Лабораторная работа №10. Исследование работы широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения

Цель 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 см. рисунок 10. 1. Она содержит четыре ключа ТК1 – ТК4. В диагональ моста, образованного силовыми ключами, включена нагрузка.

Рисунок 10. 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.

Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления показывают (см. рисунок 10.2), что среднее напряжение U_я на выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения g₀ = 0.5.

Рисунок 10.2 – Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления

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

Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричное управление.

а. б.

Рисунок 10.3 –Временные диаграммы работы ШИП при несимметричном способе управления

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

При включенных ТК1 и ТК4, когда E_дв > U_n 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 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 (рис. 4.3) и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения ключа ТК4 g₀ = 0.

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

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

-а. -б.

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

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

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

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения.

1.1. Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены (т.е. кнопки включения в сеть 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 рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.

Рис. 8.5. Схема соединения ШИП

1.3. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления " " 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:

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

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

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

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

2.5. Приведите в рабочее состояние осциллограф P.

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

2.7. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

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

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

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

2.11. Отключите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

2.12. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G3.

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

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

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

2.16. Отключите выключатель «СЕТЬ» источника питания G3.

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

2.18. Вращая рукоятку установите на индикаторе широтно-импульсного преобразователя А1 коэффициент заполнения импульсов управления равным, например, 0, 50.

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

2.20. Включите выключатели «СЕТЬ» источников питания G2 и G3.

2.21. На осциллографе наблюдайте осциллограммы.

2.22. При необходимости можно выключить стенд следуя порядком, 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 изменяйте коэффициент заполнения импульсов управления γ (высвечивается на индикаторе) и заносите его значение, а также среднее за период значение напряжения Uн на нагрузке (считывается с мультиметра P.1.1) в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 – Сводная таблица снимаемых параметров

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

3.4. Используя данные таблицы 8.1, постройте регулировочную характеристику U _н = 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?