实验六单相正弦波(SPWM)逆变电源研究l 一,实验目的 (1)掌握单相正弦波(SPWM)逆变电源的组成、工作原理、特点、波形分析与使用场合 (2)熟悉正弦波发生电路、PWM专用集成电路SG3525的工作原理与使用方法。 实验系统组成及工作原理 单相逆变器的结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和推挽逆变器等形式。本实验系统对单相推挽逆变电路进行研 推挽逆变器的主要优点是在任何时刻导通的开关不会多于一个,对于输出相同的功率,开关损耗比较小,因此,特 别适用于由低直流电压(如电池)供电的场合。另外,两个开关管的驱动信号是共地的,可简化驱动电路,其不足是变 压器原边绕组利用率低,当变压器原边两个绕组不完全对称时或者两开关器件特性不对称时,还可能出现直流磁化饱和 现象。逆变器主电路开关管采用功率 MOSFET管。当开关其间Ⅵl、ⅥT2轮流导通,再经推挽变压器升压后,即可在负载端 得到所需频率与幅值的交流电源。 脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生。SG3525芯片不仅能产生频率灵活可变的方波,而且可输出正弦PwM (SPwM)信号,以提高后接变压器的工作频率。为了使SG3525产生一个SPWM信号,可在芯片的9脚处加入一个幅度可变 的50Hz正弦波(我们这里仅需得到频率固定的50Hz可变电源,若需获得频率也可变的交变电源,则只需在9脚处加入 个幅值与频率均可变的正弦波即可),与5脚处的锯齿波信号进行比较,从而获得SP控制信号,改变正弦波的幅值, 即改变调制度M(调制度定义为正弦波调制波峰lm与锯齿波载波峰值[tm之比,即M=bhm/Um)就可以改变输出电压的幅 值,正常M≤1。考虑到5脚处的锯齿波如图4-22(a)所示,锯齿波的顶点约为3.3V,谷点约为0.9V。为此,正弦波 信号峰一峰值应在0.9V3.3V范围内变化,如图4-22(b)所示 U (a)(b) 图4-22PwM波形的产生 R
一．实验目的 （1）掌握单相正弦波（SPWM）逆变电源的组成、工作原理、特点、波形分析与使用场合。 （2）熟悉正弦波发生电路、PWM专用集成电路SG3525的工作原理与使用方法。 二．实验系统组成及工作原理 单相逆变器的结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和推挽逆变器等形式。本实验系统对单相推挽逆变电路进行研 究。 推挽逆变器的主要优点是在任何时刻导通的开关不会多于一个，对于输出相同的功率，开关损耗比较小，因此，特 别适用于由低直流电压（如电池）供电的场合。另外，两个开关管的驱动信号是共地的，可简化驱动电路，其不足是变 压器原边绕组利用率低，当变压器原边两个绕组不完全对称时或者两开关器件特性不对称时，还可能出现直流磁化饱和 现象。逆变器主电路开关管采用功率MOSFET管。当开关其间VT1、VT2轮流导通，再经推挽变压器升压后，即可在负载端 得到所需频率与幅值的交流电源。 脉宽调制信号由专用集成芯片SG3525产生。SG3525芯片不仅能产生频率灵活可变的方波，而且可输出正弦PWM （SPWM）信号，以提高后接变压器的工作频率。为了使SG3525产生一个SPWM信号，可在芯片的9脚处加入一个幅度可变 的50Hz正弦波（我们这里仅需得到频率固定的50Hz可变电源，若需获得频率也可变的交变电源，则只需在9脚处加入一 个幅值与频率均可变的正弦波即可），与5脚处的锯齿波信号进行比较，从而获得SPWM控制信号，改变正弦波的幅值， 即改变调制度M（调制度定义为正弦波调制波峰Urm与锯齿波载波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改变输出电压的幅 值，正常M≤1。考虑到5脚处的锯齿波如图4-22（a）所示，锯齿波的顶点UH约为3.3V，谷点UL约为0.9V。为此，正弦波 信号峰—峰值应在0.9V~3.3V范围内变化，如图4-22（b）所示。 (a) (b) 图4-22 PWM波形的产生
