西南交大电力电子与电力传动实训报告.pdf

. 电气工程学院 2011 级 电力电子与电力传动实训报告 项目名称：75.1V/200W 半桥 DC/DC 开关电压源 项目负责人：*涛 项目成员： 负责老师： 指导老师： 2014 年 12 月 11 日 . . 项目成绩： 评阅人： 指导老师： 年月日 项目负责人：姓名学号 项目成员：姓名学号 项目成员：姓名学号 . . 摘要 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系 到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消 耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电 子计算机、通讯、家电等各个行业。它的效率可达 85以上，稳压范 围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一 种较理想的稳压电源。 本项目对半桥开关电压源进行了主电路、控制电路设计，进行了 开、闭环特性研究。项目根据电力电子技术课程对半桥 DC/DC 电压源 主电路进行了建模，采用控制策略为电压单闭环 PI 控制。在建模的基础 上在 PSIM 软件中搭建模块进行了开、闭环仿真，开环仿真占空比变化， 输出电压平均值变化，通过改变占空比能线性调节输出电压；闭环仿真 下，输入电压变化时，半桥开关电源能恒定输出给定电压值， PWM 占空比有变化，负载变化时，能输出给定电压值。在 PESX- 电 力电子与电力传动开发平台上构建整个电路，在不同条件下研究了开关 电源开、闭环性能，完成了实物实验。在实物实验下，开环系统能 输出稳定的直流电压，输出电压线性可调，闭环系统对输入电压变化 能稳定输出电压，对负载变化能稳定输出电压，验证了闭环系统的稳 定性。 . . 目 录 1、项目技术目标 3 1.1指标 3 1.1.1电压 .3 1.2采用的技术 3 2、项目的主电路设计.4 2.1主电路结构 4 2.2工作原理 4 2.3器件参数 6 3、项目控制电路设计.7 3.1控制电路设计基本原理 7 3.2控制电路原理图7 3.3工作原理 8 3.4参数选择 .17 4、系统仿真. .17 4.1 PSIM 软件介绍 .17 4.2主电路和控制电路模型 .18 4.3系统仿真 .18 4.3.1开环仿真 18 4.3.2闭环仿真 21 4.3.3开环与闭环对比 24 5、实验分析. .25 5.1 电力电子与电力传动开发平台介绍 25 5.2采用模块 .25 5.2.1 PESX-02三相逆变桥 25 5.2.2 PESX-03单相 / 三相整流桥 .26 5.2.3 PESX-04电容组件 27 . . 5.2.4 PESX-T高频变压器 .27 5.2.5 PESX-L1高频滤波电抗器 28 5.2.6 PESX-21控制电源箱 28 5.2.7 PESX-22电压传感器箱 29 5.2.8 PESX-23 IGBT 驱动箱 .29 5.2.9 PESX-25 PWM控制箱 30 5.3 实验过程 .30 5.3.1开环实验 30 5.3.2闭环实验 32 6、结论、问题和体会35 6.1 结论 .35 6.2 问题 .36 6.3 体会 .36 . . 1、项目技术目标 本项目半桥开关电压源输入为直流电，经变换电路输出可调直流电。闭环系 统下能稳定输出给定电压。 1.1 指标 1.1.1 电压 输入电压： DC408V ，电压波动± 15% 输出电压： DC75.1V 恒压精度：优于 5% 电压调整率：优于5% 负载调整率：优于5% 输出功率： 200W 1.2 采用的技术 1）输入直流电由三相交流电经二极管整流桥得到； 2）控制系统为电压单闭环控制； 3）PWM 控制板以专用 PWM 控制芯片 SG3525 为核心，可用于多种DC/DC 电源变换器控制（升压斩波器、降压斩波器、反激开关电源、正激开关电源、半 桥开关电源和桥式开关电源）和直流电机调速系统控制，可以实现各种信号的监 测、保护和反馈，控制板上有多种跳线，可实现开环、单闭环和双闭环多种控制 功能； 4）IGBT 驱动电路以 2SD315-AI 专用 IGBT 驱动模块为核心，外加工作电源过 欠压检测、短路保护设置、上下桥臂信号互锁以及故障信号恒流源变换等功能； 5）电压传感器采集输出电压，使用的传感器是NV25-P ，它采用霍尔感应原 理，可测量任意波形电压。 . . 2、项目的主电路设计 2.1 主电路结构 图 2-1 主电路 主电路变压器输入两个桥臂一个是电容桥臂，另一个是IGBT 桥臂，变压器 二次侧串联。电容两端输出电压。 2.2 工作原理 当 S1 关断、 S2 导通时，电源及电容 C2 上储能经变压器传递到二次侧，同时 电源经变压器、 S2 向 C1 充电， C1 储能增加；反之， S1 开通、 S2 关断时，电 源及 C1 上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经S1、变压器向 C2 充电， C2 储能增加。 S1 与 S2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2 的交流电压， 变压器二次侧电压经D1、D2 整流， L、C 滤波后即得到直流输出电压。改变开关 的占空比，就可改变二次侧整流电压 Ud 的平均值，也就改变了输出电压 Uo。S1、 S2 断态时承受的峰值电压均为 Ui 。 电流连续时工作过程： 工作状态 1：开关 S1 导通时，二极管 D1 处于通态，电感电流流经变压器绕 组 2、二极管 D1 和滤波电容 C 及负载 R，电感电流增长。 工作状态 2：开关 S1 、S2 都处于断态，变压器绕组 1 中的电流为零，根据变 压器的磁动势平衡方程，绕组2 和绕组2中的电流大小相等、方向相反，所以 D1 和 D2 都处于通态，各分担一半的电流。电感 L 的电流逐渐下降。 工作状态 3：开关 S2 导通时，二极管 D2 处于通态，电感电流流经变压器绕 . . 组 2、二极管 D2 和滤波电容 C 及负载 R，电感电流增长。 工作状态 4：与工作状态 2 相同。 图 2-2 工作原理波形 由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关导通时间不对称而造成 的变压器一次侧典雅的直流分量有自动平衡的作用，因此，该电路不容易发生 变压器偏磁个直流磁饱和的问题。 为了避免上下两开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开 关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并留有裕量。 当滤波电感电流连续时 Uo=w2*ton/(w1*Ts)*Ui . . 2.3 器件参数 快恢复二极管：由于半桥开关电源电压变化快，所以为了使输出电压恒定， 减少纹波，选用快恢复二极管。根据实验室的现有设备， 选用的型号如下： 型号： DSEI 2 × 101 V_RRM ： 1200V I_FAVM ：2×91A Trr： 40ns 普通三相整流桥：型号：MDS100-12 V_RRM ： 1200V I_D ：100A 输入桥臂电容：输入电压为650V，桥臂电容对称，每个电容需承受 650/2=325V 的电压。根据实验室的现有的器件，选用电 容为： 型号： 930C12W3-3K 额定电压： DC1200V 额定容量： 3uF 额定纹波电流： 5.6A(20kHz ，85) IGBT 型号：输入电压为650V，在半桥开关电源中，IGBT 工作时所需 承受的最大电压为输入电压为Ui ，即为 650V ，所以根据 实验室的条件， IGBT 选用型号如下： BSM50GB120DN2 最高输入直流电压：700V 门极控制电压：± 20V 高频变压器：由于半桥开关电源属于高频变换电源，开关电压较高，所 以需要高频变压器，根据实验室现有条件，选用型号如下： 额定功率： 3kW( 频率 16KHZ) 额定输入电压： 265V( 方波幅值 ) 输入电压范围： 265V± 10% . . 额定输入电流： 16A 次边输出电压 1： DC110V( 次边并联 ) 次边输出电流 1： 32A(次边并联 ) 次边输出电压 2： DC220V( 次边串联 ) 次边输出电流 2： 16A(次边串联 ) 输出滤波电感：0.9mH 输出滤波电容：560uF 3、项目控制电路设计 3.1 控制电路设计基本原理 给定电压PI 控制器限幅器PWM 电路 驱动电路 主电路 输出电压 电压传感 图 3-1控制电路基本原理 控制系统为电压单闭环控制。给定电压与输出电压比较输入PI 控制器，得 到占空比信号，与三角波比较后得到PWM 信号， PWM 信号经驱动电路输出到主电 路控制开关。 