multisim / ЛабРаб-2011 doc / лр5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 (ЛР 5)

ШИРОТНО - ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование полупроводниковых широтно – импульсных преобразователей (ШИП) для управления исполнительными элемен­тами автоматических систем. При выполнении работы исследуются устройства, входящие в ШИП.

Лабораторная работа выполняется на съемной панели ПЗ "РЕГУЛЯ­ТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ".

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Существуют два основных способа управления двигателями посто­янного тока - непрерывный и импульсный. В первом случае регулиро­вание скорости двигателя достигается за счет непрерывного измене­ния напряжения, подводимого к двигателю.

При широтно-импульсном управлении на двигатель подается после­довательность импульсов переменной длительности и постоянной амплитуды, обычно равной максимальному значению напряжения питания яко­ря. Если период следования импульсов т мал по сравнению с электро­механической постоянной времени двигателя τ_М, то, несмотря на уча­стки разгона, определяемые длительностью импульса t_И, и участки торможения, определяемые временем паузы t_П=Т-t_И, скорость двига­теля не успевает существенно измениться. Она колеблется около сво­его среднего значения, зависящего при неизменном моменте нагрузки от скважности импульсов q=t_И/t_П, или, что то же самое, от коэффициента заполнения импульсов K_З=t_И,/T. Изменение последнего в пределах 0< K_З<1 в зависимости от величины управляющего сиг­нала позволяет получить соответствующее изменение скорости двига­теля от нуля до максимального значения.

Для реализации импульсного способа управления двигателем пос­тоянного тока используются широтно-импульсные преобразователи (ШИП). Упрощенная блок-схема преобразователя изображена на рис.5.1.

Преобразователь состоит из входного усилителя постоянного то­ка (УПТ), широтно-импульсного модулятора (ШИМ), усилителя импуль­сов (УК) - одного или нескольких, импульсного усилителя мощности (ИУМ) и устройства токоограничения (УТО).

Усилитель постоянного тока (УПТ) создает входной управляющий сигнал U_ВХ необходимой величины.

Широтно-импульсный модулятор формирует модулированные по дли­тельности импульсы с постоянной частотой их следования. Длитель­ность импульсов на выходе ШИМ однозначно определяется уровнем вхо­дного сигнала U_ВХ. Для сохранения информации о знаке U_ВХ модулятор, как правило, имеет два входа, каждый из которых функционирует при определенной полярности U_ВХ. В схемах широтно-импульсных преобра­зователей в качестве модулятора предпочтительно применение ШИМ с генератором пилообразного напряжения (ГПН) и пороговым устройством (ПУ) (рис.5.1). ШИМ также может иметь генератор импульсов (ГИ) и дифференцирующий элемент (ДЭ). Такой модулятор обладает линейной характеристикой вход-выход, широким диапазоном регулирования и по­зволяет получить импульсы с высокой крутизной фронтов. Но, будучи маломощным устройством, он может управлять блоком ИУМ только через промежуточный импульсный усилитель УИ.

Импульсный усилитель мощности предназначен для широтно-импульсного регулирования напряжения на нагрузке - якоре двигателя по­стоянного тока. Цепь якоря двигателя представляет собой активно-ин­дуктивную нагрузку с противоЭДС.

В качестве коммутирующих элементов в ИУМ используются транзи­сторы, тиристоры или двухоперационные управляемые вентили.

Устройство токоограничения обеспечивает ограничение тока яко­ря на заданном уровне при перегрузках и переходных режимах.

Реверсивные выходные каскады систем с широтно-импульсной мо­дуляцией могут быть построены по мостовой схеме (рис.5.2) с симме­тричным или несимметричным законами коммутации транзисторов. Диоды VD1 - VD4 обеспечивают безразрывную коммутацию тока якоря и предо­храняют силовые транзисторы от перенапряжений в моменты их запира­ния (разрыв цепи с индуктивностью L_Я).

При симметричном законе коммутации (рис.5.3) транзисторы в противоположных плечах моста VT1, VT4 и VT2, VT3 переключаются од­новременно. В течение всего периода коммутации T нагрузка включена в цепь источника питания U_П, меняется лишь полярность включения источника в отдельные интервалы периода. Когда открыть, транзисторы VT1 и VT4 (интервал 0<t<t₀),от источника питания потребляется эне­ргия, ток нагрузки нарастает (нагрузка активно-индуктивная). При закрытых транзисторах VT1, VT4 и открытых транзисторах VT2, VT3 (момент t₀<t<T) напряжение на нагрузке реверсируется, а ток нагру­зки, сохраняя свое прежнее направление, уменьшается, замыкаясь че­рез диоды VD2, VD3 и источник питания.

