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1、正弦逆变电路实验开关电源实验实验报告班级：自96学号：姓名：胡沛弦同组同学：白冰2011年12月13日Experiment 2 正弦逆变电路实验l 【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。l 【实验内容】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
2、性能的影响；5、 电流测量（选做）。l 【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。l 【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MC06
3、01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IGBT驱动芯片为核心构成
4、，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、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
5、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
6、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MC1093E上的3个灯泡（额定电压220V、额定功率90W）。l 【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
7、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加的高频谐波分量的幅值和频率。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，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
8、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
9、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1
10、5V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。l 【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、
11、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。l 【实验
12、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。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。l 【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
13、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45.7Hz。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。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
14、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
15、4. 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 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)138.60V109.50VUd(V)239.6V243.2V高频谐波频率10.00kHz20.41kHz波形平滑程度波形失真程度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
