Электронные преобразовательные устройства лабораторный практикум3

Лабораторная работа № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Продолжительность работы – 4 часа

Цели работы: исследовать нереверсивный последовательный широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения, получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, снять регулировочную характеристику преобразователя.

Основные теоретические положения

Упрощенная принципиальная схема широтно-импульсного преобразователя (ШИП) представлена на рис. 8.1. Она содержит четыре ключа ТК1–ТК4. В диагональ моста, образованного силовыми ключами, включена нагрузка.

Рис. 8.1. Упрощенная принципиальная схема ШИП

Нагрузкой является якорь двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, например неуправляемого выпрямителя.

Наиболее простым способом управления ШИП по цепи якоря является симметричный способ управления.

При этом способе в состоянии одновременного переключения находятся все четыре силовых ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом.

71

Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления (рис. 8.2) показывают, что среднее напряжение Uя на выходе ШИП равно 0, когда относительная продолжительность включения γ0 = 0,5.

Рис. 8.2. Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления

Симметричный способ управления обычно используется в маломощных электроприводах постоянного тока. Его преимуществами являются простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатками ШИП с симметричным управлением являются знакопеременное напряжение на нагрузке и в связи с этим повышенные пульсации тока в якоре двигателя.

Стремление исключить эти недостатки привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричное управление (рис. 8.3).

В этом случае переключаются силовые ключи ТК3 и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), силовой ключ ТК1 постоянно открыт, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Силовые ключи ТК3 и ТК4 переключаются в противофазе. При включенных ТК1 и ТК4 формируется напряжение, поступающее на якорь двигателя. Когда выключается

72

ТК4 и включается ТК3, ток течет через: открытый ключ ТК1 – якорь двигателя М – обратный диод ключа ТК3.

Рис. 8.3. Временные диаграммы работы ШИП при несимметричном способе управления

При включенных ТК1 и ТК4, когда Eдв >Uп, происходит рекуперация энергии в сеть. Ток проходит по обратным диодам этих ключей. Когда же в режиме рекуперации выключается ТК4 и включается ТК3, ток не прерывается, он течет по следующему пути: левая щетка двигателя М – обратный диод ключа ТК1 – ключ ТК3 – правая щетка двигателя – якорь двигателя.

При работе в двигательном режиме на выходе ШИП формируются знакопостоянные импульсы (см. рис. 8.3) и среднее напряжение на выходе равно 0, когда относительная продолжительность включения ключа ТК4 γ0 = 0.

Недостатком рассмотренного способа управления является то, что загрузка ключей рабочим током неодинакова.

Этот недостаток устранен при поочередном управлении (рис. 8.4). Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре силовых ключа моста, однако частота переключения каждого из них в 2 раза меньше частоты напряжения на выходе.

Чем ниже частота переключения силовых ключей, тем ниже дополнительные потери мощности в них, т.е. пониженная частота переключения силовых элементов является достоинством ШИП.

73

Рис. 8.4. Временные диаграммы работы ШИП при поочередном способе управления

Управляющее напряжение силовых ключей ТК1, ТК2 и ТК3, ТК4 постоянно находится в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения τ. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы широтноимпульсного преобразователя постоянного напряжения.

1.1.Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены(т.е. кнопки включения всеть не должны светиться).

1.2.Собрать требуемую схему вентилей на основе схем соединения отдельных блоков, расположенных согласно рис. 8.5. Номера необходимых блоков указаны на рисунке в правом нижнем углу каждого блока в схеме.

1.3.Обязательно следует соединить гнезда защитного за-

земления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом РЕ источника G1 с помощью специальных проводов.

1.4. Для получения осциллограмм следует включить в необходимые участки цепи датчики тока и напряжения, расположенные на блоке 402.3, и соединить эти датчики с аналоговыми входами осциллографа.

2. Произвести настройку и включение блоков стенда.

74

Рис. 8.5. Схема соединения ШИП

2.1.Установить сопротивление нагрузочного резистора А2 равным, например, 30 Ом.

2.2.Установить индуктивность дросселя А3 равным, например, 0,3 Гн.

2.3.Регулировочные рукоятки источников G2, G3 повернуть против часовой стрелки до упора.