图4-23正弦波发生器 正弦波发生电路如图4-23所示。由图可知,正弦波发生器由两部分组成,前半部分为RC串并联型正弦波振荡器,振 荡频率设定在50Hz,调节电位器RP(即实验挂箱面板上的幅度调节电位器),即可调节正弦波峰一峰值,从而调节SPw 信号的脉冲宽度以及逆变电源输出基波电压的大小。正弦波发生器的后半部分为移位电路,将正负对称的正弦波移位到 第一象限,并使正弦波的谷点在0.9V之上 三,实验内容 (1)正弦波发生电路调试 (2)PWM专用集成电路SG3525性能测试 (3)带与不带滤波环节时的负载两端,MOS管两端以及变压器原边两端电压波形测试 (4)滤波环节性能测试。 (5)不同调制度M时的负载端电压测试 四.实验设备和仪器 (1)MCL现代运动控制技术实验台主控屏。 (2)正弦波逆变电源和单相交流调压组件挂箱 (3)数字式万用表 (4)双踪记忆示波器 五.思考题 (1)实验系统中SG3525采用单端输出,能否改用双端输出?为什么? (2)当调制度M>1后系统能否正常工作?与M<1相比较有何不同? 六.实验方法 1、实验准备 掌握用SG3525芯片产生SPWM信号的原理与RC串并联正弦波发生器的工作原理,以及推挽式单相正弦波逆变电源的工 作原理、特点、波形分析与使用场合 2、主电路接线 按图4-24接线图,将主电路的9与12端相连。 (1)正弦波发生器测试 测量1端正弦波信号的频率,最大与最小峰一峰值,正弦波的谷点偏离横坐标的数值以及正弦波上、下半波的对称
图4-23 正弦波发生器 正弦波发生电路如图4-23所示。由图可知，正弦波发生器由两部分组成，前半部分为RC串并联型正弦波振荡器，振 荡频率设定在50Hz，调节电位器RP（即实验挂箱面板上的幅度调节电位器），即可调节正弦波峰—峰值，从而调节SPWM 信号的脉冲宽度以及逆变电源输出基波电压的大小。正弦波发生器的后半部分为移位电路，将正负对称的正弦波移位到 第一象限，并使正弦波的谷点在0.9V之上。 三．实验内容 （1）正弦波发生电路调试。 （2）PWM专用集成电路SG3525性能测试。 （3）带与不带滤波环节时的负载两端，MOS管两端以及变压器原边两端电压波形测试。 （4）滤波环节性能测试。 （5）不同调制度M时的负载端电压测试。 四．实验设备和仪器 （1）MCL现代运动控制技术实验台主控屏。 （2）正弦波逆变电源和单相交流调压组件挂箱。 （3）数字式万用表。 （4）双踪记忆示波器。 五．思考题 （1）实验系统中SG3525采用单端输出，能否改用双端输出？为什么？ （2）当调制度M＞1后系统能否正常工作？与M＜1相比较有何不同？ 六．实验方法 1、实验准备 掌握用SG3525芯片产生SPWM信号的原理与RC串并联正弦波发生器的工作原理，以及推挽式单相正弦波逆变电源的工 作原理、特点、波形分析与使用场合。 2、主电路接线 按图4-24接线图，将主电路的9与12端相连。 （1）正弦波发生器测试 测量1端正弦波信号的频率，最大与最小峰—峰值，正弦波的谷点偏离横坐标的数值以及正弦波上、下半波的对称 性
