Описание лабораторной установки

В комплект лабораторной установки входят следующие модули: «Преобразователь постоянного напряжения», «Модуль измерительный», «Мультиметры», а также двухканальный осциллограф.

Установка является универсальной, на ней можно производить исследования ППН-1, а также импульсного стабилизатора постоянного напряжения. В качестве регулирующего элемента может быть применен любой из существующих типов транзисторов - биполярный, полевой и ІGВТ, что позволяет сравнить эти транзисторы при их работе в ключевом режиме.

Лицевая панель модуля «Преобразователь постоянного напряжения» представлена на рис. 6.7. На ней изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы. Силовая часть схемы состоит из источника питания ИП, на выходе которого включен конденсатор фильтра С_Ф, силовых транзисторных ключей VТ1, VT2 и VT3, диода VD, шунтирующего активно-индуктивную нагрузку R_н, L_н. Параллельно резистору R_н, с помощью тумблера ЅАЗ может подключаться конденсатор С_н. Резистор R_н выполнен регулируемым. Напряжение на выходе источника питания ИП регулируется с помощью потенциометра RP1.

Система управления СУ выдает на выходе управляющие импульсы, подаваемые на входы силовых транзисторов. Частота управляющих импульсов (5 кГц или 10 кГц) изменяется тумблером ЅА1.

В режиме «Регулирование постоянного напряжения» тумблер ЅА2 модуля «Преобразователь постоянного тока» переключается в положение «Рег». При этом длительность управляющих импульсов, а, следовательно, и напряжение на нагрузке, регулируется потенциометром RР2. Относительная длительность включения транзисторов - коэффициент заполнения D измеряется прибором РА1, установленным на лицевой панели (см. рис. 6.7).

В режиме «Стабилизация постоянного напряжения» тумблер ЅА2 переключается в положение «Стаб». При этом величина стабильного выходного напряжения также устанавливается потенциометром RР2,

Для осциллографирования тока на входе силового транзистора установлен шунт RЅ1 = 10 Ом. Для осциллографирования токов силовых транзисторов (эмиттера, истока) і_1T, нагрузки і_н и диода і_д установлены шунты (RЅ2, RЅ3 и RЅ4). Сопротивления этих шунтов 1 Ом.

Рис.6.7. Модуль преобразователь постоянного напряжения ППН-1

Внимание! Земля (корпус) осциллографа должна быть постоянно приближена к общей точке соединения RЅ2, RЅ3 и RЅ4, обозначенной « ». Поэтому корпус осциллографа « » последовательно подключается к гнездам Х20, Х24, Х25 при измерении соответствующих токов. При применении двухканального осциллографа вход канала СН1 используется для измерения токов, а вход канала СН2, подключаемый через выносной делитель (k_д = 10), используется для измерения напряжений в схеме. При указанном подключении осциллограмма тока нагрузки і_н имеет отрицательную полярность. Это нужно учесть, указывая направление оси і на осциллограмме. При подаче сигналов с шунтов через инструментальный усилитель (гнезда Х12 - Х14), расположенный на панели, осциллограммы могут быть сориентированы правильно. При измерении напряжений осциллограммы могут быть правильно сориентированы с помощью кнопки СН2 INV расположенной на лицевой панели осциллографа.

Порядок выполнения работы:

Собрать схему для исследования преобразователя постоянного напряжения в соответствии с рис.6.8. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.

В табл. 6.1 приведены измерительные приборы, используемые в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис.6.8).

Таблица 6.1. Параметры измерительных приборов схемы.