PI 能根据输出电压变化自动调节占空比，从而控制输出电压达到 给定电压值。 3.2 控制电路原理图 电路图由电源指示和保护单元、给定单元、给定积分器、电压/ 速度调节 . . 器、 PWM 控制器、输出电压检测和保护单元、故障锁定单元、直流电压检测和 保护单元、电流检测和保护单元组成。如图3-2 所示。 图 3-2 控制电路原理图 3.3 工作原理 电源指示和保护单元 图 3-3电源指示和保护单元原理图 电源指示和保护单元的原理如图3-3 所示。输入 VCC （+15V ）和 VSS （-15V ） . . 都经 F1 和 F2 可恢复保险后有两个防反二极管 D8 和 D9，电源接反时，电源经防 反二极管短路，保险断开，保护了控制板和电源。电源接线正常时，电源指示灯 L1 和 L2 亮。控制板出现短路或过载时，保险断开，保护电源。 给定单元：图 3-4 是给定单元的原理图。给定单元的电压是由SG3525 内部 产生一个稳定性能稳定的 5V 电压源，有板上给定和面板给定两个，两个给定通过两 个二极管取大输出。当调试时，可采用板上给定，调节电位器 RP1 调节给定的大 小，给定由 D1 输出。采用外部给定时，可将 PR1 的输出调到 0V，外部给定由 V- ref 通过 D2 输出为给定。外部给定可以用一个电位器接上 JK1 上调节。 图 3-4给定单元 给定积分单元：给定积分器的功能是让给定信号按一定的上升或下降斜率加 到调节器的输入作为参考指令Ur，以防止上升指令变化太快对大惯性系统的冲 击。上升斜率小，上升时参考指令慢慢增大，下降斜率大，下降指令快速减小。 这样既能限制指令上升速度，减小上升时的电流冲击，又能保证减速时的安全。 图 3-5 给定积分器 . . 给定积分器的原理可以由上升和下降两个过程来分析。其中三个运行放大器分 别用作比较器（ U1A）、积分器（ U1C ）和反向器（ U1A）。给定为 0 时，三个放 大器输出都 0V，当给定为某一值 U1 时运行放大器 U1A 输出最小值 -13.8V ，二极 管 D3 导通，电容 C1 经 D3、R8 恒流充电，放大器 U1C 的输出由 0 线性增大，放 大器 U1B 是反向器，其输出将由 0V 线性减小。当 U1B 的输出与给定大小相等方 向相反时， U1A 的输入为 0，输出也为 0V，对 C1 的充电流停止， C1 两端电压不 变，输出 Ur 也不变，此时输出 Ur 与给定相等。只要给定不变，输出一直不变。 二极管导通电压按0.7V 计算，则上升斜率可计算为： 给定减小到 0V 时，放大器 U1A 的输出为最大值 13.8V ， C1 由 D4 和 R7 反充 电，开始下降过程。放大器U1C 的输出线性减小，放大器 U1B 的输出负线性增大， 当 U1B 的输出为 0V 时， U1A 的输出为 0V，C1 反充电停止， U1C 的输出维持为 0 不变。 下降斜率可计算为： 可见下降速度上升速度的10 倍。 图 3-5 中 R13 与 WD1 构成输出电压限位，将输出电压限制在 -0.7 5V。电压 / 速度调节器：电压 / 速度调节器是 PI 调节器，将给定信号 Ur 和和反馈 信号 Uf 之差通过比例积分运算，生成控制量 UC 去控制电压 / 速度达到给定值。图 3-6 中 R14 、R17 和 C3 构成 PI 参数， R14 与 R17 之比为比例系数， R14 和 C13 之积的倒数为积分系数。 . . 图 3-6 PI 调节器 图中 R16 的电阻值很大，主要是控制运放的增益，抑制振荡，C4 容值很小起 到高频滤波作用，输出R18 和稳压管 WD2 构成输出电压限位，让其控制在-0.7 5V 之间。 PWM 控制器： PWM 控制器采用的是常用SG3525 ， 是 PWM 控制器的典型代表。 其能生产 100kH-500Hz 双路互补 PWM 脉冲信号，开关频率和两路脉冲死区可调节。 SG3525 的内部结构如图 3-7 所示，内部集成输入电压欠压保护、 5.1V 精密参考电 源、频率振荡器、误差放大器、 PWM 信号生成和分配器、推挽输出，还集成了软起 动端和电源开关控制功能。 SG3525 的这些结构和功能可满足多种 DC/DC 变换器用 途（半桥、全桥、正激、反激、斩波控制），应用非常广泛。其应用电路如图3-7 。 误差放大器：误差放大器实际是一个单电源高宽带的运算放大器，可以连接 成一个 PI 调节器。图 3-8 中构成一个 PI 调节器，图中在误差放大的输出端增加了 一个电容 C13 用作频率补偿，相当于积分器的作用。 . . 图 3-7 SG3525 的内部结构 图 3-8 SG3525 的应用电路 振荡器和死区：电阻 R19、R21 和电容 C11 决定开关频率，近似计算公式 为： 两路输出脉冲间设有一个互锁时间或叫死区，以防止用作桥式开关电源驱动时一 个桥臂上的两个功率管直通短路。脉冲死区时间大约为： 软启动：软起动端外接一个电容器 C12，电源通电起动时，内部一个恒流源给 电容充电，控制输出脉冲慢慢由窄变宽。软起动的功能是防止起动时引起的电流冲 击，在用于开关电源控制时，软起动还可防止起动过程引起的磁通饱和。软起动端 也可用作故障保护对电源实施关闭。此控制板的电压、电压保护信号都是在软起动 端进行保护的。当故障要保护时，将软起动端拉为低电平。采用软起动端对电源 进行关断可在故障清除后下次电源重新起动时实现软起动。 电源欠压保护：由一个带有回滞的电源比较器对输入电源进行监控，当输入 电压低于 7V 时，电源停止工作。 . . 参考电源：将外部供电电源稳压在 835V 时，片内内置一个电压 5.1V ，精度 ± 1%的低温漂精密电压源，可向外提供 50mA 电流。此电源经常作为输出电压的给 定信号，外接一个滤波电容 C9 滤除谐波，保证电源给定脉动小。 电源控制端：对电源进行起停控制，在保护电源控制端加上高电平时，电源 停止工作，当加上低电平时，电源开始工作。由电源控制端对电源进行控制起动时， 没有软起动过程，因此控制板中没有用电源控制控制电源起停，直接用一个电阻 R22 接地。 PWM 输出极：两个 PWM 输出极采用图腾柱结构，输出信号是互补，并且有死 区，输出峰值电流达 500mA 。输出极的这种结构形式使其用于驱动 MOSFET 时十分 方便，同时对小功率应用，通常不要外接驱动器，由 PWM 控制器直接驱动或加隔 离脉冲变压器驱动。当然也可为大功率 IGBT 驱动器提供控制信号。控制板是用于给 IGBT 驱动器提供 PWM 信号，电路中分别电阻 R25 和 R26，其输出的是 10mA 电流 信号给驱动器的光耦输入极。 两个 PWM 输出极还各串有一个二极管，这样两个输出极可以分别驱动IGBT 驱动器，也可以直接并联驱动一个 IGBT 驱动器（斩波器时用一个驱动器）。二极管 的作用上防止两输出直接并联时，两个 PWM 信号间电流，增加了电源的损耗。 输出电压保护单元 图 3-9 电压检测和保护单元 图 3-9 是输入电压检测和保护的原理图，其用于 DC/DC 控制时对输出电压进 行过电压保护。电路分电压检测、电压比输和故障信号输出三个部分组成。 电压检测：电压检测由运算放大器 U2A、电阻 R30、R31、R32 和 R33 构成一 个差模放大器，其中 R30=R31 ， R32=R33 。输出电压直接检测是通过大阻值电阻 R31 和 R31 先将电电压转化为电流信号，再利用运算放大器原理进行转换。U2A 的输出电压为： . . 其中 Uin 是加在 +OUT 和-OUT 间的电压差。 二极管 D10 和 D11 将运算放大器的输出电压嵌位在± 0.7V ，对运放进行保护。电 压比较：比较器由运算放大器 U2B 、电阻 R34、R36、R37、R35、R38 和 R39 组成，是一个带有滞环的比较器。 R36 和 R37 将电源电压 VCC 进行分压， U2A 的 输出是负信号，U2B 的输入 6 和 5 间的电压大小决定出决定了其输出。当输出电 压低时， 6 脚电位较 5 脚高， U2B 输出为负饱和（电源电压 15V 时，负饱和输出 为 -13.5V ，正负饱和的 +13.5V ） , 当输出电压增大时， 6 脚电位下降，当低于 5 脚 时， U2B 输出正饱和，给故障输出极提供13.5V 电压。 R38 和 R39 构成电压滞环， 使 5 脚的电位在输出正饱和和负饱和时有一个差，构成为比较转换点的回差，防止 比较器在比较转换点的来回振荡。 故障输出：故障输出级由三极管 Q1、电阻 R41、 R43 和 LED 指示 L3 组成， 其功能完成故障信号的电平转换和显示故障。当没有过压时， U2B 输出为 -13.5V ， Q1 发射极受到负电压而关断，故障输出为高电平；当输出过电压时， U2B 输出为 +13.5V ，Q1 发发射极有电流流过而导通，故障输出为 0 电平，同时指示灯 L3 亮。 电阻 R4 限制 Q1 发射结电流， D1 将 Q1 发射结电压限制在 -0.7V 以上。 R42 用于 限制 LED 的电流。 