升降压复合斩波电路实验

题    目: 升降压复合斩波电路实验

系    别:            

专    业:  

姓    名:              

学    号:        

指导老师          

设计时间: 2009.12.28--12.31    

封面    ………………………………………………………………………………1

目录   ………………………………………………………………………………2

前言   ………………………………………………………………………………3

第一章  课程设计目的与要求

一、 课程设计目的……………………… ……………………..…………...4 

二、 课程设计的预备知识……………………………………………….… 4

三、 课程设计要求…………………………………………………………..4

第二章  斩波电路的控制与驱动电路

一、SG3525内部结构………………………………………………….……..5

二、控制驱动电路………………………………………………….………... 5

三、PWM控制直流电机原理……………………………………….……...…..6

第三章  升降压复合斩波电路实验 

一、实验目的…………………………………….…………………….………7

二、实验所需挂件及附件………………….………………………..……….. 7

三、实验线路及原理………………………………………………….…….…7

四、实验内容………………………………………………………………..…9

五、实验方法………………………………………………………………..…9

六、注意事项………………………………………………………………..…12

七、结论……………………………………………………………………..…13

第四章  心得体会

一、心得体会…………………………………………………….……………14

第五章  鸣谢与参考文献

一、鸣谢 ……………………………………..…………………..….……….14

二、参考文献 ……………………………………………….… ………….…14

前言

直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。

直流斩波器在把直流变换成另一电压直流的过程中，依靠的是脉冲宽度调制(PWM)的工作方式，因此直流斩波调速系统也称直流脉宽调速系统。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。

　　直流斩波电路中的主开关元件需要有自关断能力，采用晶闸管则需附加强迫关断电路，且晶闸管的开关频率太低，所以目前的斩波电路已经不再采用晶闸管的了。中、大容量的斩波装置都采用IGBT，小容量的采用功率MOSFET或IGBT，大容量装置中GTO也有一定的应用。

经济性能：

直流电动机V—M调速系统使用的电源是三相交流电源，但是在许多应用场合的电源却是直流电源，例采用直流电网供电的城市公交车(电车)、地铁，由蓄电池供 电的电动汽车、电瓶车等，在这种应用场合使用的直流调速系统则必须采用DC／DC变换器，即在这种应用场合不能使用V—M调速系统，而应使用直流斩波调速 系统。

　　即使在具备使用交流电源条件的场合，由于v—M系统的可控整流桥工作在输出电压较低时，装置的功率因数低，对电网的谐波污染大，而不控整流桥的功率因数较 可控整流桥要高许多，谐波污染也较可控整流有所改善。而且，直流斩波调速系统的性能要比直流v—M系统好。因此，往往用不控整流桥先把交流电变换成直流 电，再用DC／DC变换器驱动直流电动机。也就是说，即使在具备使用交流电源条件的场合，也常使用直流斩波调速系统。

 长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的，小型直流电机应用相当广泛。

第一章、课程设计目的与要求

一、课程设计目的

“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出具有电压可调功能的直流电源系统，能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。培养学生思考、收集资料、设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

(1)、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

(2）、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

(3)、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

(4)、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的预备知识

熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。

三、课程设计要求 

题目：升、降压与复合斩波电路的实验

按课程设计指导书提供的课题，根据给出的基本要求及参数完成设计。 

第二章、斩波电路的控制与驱动电路

一、SG3525内部结构

二、控制驱动电路

三、PWM控制直流电机原理

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为设占空比为D=t ／T，则电机的平均速度为

由公式(2)可见，当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度 与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

第三章、升降压复合斩波电路实验

一、实验目的

(1)了解直流斩波电路在电机负荷时的应用原理。

(2)了解复合斩波器供电的直流电动机传动系统中，断流、逆流等工作状态时的电压、电流波形和形成条件。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

直流斩波电路的种类很多，其中斩波电路的典型用途之一是拖动直流电机，当负载是直流电机时，电路中会出现反电动势，而无需另配置大电感和大电容，电路会变得十分简单。

(1)降压斩波电路

图4-50 为降压斩波电路的原理图及波形。图中L、R 为负载电机的等效电路，负载电压的平均值为 ，因此称为降压斩波电路。若负载中L 值较少，或ton 较小，或E 较小，则在可控器件V 关断后，到了t2 时刻，负载电流已衰减至零会出现负载电流断续的情况。图中(c)表明了电流断续时的波形情况。

图6-50 降压斩波电路的原理图及波形

(2)升压斩波电路

图4-51 为升压斩波电路的一般电路，由于电感L 和电容C 的存在，从电路原理可分析输出电压 ，因此称为升压斩波电路。

图4-51 升压斩波一般电路原理图

当升压斩波电路用于直流电动机传动时， 通常是在直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，此时的电路及工作波形如图4-52 所示，图中的L 为直流电机的等效电感，由于实际电路中电感L 值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。还需说明的是，此时电动机的反电动势相当于图4-51 电路中的电源，而此时的直流电源相当于图中电路中的负载，由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。图4-52 是用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形。

