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一、实验目的:
1、熟悉直流斩波电路的工作原理。
2、熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。
3、了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
二、实验主要仪器与设备:
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK09单相调压与可调负载
3
DJK20直流斩波电路
4
D42三相可调电阻
5
万用表
自备
三、实验原理
主电路:
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5-1图5-2所示。图中V为全控型器件,选用IGBT。D为续流二极管。由图7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最大为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5-1降压斩波电路的原理图
图5-2降压斩波电路的波形图
2、升压斩波电路(BoostChopper)
升压斩波电路(BoostChopper)的原理图如图5-3所示。电路也使用一个全控型器件V。当V处于通态时,电源向电感充电,充电电流基本恒定为,同时电容C1上的电压向负载供电,因C1值很大,基本保持输出电压为恒值。设V处于通态的时间为,此阶段电感上积蓄的能量为。当V处于断态时和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,则在此期间电感L1释放的能量为(-)。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/≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。
3、升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)
升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)的原理图如图5-4所示。电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,电源经V向电感L1供电使其贮存能量,同时C1维持输出电压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:
===
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。
图5-3升压斩波电路的原理图
图5-4升降压斩波电路的原理图
四、实验内容及步骤
1、实验内容:
(1)控制与驱动电路的测试。
(2)Buck、Boost、Boost-Buck直流斩波器的测试。
2、实验步骤:
(1)控制与驱动电路的测试
①启动实验装置电源,开启DJK20控制电路电源开关。
②调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形,观测输出PWM信号的变化情况,并填表。
(2)直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)
斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经DJK20挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。接通交流电源,观测Ui波形,记录其平均值(注:本装置限定直流输出最大值为50V,输入交流电压的大小由调压器调节输出)。
按下列实验步骤依次对Buck、Boost、Boost-Buck等三种的直流斩波电路进行测试。
①切断电源,根据DJK20上的主电路图,利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路,并接上电阻负载,负载电流最大值限制在200mA以内。将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
②检查接线正确,尤其是电解电容的极性是否接反后,接通主电路和控制电路的电源。
③用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形,注意各波形间的相位关系。
④调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,观测在不同占空比(α)时,记录Ui、UO和α的数值于表中,从而画出UO=f(α)的关系曲线。
Buck直流斩波器的测试
Boost直流斩波器的测试
Boost-Buck直流斩波器的测试
五、实验注意事项
1、在主电路通电后,不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形,否则会造成短路。
2、用示波器两探头同时观测两处波形时,要注意共地问题,否则会造成短路,在观测高压时应衰减10倍,在做直流斩波器测试实验时,最好使用一个探头。
六、思考题
直流斩波电路中电感的作用是什么?
七、实验报告
1、分析本实验中产生PWM信号的工作原理。
2、整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线并作比较与分析。
3、讨论、分析实验中出现的各种现象。