2.3. Лабораторная работа: «Исследование широтно-импульсных преобразователей постоянного напряжения»
Цель работы:
Изучить принцип работы нереверсивных и реверсивных широтно-импульсных преобразователей, работающих на регулируемую RL-нагрузку.
Снять и построить основные характеристики преобразователя.
Список модулей, используемых в лабораторной работе:
Аппаратная часть стенда выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит 11 модулей:
«Источник питания» - 1шт.
«Источник питания однофазный» - 1шт.
«Терминал» - 1шт.
«Активная нагрузка 1» - 1шт.
«Активная нагрузка 2» - 1шт.
«Емкостная нагрузка» - 1шт.
«Индуктивная нагрузка» - 1шт.
«Коннектор с платой ввода/вывода» - 1шт.
«Блок ввода-вывода» - 1шт.
«Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения» - 1шт.
«Модуль преобразователей» - 1шт.
Также в состав комплекта входит персональный компьютер с программным обеспечением для выполнения лабораторных работ.
Внешний вид комплекта «Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения ШИПиПН-ПО» представлен на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Внешний вид комплекта «Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения ШИПиПН-ПО».
Работа предусматривает изучение широтно-импульсных преобразователей:
- понижающего с последовательным ключом;
- понижающего с последовательным и шунтирующим ключами;
- реверсивного с симметричным и несимметричным управлением ключами.
Подготовка стенда к работе:
Модуль «Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения» (далее – преобразователь), представляет собой мостовой широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения состоящий из формирователя импульсов, устройства индикации и управления режимами работы на микроконтроллере. Силовая часть построена на трехфазном драйвере IR2132 с четверкой силовых ключей типа IGBT без интегрированных диодов в выходном звене. На лицевую панель нанесена мнемосхема выходной части преобразователя.
Для включения преобразователя в работу необходим внешний источник питания 0…30В/2А постоянного тока, которым служит модуль «Источник питания».
Модуль
предназначен для питания лабораторных
модулей регулируемым низковольтным
постоянным напряжением в диапазоне
0…30 В. Регулировка величины выходного
напряжения осуществляется ручкой
«Uвых», расположенной на
лицевой панели модуля. Индикация текущего
значения выходного напряжения
осуществляется цифровым электронным
вольтметром, индикация тока нагрузки
– цифровым электронным амперметром.
На лицевую панель выведены соответствующие
гнезда для включения источника питания
в электрическую цепь. Индикация
перегрузки по току осуществляется
светодиодом «Защита». В случае срабатывания
системы защиты, необходимо выключить
питание модуля, устранить причину
короткого замыкания или перегрузки и
снова включить питание модуля. Модуль
имеет гальваническую развязку от
питающей сети 220В/50Гц. Включение/выключение
модуля производится клавишным выключателем
«Вкл», расположенным на лицевой панели.
Для подключения преобразователя к источнику питания и измерения различных параметров в разных точках схемы, на переднюю панель выведены соответствующие гнезда. Гнезда Х4 и Х5 совместно с шиной Х6 предназначены для подключения положительного потенциала источника питания к полумостам преобразователя. Отрицательный потенциал источника питания подключается к гнезду Х3.
Гнезда Х1 и Х2 служат для подключения нагрузки.
На переднюю панель установлены пары гнезд U1,U2,U3,U4, служащие для осциллографирования управляющих сигналов, снимаемых с затворов силовых ключей VT1-VT4 преобразователя. Данные сигналы имеют уровень ТТЛ и гальванически развязаны от схемы преобразователя. Выводы « » гнезд U1-U4 являются их общим проводом.
Кнопка «ЧАСТОТА 100ГЦ/1кГЦ» служит для дискретного выбора рабочей частоты преобразователя (100Гц/1кГЦ).
Потенциометр «СКВАЖНОСТЬ» изменяет скважность управляющих импульсов преобразователя от 1 до 95%.
Переключатель «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» позволяет переводить управление преобразователем с ручного режима на дистанционное (управление от компьютера).
Светодиод красного цвета свечения «ЗАЩИТА» индицирует состояние системы защиты преобразователя. Отсутствие его свечения свидетельствует о нормальном режиме работы преобразователя. В случае срабатывания системы защиты, необходимо снять внешнее питающее напряжение (0-30В), затем выключить питание преобразователя.
Повторное включение возможно после устранения причины возникновения перегрузки преобразователя.