图4-52 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形

从图中可看出，当tx(3)复合电流可逆斩波电路

当斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又能再生制动，将能量回馈电源，降压斩波电路在拖动直流电动机时，电动机工作于第一象限，升压斩波电路中，电动机工作于第二象限，复合电流可逆斩波电路将降压斩波电路与升压斩波电路组合在一起，在拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第一象限和第二象限，图4-53 给出复合电流可逆斩波电路的原理图及其波形。

图4-53 复合电流可逆斩波电路及其波形

图中L、R 为电动机电枢的等效电感和电阻。在该电路中，V1 和VD1 构成降压斩波电路。由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第一象限，V2 和VD2 构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机再生制动运行，工作于第二象限。需要注意的是若V1 和V2 同时导通，将导致电源短路，因此，V1 和V2 的栅极触发脉冲在时间上必须错开。从图中可看出，当电路工作于复合电流可逆斩波电路时，V1、VD1、V2、VD2 四个器件将依次导通。

(4)实验电原理图

实验电原理图如图4-54 所示，PWM 脉宽调节电路部分不再介绍，可参考半桥型开关稳压电源的性能研究的实验。

图4-54 DJK-27 电流可逆斩波实验原理图

四、实验内容

(1)控制与驱动电路的测试。

(2)三种直流斩波器的测试。

五、实验方法

(1)控制与驱动电路的测试

①启DJK-27 控制电路电源开关

②用万用表测量Ur 用双踪示波器两路探头观察SG3525 的第11 脚，第14 脚波形。

③调节PWM 电位器，记录PWM 频率、幅值，最大、最小占空比以及相应的Ur 值。记录两路PWM 的相位差，以及两路之间最小的“死区”时间。

(2)降压斩波电路的测试

①联结A-A'、D-D'，断开B-B'、C-C'，开启DJK01 电源控制屏，电源控制屏输出接DJK09

挂件上的调压器，调压器输出接整流模块，输出的直流接DJK27 斩波器的输入，按降压原理图，斩波器输出接电动机(DJ15)，发电机(DJ13-1)和电动机同轴连接，发电机的电枢输出接负载R(将两个900Ω串联)。

②用双踪示波器两路探头分别观察Uo 和io。输入的直流电压控制在230V，记录最大、最小PWM 占空比时的电机转速，观察加大负荷时的Uo 和io 变化情况，记录临界断流时的PWM 占空比

③在最大占空比的情况下，逐步降低输入的直流电压，记录临界断流时的电压值。

(3)升压斩波电路的测试

①联结B-B'、C-C'，断开A-A'、D-D'，电源控制屏输出接DJK09 挂件上的调压器，调压器输出接整流模块，直流输出接电动机(DJ15)负载，电动机与发电机(DJ13-1)同轴，发电机的电枢输出接直流斩波器的输出端，斩波器的输入侧接直流输出，调节调压器增加输出的直流电压。注意在实验中要把直流电压控制在70V 以下 。

②重复降压斩波电路测试的2)、3)。

(4)复合斩波电路的测试

①联结A-A'、B-B'、C-C'、D-D'用电动机拖动发电机。

②重复降压斩波电路测试的2)、3)。

其中输入电压为E，输出电压为U。，占空比为a。

1 直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特

性方程式为：

式中，—— 额定电枢电压、额定磁通量；

 ——与电机有关的常数；

—— 电枢外加电阻、电枢内电阻；

——理想空载转速、转速降。

分析(1)式可得．当分别改变U 、 和R时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。由于，当改变励磁电流时，可以改变磁通量西的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的，电动机的励磁电流和磁通量 只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻R 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线

理想空载转速 随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。

PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t／T，则电机的平均速度Vd为：Vd=VmaxD

这是实验所得波形图：

六、注意事项

(1)双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)带直流电动机做实验时，必须要先加励磁部分的电源，然后才能加电枢电压启动，停机

时要先将电枢电压降到零后，再关闭励磁电源；否则很容易造成飞车或过流，将功率管损坏。

七、结论：

PWM控制的驱动控制电路，对直流电机的正反转控制及速度调节具有良好的工作性能。实验结果表明，直流电机驱动控制电路运行稳定可靠，电机速度调节响应快。在应 用 实 例中，PWM对调速系统来说，有如下优点:系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。能够满足实际工程应用的要求，有很好的应用前景。

第四章 心得体会

一、心得体会

在209年12月28日~2009年12月31日期间，我们在图书馆的实验室进行了电力电子的实训。于09年的最后一天，我们克服各种困难，最终完成了这次实训，这没有辜负我们的开始时所希望的。

在这次的实训中，我们遇到了很多问题，例如：有些挂件找不到啊，硬件的一些东西坏了，这都没什么。最主要的是一些波形测不出来，这是我们最头疼的，我们反反复复地检查线路，一点一点地解决问题，最终，在我们的不懈努力下和老师的指导下终于把波形测出来了。

在这次的实训里，我发现自己很多的不足之处，看到了自己了解电力电子的程度竟然这么的浅，也意识到了实训的重要性。与此同时我也学到了很多，对巩固电力电子技术这一知识起到了很大作用。

第五章  鸣谢与参考文献

一、鸣谢：

感谢指导老师，还有同学

二、参考文献：

《基于单片机用软件实现直流电机PWM 调速系统》  李维军 韩小刚 李 晋