输入直流电压保护单元：输入电压保护单元的原理如图 3-10 所示，由电压检 测和过压比较两个部分构成，其功能是对输入电压的过压保护和指示。当输入 电压高于设定值时，比较器输出高电平去控制故障开关封锁PWM 信号。 图 3-10 输入电压保护单元 输入电压保护单元的电压检测和比较器的原理可以参见输出电压保护单元 . . 的说明，只是在此用的比较器没有设滞环。 电流保护单元：电流保护单元原理如图3-11 所示，由比例放大、限流单元、 过流比较、过流故障输出四部分组成，其功能是实现输出限流和过电流保护。 图 3-11电流保护单元 比例放大：电流检测是通过电流传感器，其输出的是电流信号，经过电阻 RF 转化为电压信号，再经过R44 和 C20 进行滤波。运放U2C 、电阻 R45 、R46 和 R47 组成放大器对电流信号放大同时有阻抗变换的作用。放大后和电流信号可以 用作电流反馈、电流限制和过电流保护。 限流控制：放大后的电流信号经过电位器POT1 分压，经过稳压管和电阻R45 控制 Q3 开通和关断。当 POT1 分压大于稳压管的稳压值时，稳压管击穿 Q3 开通， Q3 开通将 PWM 控制器的软起动端的电压拉低，减小PWM 宽度，减小输出电流， 实现限流控制。 过流比较：如果电流限制没有起作用，电流会上升，这时过流保护要起作用。 放大电电流信号和由R52 和 R51 分压后的电压基准进行比较，当电流放大信号大 于基准电压时，运放U2D 输出 +13.5V ，控制故障开关输出为低电平。 过流故障输出：过流故障输出和显示由三极管Q5、电阻 R55、 LED 指示 L6 组成。当 U2D 输出 +13.5 时， Q5 通过，输出低电平，同时过流指示L6 亮。 故障封锁单元：当故障发生后要能封锁PWM 信号，关断IGBT ，否则为使功 率器损坏。故障封锁单元原理图如图3-12 所示，由 RS 触发器和故障封锁开关两 部分构成，功能是在输出过压、过流和短路信号发生后能封存故障，关闭PWM 信号，关断 IGBT。 . . 图 3-12故障封锁单元原理图 RS 触发器 ：输出过流信号、输出过压信号及从驱动板来的IGBT 短路信号（都 是低电平）经过 U5A 和 U5B 加在由 U5C 和 U5D 组成的 RS 触发器的置一端，使 RS 触发器输出为高电平开通故障开关 Q2。采用 RS 触发器能在故障信号消除后仍能保 持 PWM 信号封锁状态，以避免频繁故障和保护动作对功率器件及其它器件的损坏。 故障封锁：故障封锁由三极管 Q2 及电阻 R54、R60 和 R61 组成。当故障封 存的 RS 触发器输出高电平时， Q2 导通将 PWM 控制器的软起动端接为低电平，封 锁 PWM 输出。此外输入过压信号也可直接控制Q2，在输入过压时封锁PWM 信号。 多闭环转换：在研发和调试过程中，要对开环、单闭环和双闭环进行调试。 电路 PCB 板上有不同跳线实现不同环的转换。 开环控制：当跳线器 JUP2 和 JUP4 接通时， PWM 控制器的误差放大器工作在 电压跟状态，调节给定电位器，可以调节 PWM 发生器的比较电压，调节 PWM 输出 信号的宽度，实现开环控制。 跳线设置如下： 单闭环控制：断开跳线器 JUP4 ，合上 JUP2 和 JUP3 可实现电流环控制；断 开跳线器 PU2，合上 JPU1 和 JPU4 可实现电压环控制； 双闭环控制：断开跳线器 JUP4 和 JPU2 ，合上 JUP1 和 JUP3 可实现电压 / 速 度与电流环的双闭环控制。 上述闭环转换时， PI 调节器控制参数要根据控制对象不同而调节。 . . 3.4 参数选择 控制电源： +15V/0.5A 、 -15V/0.3A 外部给定电压： DC 0-5V 电流传感器取样电阻： 100 欧 电压传感器取样电阻： 100 欧 速度反馈输入： DC 0-5V PWM 驱动输出信号： 14mA IGBT 故障输入信号： 5-20mA OUT+ 与 OUT-电流： 1mA UC+与 UC-电流： 1mA 4、系统仿真 4.1 PSIM 软件介绍 PSIM 是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM 全 称 Power Simulation 。 PSIM 是由 SIMCAD 和 SIMVIEM 两个软件来组成的。 PSIM 具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的 解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。 