Светодиоды зеленого цвета свечения HL1, HL2 индицируют наличие питающих напряжений на соответствующих полумостах преобразователя.
Перед началом работы при помощи переключателя «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» выберите желаемый режим управления. Включите питание преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ». При помощи кнопки «РЕЖИМ» выберите желаемый режим работы преобразователя. В соответствии с выбранным режимом работы подключите желаемую нагрузку. Выберите желаемые частоту и скважность импульсов, после чего на силовую часть преобразователя (гнезда Х4 и (или) Х5) допускается подача напряжения 0…30В постоянного тока. Преобразователь имеет пять режимов работы:
1. ШИМ преобразователь на VT4;
2. ШИМ преобразователь (полумост VT1, VT4);
3. преобразователь (несимметричный мост VT1 и ШИМ VT2);
4. преобразователь (несимметричный мост VT3 и ШИМ VT4);
5. ШИМ преобразователь (симметричный мост VT1- VT4).
Выключение преобразователя производится в обратной последовательности: снимается напряжение с силовой части преобразователя, затем производится выключение самого преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ».
Задание по выполнению лабораторной работы
Собрать схему для исследования широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключом, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно рисунку 2.12.
Рис.2.12. Блочно-модульная схема соединений для исследования широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключом.
Снять и построить регулировочную характеристику Uн = f(γ) широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключом при работе на регулируемую RL-нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 10).
Таблица 10. Регулировочная характеристика
|
Скважность, % |
5 |
15 |
20 |
40 |
60 |
85 |
95 |
UН, В |
при UП=5 В |
|
|
|
|
|
|
|
при UП=15 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
при UП=30 В |
|
|
|
|
|
|
|
Получить на экране осциллографа кривые напряжения на нагрузке при скважности управляющих импульсов преобразователя γ = 25, γ = 50 и γ = 75 %, , зафиксировать их в отчёте и объяснить форму этих кривых.
Собрать схему для исследования широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным и шунтирующим ключом, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно рисунку 2.13.
Рис.2.13. Блочно-модульная схема соединений для исследования широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным и шунтирующим ключом.
Снять и построить регулировочную характеристику Uн = f(γ) широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с последовательным и шунтирующим ключом при работе на регулируемую RL-нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 11).
Таблица 11. Регулировочная характеристика
|
Скважность, % |
5 |
15 |
20 |
40 |
60 |
85 |
95 |
UН, В |
при UП=5 В |
|
|
|
|
|
|
|
при UП=15 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
при UП=30 В |
|
|
|
|
|
|
|
Получить на экране осциллографа кривые напряжения на нагрузке при скважности управляющих импульсов преобразователя γ = 25, γ = 50 и γ = 75 %, , зафиксировать их в отчёте и объяснить форму этих кривых.
Собрать схему для исследования реверсивного широтно-импульсного преобразователя с симметричным управлением ключами, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно рисунку 2.14.
Рис.2.14. Блочно-модульная схема соединений для исследования реверсивного широтно-импульсного преобразователя.
Снять и построить регулировочную характеристику Uн = f(γ) реверсивного широтно-импульсного преобразователя с симметричным управлением ключами. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 12).
Таблица 12. Регулировочная характеристика
UП, В
|
RH, Ом |
Скважность, % |
||||
5 |
35 |
50 |
65 |
95 |
||
15 |
50 |
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
30 |
50 |
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
Получить на экране осциллографа кривые напряжения на нагрузке при скважности управляющих импульсов преобразователя γ = 25, γ = 50 и γ = 75 %, , зафиксировать их в отчёте и объяснить форму этих кривых.
Методические указания по выполнению лабораторной работы
К пункту 1.
Установить ручку напряжения питания на модуле «Источник питания» в крайнее левое положение, соответствующее выходному напряжению «0 В». Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.
Убедившись в правильности сборки схемы подать питание на модуль «Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения», затем выбрать нажатием кнопки «режим» - режим 1, соответствующий схеме с последовательным ключом и установить частоту 100 Гц и скважность 5 %.
Сопротивление нагрузки вращением ручки потенциометра установить RH =100 Ом, индуктивность LH=1 Гн.
В качестве измерительного прибора и PV1 используется штатный мультиметр со стендового модуля «Мультиметры». Прибор PV1, служащий для измерения напряжения нагрузки, необходимо установить на предел 20 В постоянного напряжения.