Среднее значение напряжения на нагрузке U_н.ср=U_П(2К_З-1), где К_З=t_И/T- коэффициент заполнения импульсов. При К_З >0,5 напряжение на нагрузке положительно, при К_З<0,5 напряжение на на­грузке отрицательно, а состояние покоя в системе с симметричным законом коммутации соответствует равенству продолжительностей закрытого и открытого состояний транзисторов VT1,VT4 и VT2,VT3, т. е. K_З = 0,5.

При несимметричном законе коммутации в первый интервал перио­да (интервал импульса 0<t<t₀) нагрузка включена в цепь источника питания U_П, во второй интервал (интервал паузы t₀,<t<T)нагрузка замкнута накоротко или цепь нагрузки разорвана. Напряжение на яко­ре двигателя представляет собою серию импульсов постоянной ампли­туды U_П с полярностью, зависящей от знака управляющего сигнала U_ВХ.

Коммутация силовых транзисторов VT1...VT4 при реализации не­симметричного закона может осуществляться различными способами. При одном из таких способов (рис.5.4) в течение периода коммутации переключается лишь один из транзисторов, например VT1, а при изме­нении полярности входного сигнала - другой, например VT3. Для обеспечения регулирования и реверсирования полярности напряжения на нагрузке необходимо, чтобы в первом случае транзисторы VT3 и VT2 были непрерывно заперты,a VT4 непрерывно открыт. При изменении по­лярности U_ВХ запираются транзисторы VT1, VT4, открывается транзис­тор VT2 и переключается VT3.

Переключение транзисторов преобразователя (рис.5.2) в соот­ветствии с заданным законом коммутации обеспечивают сигналы, по­ступающие с блока УПРАВЛЕНИЕ. Блок УПРАВЛЕНИЕ при этом должен ра­ботать в режиме ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, для чего тумблер блока переклю­чают в нижнее положение ПРЕОБР и перемычкой соединяют стабилитрон VD3 и резистор R19 (рис.5.5). Рассмотрим формирование блоком УПРА­ВЛЕНИЕ импульсов переключения транзисторов широтно-импульсного преобразователя, используя временные диаграммы (рис.5.6).

Опорные прямоугольные импульсы частотой 400 Гц с выхода гене­ратора прямоугольных сигналов на компараторе D2 поступают на диф­ференцирующую цепочку C2, R10, а также через инвертор (VT1 ,R12,R13) на дифференцирующую цепочку C3, R11. Таким образом, с выходов диф­ференцирующих цепочек снимаются короткие импульсы, совпадающие с фронтом и спадом опорных импульсов. Эти импульсы после нормирова­ния по длительности элементом D3 используются для блокировки ком­паратора D5 и для установки начального условия интегрирования.

Интегратор состоит из следующих элементов: операционного уси­лителя D4 , VT3, VD3, VD4, C4, R18 ,R19 ,R21 ,R22 ,R23. В момент поступления импульса установки начальных условий (с Вых_И D3) открывается транзистор VT3 и конденсатор С4 заряжается. По окончании импульса установки начальных условий транзистор VT3 закрывается и на выхо­дах интегратора формируется линейно изменяющееся напряжение. Этот сигнал с инвертирующего и неинвертирующего выходов интегратора D4 поступает на входы сдвоенного компаратора разнополярного напряже­ния D5. На вторые входы компаратора D5 поступает входной сигнал с движка потенциометра R15, измеряемый вольтметром V1. До момента равенства сигналов на входах компаратора D5 на его выходах (в за­висимости от полярности сигнала U_ВХ с потенциометра R15) формиру­ется высокий уровень напряжения.

Этот сигнал подается прямо на входы элементов D6, D7 (2И-НЕ), на вторые входы которых поступает +Е_П. Поэтому на выходах D6 и D7 получаем инвертированный по отношению к выходному сигнал, который поступает на входы D8, D9; вторые входы этих элементов соединены с +E_П. Следовательно, на выходах D8, D9 получаем сигнал, совпадающий с сигналом на входах D6, D7.