它将半导体功率器件等效为理想开关，能够进行快速的仿真，对于初学者来 说更容易掌握。是专门针对电力电子及电机拖动开发的专用仿真软件。 . . 4.2 主电路和控制电路模型 图 4-1仿真模型 仿真参数： 主电路部分： 输入直流电压： 408V 输入支撑电容： 3uF 滤波电感：0.9mH 滤波电感：560uF 负载电阻：27.8 控制电路部分： 输入 R（x） =75.1 Kp=0.05 Ki=100 4.3 系统仿真 4.3.1 开环仿真 1）输入电压为408V，PWM 波占空比为 0.4787 时，预期得到的输出 电压为 105V。经仿真，得到输出电平均值为104.84V ，恒压精度为 . . |105-104.84|/105=0.152%。输出电压的有效值为104.84V ，输出电流的有效值 为 4.194A ，所以输出的功率为 104.84*4.194=439.7W 。 图 4-2 输入电压为 408V ，PWM 波占空比为 0.4787 时输出电压 图 4-3输入电压为408V ，PWM 波占空比为0.4787 时双路 PWM 波 . . 图 4-4 输入电压为 408V ， PWM 波占空比为 0.4787 时 IGBT CE 间电压 图 4-5 输入电压为408V ， PWM 波占空比为0.4787 时变压器原边、次边电压 2）输入电压为 408V ，PWM 波占空比为 0.4285 时，预期的输出电压平均值为 94V，经系统仿真可以知道输出电压的平均值为93.858 。恒压精度为（ 94-93.858 ） /94=0.151% 。 图 4-6输入电压为408V ，PWM 波占空比为0.4285 时输出电压 . . 图 4-7 输入电压为 408V ，PWM 波占空比为 0.4285 时双路 PWM 波 我们可以看到，当占空比变化时，输出电压的值也变化了。所以开环仿真占 空比变化，输出电压平均值变化，通过改变占空比能线性调节输出电压。 4.3.2 闭环仿真 1）输入电压为 408V，负载为 27.8 ，给定电压为 75.1V ，输出电压平均值 为75.099V ，输出电压非常接近给定电压，恒压精度为 |75.1-75.099|/75=0.00133%。输出电压的有效值为75.099V ，输出电流有效值 为 2.7A ，所以输出功率为 75.099*2.7=202.76W ，符合设计条件。 . . 图 4-8输入电压为408V 时输出电压电流 图 4-9 输入电压为 408V 时 PWM 波 2）减少输入电压为 372V ，给定电压为 75.1V，输出电压平均值为 75.0996V ， 输出电压仍能非常接近给定电压。恒压精度为 |75.1-75.0996|/75.1=0.000532% 。 输出电压的有效值为 75.0997V ，输出电流的有效值为 2.7A ，所以输出功率为 75.0997*2.7=202.76W ，符合设计要求。由于输入减少，为使输出不变，PI 控制 器输出 PWM 波占空比略有变大。 图 4-10输入电压为372V 时输出电压电流 . . 图 4-11 输入电压为 372V 时 PWM 波 3）输入电压为408V，给定电压为75.1V ，负载由 27.8 增加为 56.5 ，输 出电压为平均值为 75.0997V ，恒压精度为 |75.1-75.0997|/75.1=0.000399% 。输出电 压有效值为 75.0997V ，输出电流有效值为 1.33A，所以输出功率为 99.88W 。 PWM 占空比减小。 图 4-12负载增加时输出电压电流 . . 图 4-13 负载增加时 PWM 波 闭环仿真下，输入电压变化时，半桥变换器能恒定输出给定电压值，PWM 占 空比有变化；电压调整率为 |75.099-75.0996|/75.099=0.000799% 。优于 5% ，恒压 精度非常好！ 负载变化时，能输出给定电压值，说明闭环系统性能良好，能稳定工作。 负载调整率为 75.099-75.0997|/75.099=0.000932% 。优于 5%，恒压精度非 常好！ 根据仿真我们可以看到，符合设计要求。 4.3.3 开环与闭环对比 通过对系统进行开环和闭环的控制，我们可以知道，在开环时，输出电压为 75.1V 的情况下，开环的恒压精度为0.146% ，闭环的恒压精度为0.0003478% ，远 远小于开环，证明闭环情况下，输出电压波动更小，输出更精确。