К пункту 2.
Для снятия регулировочной характеристики, рекомендованные значения напряжения питания UП , устанавливать вращением ручки Uвых на блоке «Источник питания».
Задание рекомендованной скважности импульсов “ γ ” выполняется с помощью вращения ручки «Скважность» на блоке широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения (значение отображается на цифровом индикаторе преобразователя).
Предел измерения напряжения на мультиметре корректировать согласно измеряемому значению.
К пункту 3.
Подключить модуль «Коннектор платы ввода-вывода» к ПК, используя разъем USB, расположенный на его лицевой панели.
Аналоговый вход ACH0 модуля подключить к выводу U1 базы транзистора VT1, ACH4 – параллельно нагрузке.
Запустить на ПК программу «MultiTool.exe» являющуюся виртуальным аналогом реального прибора. В открывшемся меню выбрать двухканальный осциллограф.
Снять осциллограммы напряжения на нагрузке при заданной скважности управляющих импульсов преобразователя.
К пункту 4.
Установить ручку напряжения питания на модуле «Источник питания» в крайнее левое положение, соответствующее выходному напряжению «0 В». Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.
Убедившись в правильности сборки схемы подать питание на модуль «Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения», затем выбрать нажатием кнопки «режим» - режим 2, соответствующий схеме с последовательным и шунтирующим ключом и установить частоту 100 Гц и скважность 5 %.
Сопротивление нагрузки вращением ручки потенциометра установить RH =100 Ом, индуктивность LH=1 Гн, емкости СH=30 мкФ.
В качестве измерительного прибора и PV1 используется штатный мультиметр со стендового модуля «Мультиметры». Прибор PV1, служащий для измерения напряжения нагрузки, необходимо установить на предел 20 В постоянного напряжения.
К пункту 5.
Скважность импульсов γ задавать аналогично п.2.
К пункту 6.
В программе многоканальный осциллограф выбрать «Четырехканальный осциллограф».
Аналоговый вывод ACH2 модуля «Коннектор платы ввода-вывода» подключить к выводу U1 базы транзистора VT1, вывод ACH0 к выводу U4 базы транзистора VT4, вывод ACH1 – к нагрузке.
Снять осциллограммы напряжения на нагрузке при заданной скважности управляющих импульсов преобразователя.
К пункту 7.
Установить ручку напряжения питания на модуле «Источник питания» в крайнее левое положение, соответствующее выходному напряжению «0 В». Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.
Убедившись в правильности сборки схемы подать питание на модуль «Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения», затем выбрать нажатием кнопки «режим» - режим 5, соответствующий схеме реверсивного широтно-импульсного преобразователя с симметричным управлением ключами и установить частоту 100 Гц и скважность 5 %.
Сопротивление нагрузки вращением ручки потенциометра установить RH =100 Ом, индуктивность LH=1 Гн, емкости СH=30 мкФ.
В качестве измерительного прибора и PV1 используется штатный мультиметр со стендового модуля «Мультиметры». Прибор PV1, служащий для измерения напряжения нагрузки, необходимо установить на предел 20 В постоянного напряжения.
К пункту 8.
Скважность импульсов γ задавать аналогично п.2.
Содержание отчёта
Отчет по работе должен содержать:
1. Титульный лист с указанием названий лабораторной работы и дисциплины по которой она выполняется, список студенческой бригады, выполнявшей лабораторную работу, а также фамилию и инициалы руководителя работы.
2. Перечень названий основных этапов выполнения лабораторной работы.
3. Цель работы.
4. Перечень используемой в работе аппаратуры с указанием ее технических параметров.
5. Название каждого этапа выполнения работы, полную принципиальную схему широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения, необходимые таблицы, расчеты и рисунки с характеристиками преобразователя.
6. Выводы по каждому этапу выполнения лабораторной работы.
7. Общие выводы по работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Объяснить назначение всех элементов принципиальной схемы широтно-импульсного регулятора напряжения.
2. Выделить из полной схемы регулятора только те элементы, которые принципиально необходимы, и составить упрощенный вариант схемы регулятора.
3. Как соотносятся между собой амплитуда напряжения на нагрузке и величина входного напряжения регулятора? Объяснить почему.
4. Вывести формулу для среднего напряжения на нагрузке в предположении, что импульсы напряжения имеют прямоугольную форму. При выводе воспользоваться интегральной формулой определения среднего напряжения.