+15 6 正弦波发生器 3 1112 幅度调节 VT2 丈N2) 图4-24单相正弦波(SPWM)逆变电源 (2)SG3525性能的测试 1)锯齿波周期与顶点团、谷点L的测量(分开关S2合上与断开两种情况)。 2)正弦波与锯齿波的配合调试。 当正弦波发生器的幅度调节电位器在任意位置时,都能与锯齿波有符合要求的相交点,使在3端能得到正确的SPWM 控制信号。 3)调制度M测量 当幅度调节电位器左旋到底与右旋到底时,测出对应的最小与最大调制度M。 3、Mos管的驱动波形测试 用双踪示波器观察并记录3、4端与地端间波形(只需看部分SPW波形),当改变幅度调节电位器位置时,应使该波 形均符合互补的要求 4、各电压波形的测试 测试MS管两端电压,输出变压器原边N11、N12两端电压以及负载端波形测试,(只需测试部分SPWM波形) (1)不带滤波环节 主电路接线同上,S2放在断开位置,幅度调节电位器旋转到大致中间的位置。观察并记录上述波形 (2)带滤波环节 将主电路的9与10端、11与12端相连,断开9与12端的相连,幅度调节电位器仍旋在上述位置。观察并记录上述波 5、不同调制度M时的负载端电压测试 (1)主电路接线同上。 (2)将幅度调节电位器从左向右旋转45个位置,分别观察并记录负载端电压幅值与波形 6、不同载波频率时的滤波效果比较
图4-24单相正弦波（SPWM）逆变电源 （2）SG3525性能的测试 1）锯齿波周期与顶点UH、谷点UL的测量（分开关S2合上与断开两种情况）。 2）正弦波与锯齿波的配合调试。 当正弦波发生器的幅度调节电位器在任意位置时，都能与锯齿波有符合要求的相交点，使在3端能得到正确的SPWM 控制信号。 3）调制度M测量 当幅度调节电位器左旋到底与右旋到底时，测出对应的最小与最大调制度M。 3、MOS管的驱动波形测试 用双踪示波器观察并记录3、4端与地端间波形（只需看部分SPWM波形），当改变幅度调节电位器位置时，应使该波 形均符合互补的要求。 4、各电压波形的测试 测试MOS管两端电压，输出变压器原边N11、N12两端电压以及负载端波形测试，（只需测试部分SPWM波形）。 （1）不带滤波环节 主电路接线同上，S2放在断开位置，幅度调节电位器旋转到大致中间的位置。观察并记录上述波形。 （2）带滤波环节 将主电路的9与10端、11与12端相连，断开9与12端的相连，幅度调节电位器仍旋在上述位置。观察并记录上述波 形。 5、不同调制度M时的负载端电压测试 （1）主电路接线同上。 （2）将幅度调节电位器从左向右旋转4~5个位置，分别观察并记录负载端电压幅值与波形。 6、不同载波频率时的滤波效果比较
在S2合上与断开情况下,观察并记录负载两端波形。 七.实验报告 (1)列出正弦波信号的实测数据。 (2)在开关S2断开与合上条件下,画出SG3525的5脚的锯齿波,并注明周期、顶点H、谷点L。 (3)所测得的最小与最大调制度M值 (4)画出MS管的部分驱动波形 (5)画出不带与带滤波环节时的MS管两端,N11、N2两端以及负载电压波形,并与理想波形相比较,试分析两者 相差的原因。 (6)列出不同M值时的负载端电压值并画出曲线 (⑦)画出不同负载频率时的负载端电压曲线,并说明提高载波频率对滤波效果以及对输出变压器工作的影响。 (8)试说明实验系统单相正弦波逆变电源的优缺点及使用场合。 (9)实验的收获、体会与改进意见 八.注意事项 在合上交流电源开关之前,应检查+15V电源开关S是否处于断开状态
在S2合上与断开情况下，观察并记录负载两端波形。 七．实验报告 （1）列出正弦波信号的实测数据。 （2）在开关S2断开与合上条件下，画出SG3525的5脚的锯齿波，并注明周期、顶点UH、谷点UL。 （3）所测得的最小与最大调制度M值。 （4）画出MOS管的部分驱动波形。 （5）画出不带与带滤波环节时的MOS管两端，N11、N12两端以及负载电压波形，并与理想波形相比较，试分析两者 相差的原因。 （6）列出不同M值时的负载端电压值并画出曲线。 （7）画出不同负载频率时的负载端电压曲线，并说明提高载波频率对滤波效果以及对输出变压器工作的影响。 （8）试说明实验系统单相正弦波逆变电源的优缺点及使用场合。 （9）实验的收获、体会与改进意见。 八．注意事项 在合上交流电源开关之前，应检查＋15V电源开关S1是否处于断开状态