Измеряемые величины	Обозначение прибора	Предел измерения	Месторасположение прибора (название модуля)
Напряжение на входе Uвх	PV1	= 200 В	Мультиметры
Ток на входе Iвх	PA1	-	Модуль измерительный
Напряжение на нагрузке Uн	PV2	= 200 В	Мультиметры
Ток нагрузки Iн	PA2	-	Модуль измерительный

При исследовании ППН-1 с полевым транзистором в режиме регулирования напряжения и работе на активно-индуктивную нагрузку необходимо:

Гнездо Х15 соединить с Х17, подключив в схему полевой транзистор VТ2. Тумблером SА1(рис.6.7) установить заданную частоту ШИМ f=5кГц. Тумблер SА2 установить в положение «Рег», а SА3 в положение «0» (конденсатор С_н отключен). Ручки потенциометров RР1, RР2 и реостата R_н установить в положение «0». Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл.6.1. Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда», а затем переключатель питания модуля «Преобразователь постоянного напряжения».

При исследовании ППН-1 с биполярным транзистором необходимо гнездо Х15 соединить с Х17, а при работе с IGBT- транзистором Х15 необходимо соединить с Х17.

При работе с частотой ШИМ 10 кГц необходимо тумблер SA1 установить в положение 10 кГц.

Для подключения конденсатора С_н параллельно R_н необходимо включить тумблер SA3.

Рис. 6.8. Принципиальная схема для исследования ППН-1

Программа работы

А. Снять внешние характеристики

Внешние характеристики ППН-1 в режиме регулирования напряжения следует снять для двух значений коэффициента заполнения импульса D= D₁,

D= D₂;

- для случая индуктивного характера фильтра (С_н =0);

- для случая индуктивно-емкостного характера фильтра (С_н ≠0)

- при значении частоты ШИМ f=5 кГц;

- при значении частоты ШИМ f=10 кГц.

Поддерживать постоянным:

- заданный коэффициента заполнения импульса D= D₁, D= D₂;

- напряжение на входе преобразователя U_вх;

- частоту ШИМ f=5 кГц (или f=10 кГц);

Изменять:

- ток нагрузки I_н.

Измерять:

- напряжение на входе преобразователя U_вх;

- ток на входе преобразователя I_вх;

- напряжение нагрузки U_н;

- ток нагрузки I_н;

- амплипуду пульсации тока нагрузки Δ I_н;

Вычислить:

- мощность, потребляемую от источника питания Р_вх;

- мощность, отдаваемую в нагрузку P_н;

- КПД преобразователя η;

- коэффициент пульсации тока нагрузки k_п.т.э.

Рассчитать:

- коэффициент пульсации тока нагрузки (по формуле 6.7) k_п.т.т

Результаты измерений и расчетов занести в табл.6.2.

Таблица 6.2. Внешние характеристики ППН-1.

(D= , С_н = мкФ, L= мГн, f= Гц, U_вх= В)

Измерено	Iн, А
	Uн, В
	Iвх, А
	Uвх, В
	Δ Iн, о.е.
Вычислено	Рнг, Вт
	Рвх, Вт
	η
	kп.т.э
	kп.т.т

По данным табл.6.2 построить на графике №1 зависимости U_н=f(I_н), η=f(I_н),

k_п.т.э= f(I_н), k_п.т.т= f(I_н).

Расчетные соотношения:

Р_нг= U_н I_н, Р_вх= U_вх I_вх, η= Р_нг/Р_вх, k_п.т.э=ΔI/I_н;

Б. Снять регулировочную характеристику

Регулировочная характеристика U_н=f (D) и энергетические показатели Р_нг= f (D),

Р_вх= f (D), η= f (D) снимаются при постоянном сопротивлении нагрузки R_н и заданном напряжении U_вх. Сопротивление R_н следует установить таким, чтобы ток нагрузки достиг максимально допустимое значение при коэффициенте заполнения импульса D=1.

Величина коэффициента заполнения импульса γ регулируется потенциометром RP2.

Выполнить теоретический расчет регулировочной характеристики с учетом падения напряжения на элементах схемы, воспользовавшись формулой (6.8):

U_нг.т= U_вх D – I_нгR_сх.

Результаты измерений и расчетов занести в табл.6.3.

Таблица 6.3. Регулировочные характеристики ППН-1.