当负载变化 时，为使得输出电压不变，PWM 占空比会跟着变化，始终使得电压恒定。开环时 则没有这项功能。加入 PI 控制后，系统更加稳定，输出电压的恒压精度更高了。 . . 5、实验分析 5.1 电力电子与电力传动开发平台介绍 实验室共有两种类型的开发平台“PESX-I 电力电子与电力传动开发平台” 和“ PESX -电力电子与电力传动开发平台”II 型与 I 型相比，在 DSP 控制箱、 IGBT 驱动以及交流机组做了较大升级改动。 开发平台由主电路模块、负载模块、传感器、电源模块、驱动模块和控制 模块六大类构成，其中控制模块分为专用芯片控制、单片机控制和DSP 控制三种 层次。常用的电力电子与电力传动系统（如整流电源、斩波电源、逆变器电源、 大功率开关电源、三相PWM 整流器、 H 型斩波器、直流传动、交流传动等）都可 以在平台上实现，控制系统可根据开发者个人能力和喜好来选取。开发平台具有 如下特点： 1) 采用模块式结构。主电路、控制、电源、传感器等模块都采用独立的模块结构， 且模块完全开放，开发可根据自己需要，象积木一样搭建自己的系统。 2) 控制系统多层次。控制模块由专用控制器（ TC787/SG3525 ）、单片机（MCU+CPLD ） 和 DSP （F2812 ）三类组成，满足多种主电路结构和不同层次的开发要求。 3) 采用先进技术。平台中除有传统技术之外，还采用先进的技术和器件。主模块 采用 IGBT 、IGBT 采用 Concept 公司的专用驱动（国际上使用最广泛）、控制器 采用高性能单片 MCU 和 DSP ，平台适用于先进技术的研究和产品开发。 4) 考虑多种辅助功能。开发平台可提供多种辅助功能，如隔离的示波器供电电源、 交直流电流和电压表、连接导线等，给开发者提供方便。 5.2 采用模块 5.2.1 PESX-02 三相逆变桥 1）功能 在门极控制信号作用下，将直流电压变为交流电压。可用于单/ 三相逆变， 直流斩波，半 / 全桥变换电路。 . . 2）面板 图 5-1三相逆变桥实验箱面板 5.2.2 PESX-03 单相 / 三相整流桥 1）功能 将交流电变为直流电。 箱体内装两种整流桥： 第一种：快恢复单相整流桥。用于半桥或全桥变换电路输出整流； 第二种：普通三相整流桥。用于三相工频整流。 2）面板 图 5-2单相 / 三相整流桥实验箱面板 . . 5.2.3 PESX-04 电容组件 1）功能 本实验箱由两种电容先串联后再并联组成。一种由无感电容组成，用于半桥 变换电路，作为半桥支撑电容。或用于AC/AC 电路中输出 LC 滤波的滤波电容。 另外一种由电解电容组成，用于整流输出滤波。 2）面板 图 5-3电容组件实验箱面板 5.2.4 PESX-T 高频变压器 1）功能 本变压器设计用于半桥变换电路中，可通过次边线圈串并联实现输出电压的 变化。 2）面板 图 5-4高频变压器实验箱面板 . . 5.2.5 PESX-L1高频滤波电抗器 1）功能 本高频滤波电抗器设计用于单相或三相逆变电源的输出回路中，作为输出 LC 滤波回路的滤波电感L。也可用于三相输入电路中，作为输入滤波电抗器使用。 2）面板 图 5-5高频滤波电抗器实验箱面板 5.2.6 PESX-21 控制电源箱 1）功能 本实验箱是将交流220V 变为直流 5V，±15V，24V，以便给控制系统提供工 作电源。 2）面板 图 5-6控制电源实验箱面板 . . 5.2.7 PESX-22 电压传感器箱 1）功能 本实验箱用于测量任意波形电压。当原边输入电流10mA 时，次边输出 25mA 。 本实验箱中一共有三个相同的电压传感器，每个电压传感器接线相同。 2）面板 图 5-7电压传感器实验箱面板 5.2.8 PESX-23 IGBT驱动箱 1）功能 本箱体内装三路 IGBT 驱动电路。它以 2SD315-AI 专用 IGBT 驱动模块为核 心，外加工作电源过欠压检测、短路保护设置、上下桥臂信号互锁以及故障信号 恒流源变换等四部分电路。从控制板输出的驱动信号经过驱动板隔离放大后直接 驱动 IGBT 模块，同时将检测到的 IGBT 短路或过流、工作电源过欠压等故障信号 以电流方式返回到控制板。 2）面板 图 5-8 IGBT 驱动实验箱面板 . . 5.2.9 PESX-25 PWM控制箱 1）功能 PWM 控制板以专用PWM 控制芯片 SG3525 为核心，可用于多种DC/DC 电源变 换器控制（升压斩波器、降压斩波器、反激开关电源、正激开关电源、半桥开关 电源和桥式开关电源）和直流电机调速系统控制。 