2.4.Включить автоматический выключатель и устройство защитного отключения однофазного источника питания G1.

2.5.Привести в рабочее состояние осциллограф P.1.

2.6.Включить выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения А10.

2.7.Включить выключатель «СЕТЬ» источника питанияG2.

2.8.Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G2 установить режим измерения предельного значения.

2.9.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА», установить по индикатору ток ограничения источника питания G2 равным, например, 1 А.

2.10.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ», установить по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G2 равным, например, 25 В.

2.11.Отключить выключатель «СЕТЬ» источника пита-

ния G2.

75

2.12.Включить выключатель «СЕТЬ» источника питанияG3.

2.13.Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G3 установить режим измерения предельного значения.

2.14.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА», установить по индикатору ток ограничения источника питания G3 равным, например, 1 А.

2.15.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ», установить по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G3 равным, например, 15 В.

2.16.Отключить выключатель «СЕТЬ» источника пита-

ния G3.

2.17.Включить выключатель «СЕТЬ» широтно-импульсного преобразователя А1.

2.18.Вращая рукоятку, установить на индикаторе широтноимпульсного преобразователя А1 коэффициент заполнения импульсов управления равным, например, 0,50.

2.19.Кнопками на передней панели широтно-импульсного преобразователя А1 задать и ввести алгоритм управления транзисторами, приведенный на схеме электрических соединений. При этом должно наблюдаться ровное свечение соответствующих алгоритму светодиодов.

2.20.Включить выключатели «СЕТЬ» источников питания

G2 и G3.

2.21.На осциллографе наблюдать осциллограммы.

2.22.При необходимости можно выключить стенд, следуя в порядке, обратном порядку включения, и изменить участки, на которых необходимо проанализировать параметры токов/напряжений.

3. Порядок настройки и включения блоков стенда:

3.1.Для снятия регулировочной характеристики необходимо, чтобы датчик напряжения блока датчиков тока и напряжения был включен параллельно нагрузке.

3.2.Вращая регулировочную рукоятку широтно-импульсного преобразователя А1, изменять коэффициент заполнения импульсов

76

управления γ (высвечивается на индикаторе) и заносить его значение, а также среднее за период значение напряжения UН на нагрузке (считывается с мультиметраP.1.1) всводнуютаблицу:

γ, о. е.

Uн, В

3.3.Отключить выключатель источника G3, затем G2 и после – выключатели «СЕТЬ» устройств, используемых в эксперименте.

3.4.Используя данные сводной таблицы, построить регули-

ровочную характеристику Uн = f(γ) широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Содержание отчета

1.Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.

2.Осциллограмма исследованных участков схемы.

3.Сводная таблица данных и диаграмма для каждой части лабораторной работы, где было необходимо построить те или иные характеристики преобразователя.

4.Графики экспериментально полученных характеристик.

Контрольные вопросы

1.Что такое ШИР и как практически осуществить такое регулирование?

2.На каких этапах при широтном регулировании происходит потребление энергии от источника питания и на каких этапах происходит рекуперация энергии?

3.Какие функции выполняют диоды, подключенные параллельно или последовательно к транзисторам в схемах преобразователей?

4.Сколько комбинаций состояния ключей существует в схеме однофазного мостового инвертора напряжения при однополярной ШИМ?

77

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Попков О.З. Основы преобразовательной техники: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. энергетич. ин-та, 2005.

2.Электротехника: учеб. пособие: в 2 кн / под ред. П.А Бутырина, Р.Р. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. – Челябинск; М.: Изд-во Юж.-Урал. гос. ун-та, 2004. – Кн. 2.

3.Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем: учеб. пособие. – М.: Академия, 2004.

4.Редди С. Рама. Основы силовой электроники: учеб. пособие. – М.: Техносфера, 2006.

5.Билоус О.А., Иванов А.П. Электронные преобразовательные устройства: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010.

78

Учебное издание

Билоус Ольга Анатольевна, Тарасов Владимир Анатольевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Лабораторный практикум

Редактор и корректор Е.Б. Денисова

Подписано в печать 17.09.2014. Формат 90×60/16. Усл. печ. л. 5,0. Тираж 100 экз. Заказ № 160/2014.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

79