3个特殊值时的波形。

α最大
α最小时
α为90度时

输入-输出特性测试:在最大移相范围内,调节不同的控制量uct,分别测量控制角 、输入交流电压u2、控制信号uct和整流输出Ud的大小,得到了以下数据。

Uct(V)00.511.52
U2(V)130.2129.5128127.8127.4
UD(V)1028547083
α(ms)7.96.645.304.183.36
2.533.5457
126.9126.7126.4126.5126.4126.2
9195100103106100
2.822.521.941.681.361.94

(3)半控桥阻-感性负载(负载加入L=200mH)实验:
观测并记录α最小、最大和90o时的输出电压ud波形,观察其特点(Id≤0.6A);

α最小时
α最大时
α为90度时

固定=90o,调节负载电阻由最大逐步减小(使输出电流分别处于断续、临界连续和连续0.5A三种情况)。对应三个不同负载阻抗角条件,记录输出电流id波形和Id大小,测量变压器原边功率因数cosφ1、有功功率P1和负载电阻RL,核算对应三种情况下的ωL、tgΦ和电流id纹波系数γi。

断续
临界连续
连续0.5A
Id(A)0.110.20.5
P(W)16.021.741
COSΦ0.5890.5840.590
RL(Ω)469.3273.695.4
断续临界连续连续0.5A
ωL(h)Π/10Π/10Π/10
tgΦ1.3721.3901.368

保持控制角α≈45o,输出电流达到较大值Id≈0.6A,突然断掉两路晶闸管的脉冲信号(模拟封锁脉冲)制造失控。记录失控前、后的ud波形,以及失控后两只晶闸管的UVT波形。
这里记录了一个失控前和一个失控后的波形作为典例
五、实验后期研讨问题
同步控制:阐述选择实验面板晶闸管序号构成半控桥的依据。
答:两只晶闸管导通角应该相差180°,实验台上晶闸管阵列的导通角差值是固定的。VT1和VT4的相位刚好相差180°,且相互之间不相连接,而且触发电压相同,也即触发都是同步的,从而选用这两只管子接入电路。
理论和实际:测绘电阻负载时ud = f (α)和ud = f (uct)的实验特性曲线;将实验ud = f (α)与理论推算ud = f (α)特性曲线(在同一坐标系内)相比较,分析偏差成因。
ud = f (uct)
ud = f (α)
分析:上两图与原曲线基本吻合,而实验所用器件本身就存在一些误差,所以会造成一些偏差。
阻感负载:分析阻-感性负载时,输出电流波形id与教材所示是否有差异,为什么?电路能否接纯感性负载工作(如果有足够大的电感量),为什么?
答:有差异。因为教材认为电感足够大使负载电流连续且为一水平线,所以电路在续流状态时忽略导通压降,Ud=0。而实际实验过程中,电感不可能为无限大,所以在续流状态时电压并不是一条平稳的直线,而是一条缓缓下降的曲线。
电路不能接纯感性负载工作。较大的感抗值在纯感性负载工作时,由于其储存很大的能量,在回路中会产生很大的电流,有可能损坏器件。
功率: “阻感负载”第2小项目中,当负载tgΦ增大时(即感抗ωL比例增大),变压器原边的无功分量占比是否同幅度增加(即cosφ1减小)?试根据实验数据测算结果分析原因。
答:会。根据变压器的T型等效电路,当负载tgΦ增大时,负载侧电流I2’会随之无功分量增大。而励磁电流保持不变,由I1=I0+I2’知,此时I1的无功分量也会增加,即cosφ1减小。
输出质量评估:给出输出电流纹波系数γi的最优测算方法。
答:直流电中交流分量和直流电流之比为输出电流的波纹系数,在本次单相半波可控整流电路的实验中,理想状况下,电阻负载时输出电流为直流,在阻感负载时输出电流有交流分量,则用测得的电流最大值减去最小值再除以测算的电流有效值即为输出电流纹波系数γi。
数据提炼:若以ud = f (uct)的实验特性曲线作为该直流受控电源的静态数学模型建模依据——直流电压放大器,试提出建模方案,并给出该模型近似放大系数Ks≈?
答:计算近似放大系数,则对所测得数据使用matlab进行一阶直线拟合结果如下
拟合直线斜率应该为该模型近似放大系数,即模型近似放大系数Ks≈39.7053
六、仿真实验
1. 纯阻性负载实验
仿真电路图:
仿真波形图:

α最小时
α最大时
α为90度时

2. 阻—感性负载
仿真电路图:
仿真波形图:

α最小时
α最大时
α为90度时
断续
临界连续

连续0.5A时,电路图与仿真波形如下
保持控制角α≈45o,输出电流达到较大值Id≈0.6A
失控前
失控后
实验二:三相全控桥整流及有源逆变实验
三相全控桥整流电路处于各类移相控制AC-DC变换结构中的顶层,应用广泛。本实验将通过对该电路整流状态和有源逆变状态的测评,强化有关晶闸管迪那路故障判断、AC-DC可逆变换等知识和能力的训练。
一、实验主要内容
观测整流状态下(阻性负载、阻-感性负载)ud,uVT波形。观察多种器件故障状态下整流电路的输出特征。观测分析逆变状态下(阻-感性-反电动势负载)ud,uVT波形及逆变功率测量。
二、实验过程
接三相整流桥及逆变回路
由三相隔离变压器(MCL-32)二次绕;组接至三相降压变压器(MCL-35),输出三相电源(线电压约110~130v)作为三相变流桥的交流输入;由三相隔离变压器(MCL-32)二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥,作为逆变时负载回路的电动势源(大小恒定的电压源);由双刀双置开关构成整流和逆变选择回路(严禁主回路带电时切换此开关);约定整流、逆变临界控制点为Uct = 0,当Uct﹥0时,处于整流移相控制;Uct﹤0时处于逆变移相控制:整流工作
阻性负载测试:双置开关选择整流回路,负载电阻设定为最大,加正给定电压。观测并记录整流状态下α≈0O,60O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)。α≈0O时封锁任2只晶闸管(选择三个不同组合模式)的脉冲信号,记录ud的波形及大小值。阻-感(300+ 700mH )负载测试:双置开关选择整流回路,观测并记录α=30O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)。逆变工作
断掉主回路电源,将负载回路切换到逆变条件,注意逆变电动势源的直流极性。
选负给定信号,负载为(最大电阻+700mH),合上电源,观测逆变状态下β=60O,90O时ud,uVT波形;在恒定负载情况下(最大电阻+电感700mH,直流反电动势E基本恒定),在最大逆变移相范围内,测定交流回路实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线(不低于8组数据点)。已知,三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26。
三、实验数据记录与处理
1.原始数据单
2.数据记录与处理
2.1整流工作:
(1).阻性负载测试:双置开关选择整流回路,负载电阻设定为最大,加正给定电压。
a.观测并记录整流状态下α≈0O,60O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)

αud 波形uVT波形
0O
60O
90O

b.α≈0O时封锁任2只晶闸管(选择三个不同组合模式)的脉冲信号,记录ud的波形及大小值。

断开晶闸管ud波形ud大小
VT1和VT2
VT1和VT3
VT1和VT4

(2).阻-感(300+ 700mH )负载测试:双置开关选择整流回路,观测并记录α=30O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)。

αud波形uVT波形
30O
90O

2.2逆变工作:
断掉主回路电源,将负载回路切换到逆变条件,注意逆变电动势源的直流极性。
(1).选负给定信号,负载为(最大电阻+700mH),合上电源,观测逆变状态下β=60O,90O时ud,uVT波形;

βud波形uVT波形
60O
90O

(2).在恒定负载情况下(最大电阻+电感700mH,直流反电动势E基本恒定),在最大逆变移相范围内,测定交流回路实际吸收直流功率Pk = f (Ud)的函数曲线(不低于8组数据点)。已知,三相全控桥电源回路输出端等效内阻Rn=26。

Ud(V)-28-60-67-91-118-154-168
Id(A)0.580.510.500.450.400.330.31
Pk(W)7.4923.842735.6943.0447.9949.58

曲线拟合:
四、实验后期研讨问题
1.阻性负载:针对α=90O时的UVT波形,分析其一个周期内每段波形的构成?
答:(1)以Uvt1在a相电压从0正向增大开始的一个周期内的电压波形为例,在α=90°时(以a相电压初始点为原点,定义此时相角为120°)VT1与VT2开始导通,此时电压为0;
(2)由于阻性负载在α=90O的情况下,ud与id波形一致,则当ud电压降为0后id亦降为0,通过晶闸管的电流降低为0,晶闸管关断,Uvt1为0,由此分析,在相角为0°-360°的范围内,相角为30°-60°,90°-120°,150°-180°,210°-240°,270°-300°,330°-360°的范围内时Uvt1因为这个原因为0;
(3)在相角为180°-210°时,VT3与VT2导通,此时Uvt1为uab;在相角为240°-270°时,VT3与VT4 导通,此时Uvt1为uab;在相角为 300°-330°时,VT5与VT4导通,此时Uvt1为uac;在相角0°-30°时,VT5与VT6导通 ,此时Uvt1为uac;在相角为60°-90°时,VT1与VT6导通 此时Uvt1为0。

相角0°-30°30°-60°60°-90°90°-120°120°-150°150°-180°
Uvt1uac00000
相角180°-210°210°-240°240°-270270°-300°300°-330°330°-160°
Uvt1uab0uab0uac0

