实验40－电力电子电路中信号的频谱分析.pdf

华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 实验四十 电力电子电路中信号的频谱分析 （信号与系统—电力电子学综合实验） 一、 实验原理 电力电子电路中开关管的开关工作方式将输出变成脉冲形式的电压或电流。根据对 这些方脉冲形式波形的傅立叶级数表达式的分析可知，其中除了变换器功能上所需要的 直流成分或基波成分外，还蕴含有丰富的高次谐波成分。这些高次谐波成分对于电源和 负载是极为有害的，例如高次谐波成分的电压使电机速度不平稳、轴间磨损加大；高次 谐波电流对供电电网危害更甚：使供电电源正弦波电压产生畸变；谐波电流会使线路和 配电变压器过热，损坏电器设备；谐波电流会引起电网 LC 谐振；高次谐波电流流过电 网的高压电容，使之过流过热而爆炸；以及输入端功率因数降低，使发电配电及变电设 备效率降低、损耗加大，等等。采用低通滤波器滤除这些谐波成分，是一种传统的选择， 然而过大的高次谐波成分消耗在滤波器中，不仅大大增大滤波器的尺寸，而且也使变换 器的效率大大降低。 因此，研究高性能的变换器，使其高次谐波成分大大减少，提高基波成分，是电力 电子学科研究方向之一。从普通的单脉冲方波输出，到多脉冲方波，进而到SPWM 波形 输出，傅立叶级数表达式分析表明谐波成分随这样的技术进步而大大减少；而且，新的 高性能变换器还在不断研究出来，不同的 SPWM 调制技术使波形畸变不断改善，功率因 数校正技术也在不断进步。 分析变换器所产生的信号的频率成分，以便获得其波形或功率因数性能指标方面的 信息，对于电力电子变换器非常重要。本实验以一个具体实验电路为例，通过对计算机 相关分析软件——Wavestar 的介绍，让读者了解频谱分析的步骤和意义。 二、 实验目的 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉频谱分析中的正弦波信号的时域波形和频域频谱 的对照关系，加深对傅立叶变换原理的概念、性质、作用的理解，掌握使用WaveStar专 业软件分析信号频率特性的方法。 三、实验内容 按照实验原理，选取任一种电力电子变换电路的输出或输入电压（电流）的波形和 频谱，例如由DSP控制的单相或三相IGBT桥输出得到的正弦波电压的波形和频谱，使用 WaveStar专业软件分析，参照实验步骤完成信号的频谱分析实验，归纳总结实验结果和 得出的主要结论。 70 集学科优势 - - 求改革创新 华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 四、实验设备 1. 电力电子实验装置：相关实验模块（实验挂箱）；实验控制电路板；功率供电电源、 控制电源；实验箱面包板，等 2. 示波器 3. 计算机以及相应的分析软件 五、实验步骤(供参考) 实验案例中，以三相桥实验模块（实验挂箱A3 ）作为实验电路，采用控制电路板 B05+B05A （数字SPWM控制）完成单相或三相SPWM半桥或全桥或三相桥逆变实验， 或采用控制板B05+B05B （模拟SPWM控制）完成单相SPWM半桥逆变实验，输出SPWM 电压经过同样的滤波器后，以这时的正弦输出波形作为分析对象。 1．用示波器将单相或三相IGBT桥输出的正弦波电压显示，并存储。 2 ．将示波器与计算机相连，使用WaveStar专业软件将其存储的波形下载至计算机：首先 双击“WaveStar for Oscilloscopes ”打开WaveStar专业软件，如图 40-1 所示，然后点击“New Datasheet ”图标，出现如图40-2 所示方框。接着，从图 40-2 选项栏中选择“YTSheet ”， 点击“OK ”按键，出现“YTSheet (1) ”子屏幕，如图40-3 所示。最后，在主屏幕左面 的“Local ”下拉菜单中选择“Ref A ”或者“Ref B ”（依在示波器中存储的位置而定）， 并将其拖动到“YTSheet (1) ”子屏幕中。这里以存储为-50 Hz正弦波为例，结果如图 40-4 所示。 图40-1 71