(R_н = , С_н = мкФ, L= мГн, f= Гц, U_вх= В)

Измерено	D
	Iн, А
	Uн.э, В
	Iвх, А
	Uвх, В
	Δ Iн, о.е.
Вычислено	Рнг, Вт
	Рвх, Вт
	η
	kп.т.э
	kп.т.т
	Uн.т, В

Расчетные соотношения:

Р_нг= U_н I_н, Р_вх= U_вх I_вх, η= Р_нг/Р_вх, k_п.т.э=ΔI/I_н;

.

По данным табл.6.3. построить на графике №2 экспериментальную и теоретическую регулировочную характеристики U_н.э=f(D), U_н.т=f(D)) и зависимости η=f(D); k_п.т.э=f(D); k_п.т.т=f(D).

В. Исследование электромагнитных процессов

1. Снять осциллограммы напряжения на транзисторном ключе u_vт и тока через транзистор i_vт. Для этого установить заданные значения напряжения на входе U_d и коэффициента заполнения D ручкой потенциометров RР1 и RР2 соответственно. Ручкой реостата R_н по амперметру РА2 установить заданное значение тока нагрузки I_н. Канал СН1 осциллографа подключить к шунту RS2 («+» - гнездо Х19, корпус осциллографа « » - гнездо Х20), а канал СН2 - к гнезду X11 (напряжение на транзисторном ключе). Сфотографировать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы. Определить масштабы по напряжению, току и времени.

2. Снять осциллограммы напряжения на нагрузке и_н и тока через диод i_д при тех же заданных значениях U_вх, D и I_н. Для этого канал CH1 осциллографа подключить к шунту RS4 («+» - гнездо Х23, корпус осциллографа « »- гнездо Х24), а канал СН2 к гнезду Х21 (напряжение на нагрузке). Для получения положительного отклонения напряжения и_н нажать кнопку СН2 INV на осциллографе. Сфотографировать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы;

3. Снять осциллограммы напряжения на нагрузке и_н и тока нагрузки i_н при тех же заданных значениях U_вх, D и I_н. Для этого канал СН1 осциллографа подключить к шунту RS3 («+» - гнездо Х25, корпус осциллографа « » - гнездо Х26), а канал СН2 к гнезду Х21 (напряжение на нагрузке). Зарисовать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы. По осциллограмме i_н определить в каком режиме работает схема (непрерывный или прерывистый ток в нагрузке);

4. Выполнить исследование влияние частоты ШИМ преобразователя на коэффициент пульсаций k_п.т тока нагрузки I_н. Для этого переключить канал СН1 осциллографа на открытый вход «АС» (переменная составляющая входного сигнала). Замерить двойную амплитуду пульсаций тока нагрузки ΔI. Определить коэффициент пульсаций k_п.т.э= ΔI/(2I_н), сравнив его с расчетным значением k_п.т.т. Переключить тумблер SA1 в другое положение и снова определить коэффициент пульсаций k_п.т.э при другой частоте ШИМ.

5. Подключить емкость сглаживающего фильтра С_н тумблером SAЗ и посмотреть осциллограммы и_н и i_н при тех же заданных значениях U_вх, D и I_н. Обратить внимание на то, что формы кривых и_н и i_н практически не изменяются. Снимите также осциллограммы напряжения на резисторе R_н при подключенном и отключенном конденсаторе С_н.

Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать следующие пункты:

а) наименование и цель работы;

б) предварительные расчеты и построения;

в) исходные данные, принципиальную силовую схему установки;

г) обработанные осциллограммы;

д) результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;

е) экспериментально снятые и построенные характеристики (регулировочные, внешние и энергетические);

з) выводы по работе:

• пояснить влияние частоты ШИМ преобразователя на коэффициент пульсаций тока нагрузки k_п.т;

• объяснить влияние коэффициента заполнения D на КПД преобразователя;

• объяснить влияние тока нагрузки I_н на вид внешних и энергетических характеристик ОППН-1;

• оценка влияния частоты ШИМ на КПД преобразователя с различными транзисторными ключами.