缺相故障:比较整流状态的三次缺相故障,同为两只晶闸管故障,输出Ud大小有差异吗,为什么?
答:有差异,在本次实验中,我们在α≈0°时分别断开VT1与VT2,VT1与VT3,VT1与VT4,所测得Ud分别为94v,66v,70v,分析原因,断开VT1与VT2,VT1与VT4时,一个是共阴极组中的晶闸管,一个是共阳组中的晶闸管,断开后使得一个周期内的Ud有120°是为0的,实验中断开这两组晶闸管造成的影响应该基本一致,测得Ud 的数值有所误差,究其原因为实验误差;而断开VT1与VT3时,两个晶闸管均为共阴极组中的晶闸管,断开后使得一个周期内的Ud有180°是为0的,故测得Ud要较小一些。
电感续流:整流状态阻-感负载时,α=90O时ud的瞬时波形正负半波对称吗—试通过负载数据tgϕ说明。
答∶不一定,因为在理论分析的情况下,α=90°时带的电感是无限大的,所以此时Ud的波形正负半波对称,但是在实际电路中不存在无限大的电感,其电感储能不够就会使正负半波不对称。
逆变功率:逆变状态下,逆变电源的负载波形是电路上哪两端的波形?为什么逆变输出电压Ud越大,负载电流Id越小?做出Pk=f(Ud)特性曲线,并对其变化趋势作定性分析。
答∶
(1)逆变电源的负载波形是电路上晶闸管共阴极与共阳极两端的电压波形;已知负载电流平均值公式Id=(Em-U4)压≥,所以逆变输出电压Ud越高,负载电流 Id 越小。
(2)曲线拟合:
拟合时将测的Ud取绝对值,由拟合曲线分析,在一定范围内,随着Ud绝对值的增加Pk也会随之增加,但增加的幅度越来越小,在达到峰值以后随着Ud绝对值的增加Pk会随之减小,且减小的幅度越来越大,若不考虑其他因素,Pk最终降低为0
五、仿真实验
(1)整流工作
a. 阻性负载测试:双置开关选择整流回路,负载电阻设定为最大,加正给定电压。
观测并记录整流状态下α≈0O,60O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)

0
60
90

α≈0O时封锁任2只晶闸管(选择三个不同组合模式)的脉冲信号,记录ud的波形及大小

封锁1,2号
封锁3,4号
封锁5,6号

b. 阻-感(300+ 700mH )负载测试:双置开关选择整流回路,观测并记录α=30O,90O时ud、uVT波形(注意限制Id≤0.8A)。

uduVT
α=30O
α=90O

(2)逆变工作
选负给定信号,负载为(最大电阻+700mH),合上电源,观测逆变状态下β=60O,90O时ud,uVT波形;

uduVT
β=60O
β=90O

六、实验评估
整流工作中,阻-感(300+ 700mH )负载测试,由于示波器通道有限,只有按书上标准波形调试到合适位置,在此过程中,我们发现无论如何也没法调到α=90O的理论波形:

实际理论

原因分析:因为理论上的电感是无穷大,而实际电感有限,所以无法将负半周波形完全恢复
实验三 半桥型开关稳压电源实验
开关稳压电源是目前各类DC-DC变换中的主流方案,广泛应用于各类移动式电源和新能源装备中。本实验通过对半桥结构直流斩波电路进行试验测评,强化有PWM斩波技术、驱动隔离技术及闭环误差控制技术等知识和能力的训练
一、实验主要内容
熟悉PWM专用芯片SG3525的基本功能和应用特色,测试其典型功能端波形;测试和分析半桥型开关电源在开环和闭环两种模式下的输出性能
二、实验过程
PWM控制芯片SG3525的特性测试
连接:选择SG3525工作于“半桥电源”模式。用短线连接PWM波形发生模块的34端口,短接误差调节器PI参数反馈端(屏蔽PI调节)。测试:接通SG3525工作电源。用示波器分别观察该芯片锯齿波振荡器观测点和输出端A(或B)路PWM信号的波形,并记录波形的频率和峰值,调节“脉冲宽度调节”电位器,记录其占空比可调范围(最大、最小占空比)。连接:断开SG3525工作电源。将光电藕输出信号端与半桥电路中的Power-MOSFET管正确相连。测试:接通SG3525工作电源,分别记录相同占空比下的SG3525引脚11 端U11、开关管VT1的驱动信号UGS1,测试波形周期宽度T、幅值UGS及上升tr、下降时间tf。构成开环电压系统向负载供电
连接:确认主电路和控制电路的电源开关处于断开状态,将“主电源1”的输出端链接至半桥电路的输入端,连接半桥输出负载R1+R2(负载电阻约为3+30Ω)。测试:分别接通主电路和控制电路的电源,调节“脉冲宽度调节”电位器,在不同占空比情况下,记录占空比和输出电源电压uo大小(不低于8组有效数据);同时用双踪探头记录脉宽约为15us时的VT1的UGS1和变压器原边端压u1波形。构成闭环电源系统,测试稳压性能
连接:开放误差调节器PI参数反馈端,将“半桥型开关稳压电源”输出端“13”的取样电压信号有效反馈至SG3525的输入“2”端,并将“半桥型稳压电源”的“9”端和“PWM波形发生”的地端相连(共地)。测试:连接半桥输出端的3Ω负载电阻(R1),调节PWM占空比使电源输出电压U为5V——作为输出标准值;然后将负载电阻改变至33Ω(R1+R2),测量输出电压u0的值,计算负载阻抗变化约十倍时的负载调整率(抗负载变化的电压稳定能力):
断开输出端“13”电压反馈信号,重新屏蔽误差调节器反馈输入端,回复到开环状态,重复上述3Ω和33Ω不同负载时“5V”输出电压的负载调整率。与闭环系统的结果进行比较。