Поскольку один из входов D11, D12 соединен с общей шиной (┴), то на выходах D11, D12 всегда имеем сигнал "1". Логические элемен­ты D13,D14 выполняют инвертирование сигналов с выходов D6, D7, сле­довательно, на выходах D13,D14 получаем сигналы, совпадающие с си­гналами на входах D6, D7.

Сигналы с выходов элементов D8, D9, D13, D14 поступают на входы усилителей-согласователей U1, U2, U3, U4, на выходах которых формиру­ются сигналы для управления силовыми транзисторами преобразователя. Диодно-транзисторные опоры, содержащиеся в усилителях-согласователях, обеспечивают гальваническую развязку цепей переключения отдельных транзисторов и системы управления.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛИ

Лабораторная работа выполняется на съемной панели ПЗ "РЕГУЛЯ­ТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ", описание которой приведено в лабораторной работе ЛР4.

Панель ПЗ имеет функциональный блок ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, постро­енный на транзисторах по мостовой схеме (рис.5.2). Частота следо­вания импульсов переключения 400 Гц. Нагрузка широтно-импульсного преобразователя (активная, активно-индуктивная) подключается из блока НАГРУЗКА, расположенного на панели ПЗ. Максимальный ток на­грузки преобразователя 0,4 А.

Блок УПРАВЛЕНИЕ при выполнении ЛР5 должен работать я режиме ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с описанием лабораторной работы, краткими сведениями из теории и элементным составом панели.

2. Получите у преподавателя номер варианта задания.

3. Включите блок УПРАВЛЕНИЕ в режим работы ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, для этого тумблер блока переключите в нижнее положение ПРЕОБР, ста­билитрон VD3 и резистор R19 соедините перемычкой. Один вход вольт­метра V1 подключите к общей точке схемы (┴), а другой - к потенци­ометру R15.

4. Исследуйте работу блока УПРАВЛЕНИЕ при заданных значениях U_ВХ

(табл.5.1). Величина и полярность U_ВХ устанавливаются по вольт­метру V1 с помощью потенциометра R15.

Зарисуйте форму напряжений в контрольных точках блока УПРАВ­ЛЕНИЕ (рис.5.6), определите вид и полярность сигналов на выходах логических элементов D8, D9, D13, D14 и выходах усилителей-согласователей U1, U2, U3, U4 при заданных значениях U_ВХ.

Таблица 5.1

Номер вариан­та задания	1	2	3	4	5	6	7
UВХ, В	+2;-7	+6;-2	+3;-5	+5; -3	+6; -2	+3;-6	+4; -7

ВНИМАНИЕ: усилители-согласователи U1, U2 имеют общий провод +27 В, а усилители-согласователи U3 и U4 - общую точку -27 В. Осциллограммы сигналов управления снимаются между соответствующим выходом и общей точкой усилителей U1 и U2 или U3 и U4.

5. По данным пункта 4 определите реализованный блоком УПРАВ­ЛЕНИЕ закон коммутации силовых транзисторов: симметричный (рис. 5.3) или несимметричный (рис.5.4) и составьте схему подключения выходов усилителей-согласователей блока УПРАВЛЕНИЕ к ШИП для управ­ления силовыми транзисторами.

6. Соберите схему широтно-импульсного преобразователя (рис. 5.2): включите нагрузку (активную, активно-индуктивную) в диагональ транзисторного преобразователя, параллельно нагрузке подключите вольтметр V2 и осциллограф. В соответствии с реализованным законом коммутации транзисторов соедините гнезда блока ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ с соответствующими выходами блока УПРАВЛЕНИЕ.

7. Исследование работы ШИП при реализованном законе коммута­ции силовых транзисторов.

1. Снимите зависимость напряжения на активной и активно-ин­дуктивной нагрузке от величины и полярности входного сигнала, за­даваемого потенциометром R15: U_н = f (± U_ВХ ).

2. Зарисуйте осциллограммы напряжения на активной и актив­но-индуктивной нагрузке при U_ВХ=0 и при заданных значениях U_ВХ (табл.5.1).

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Блок-схема ШИП.

2. Временные диаграммы по п.4.

3. Диаграмма реализованного закона коммутации силовых тран­зисторов ШИП.

4. Экспериментальные зависимости U_н=f(±U_ВХ) при активной и активно-индуктивной нагрузке по п.7.

5. Осциллограммы, снятые по п.7, с необходимыми объяснениями.

Приложение А. Схемы необходимые для выполнения работы