控制板留有电压、电流和速度接口，可以实现各种信号的监测、保护和反馈， 控制板上有多种跳线，可实现开环、单闭环和双闭环多种控制功能。控制板上还 有给定积分积分单元，专供直流调速控制。 2）面板 图 5-9 PWM 控制实验箱面板 5.3 实验过程 5.3.1 开环实验 1）主电路接线正确的情况下，将PWM 控制箱跳线器 JUP2 和 JUP4 接通时， 误差放大器工作在电压跟随状态。 2）给控制电源箱上电，调节给定电位器RP1，可以改变PWM 发生器的比较 电压，调节 PWM 输出信号的宽度，从而控制占空比大小，实现开环控制。 . . 图 5-11 双路 PWM 波 死区时间为 6us，达到要求。每路PWM 波占空比不能超过0.5 。 3）合上主电路漏电流断路器，主控制台左侧断路器，给主电路通电，按压 主电路启动按钮，注意此时调压器一定左旋到头。 4）缓慢右旋调压器，增大输入电压，用示波器观测并记录输入电压值，输 出电压值， IGBT 集电极 C 射极 E 之间电压波形，变压器原边、次边电压波形。 PWM 波占空比为 0.483PWM 波占空比为 0.427 输入电压408V408V 输出电压105V94V 功率400.9W317.8W 表 5-1开环实验数据 图 5-12输出电压105V 时的 PWM 波占空比图 5-13输出电压105V . . 图 5-14输出电压94V 时的 PWM 占空比图 5-15输出电压94V 5）实验结束后将调压器左旋到头，按压主电路停止按钮，断开主电路漏电 流断路器。 105V开环仿真开环实验 占空比0.47870.483 输入电压408V408V 输出电压104.84V105.3V 功率407.0W410.67W 恒压精度0.152%0.2857% 94V开环仿真开环实验 占空比0.42850.4269 输入电压408V408V 输出电压93.858V94.1V 功率326.27W327.95W 恒压精度0.151%0.106% 结论：当减小输出电压时， PWM 占空比会变小，且开环仿真与开环实验相差不 大，皆可满足设计要求！ 5.3.2 闭环实验 1）在主电路接线正确的情况下，断开PWM 控制箱跳线 JUP2 ，合上 JUP1 和 JUP4，合上 JUP8 ，电压信号通过JUP8 反馈给出。 2）合上主电路漏电流断路器，主电路通电，按压主电路启动按钮，注意此 时调压器一定左旋到头。 . . 3）缓慢调节调压器，用万用表观测 U1 第 13 脚- 反馈电压值和 12 脚- 给定电 压值，通过调节电位器RP1 的电阻值，改变给定电压值大小，当给定与反馈电压 值相近，即电压闭环控制实现。 4）增大输入电压值，观测并记录输出电压、电流、占空比的变化趋势，用 示波器测量并记录PWM 波频率。 输入电压为 408V输入电压为 372.2V 输出电压75.1V75.1V PWM波占空比0.3480.382 功率202.87W202.87W 表 5-2闭环实验增大输入电压数据 图 5-16 输入电压为 372.2V 时输出电压及 PWM 波形 图 5-17输入电压增加到408V 时的 PWM 占空比及输出电压 增大输入电压，输出电压基本为75.1V 不变， PWM 波占空比减小，这是由于 PI 控制器的作用，在输入电压增大的情况下，为保持输出电压不变，PI 控制器 自动减小占空比。 . . 输入电压 408V 输出 75.1V 闭闭环环仿真闭环实验 环 占空比0.3490.348 输入电压408V408V 输出电压75.099V75.1V 功率202.76W202.87W 恒压精度0.00133%0 结论：仿真结果与实验结果非常接近，恒压精度与输出功率都满足设计要求 减小输入电压到闭环仿真闭环实验 372V 占空比0.3840.382 输入电压372V372V 输出电压75.0996V75.1V 恒压精度0.000532%0 结论：第一，仿真结果与实验结果非常符合，功率和恒压精度都满足设计要求。 第二，通过比较闭环实验一，我们可以看到，当减少输入电压时，输出 电压不变， PWM 占空比增大 5）在电压闭环情况下，输入电压不变，减负载或加负载，观测并记录输出 电压、占空比的变化情况。 负载为 27.8 负载为 56.5 输出电压75.1V75.3V PWM波占空比0.3480.337 表 5-3闭环实验负载减小实验 增加负载后，输出电压从75.1V 增加到 75.3V ，PWM 波占空比