Лабораторна робота № 14 Дослідження напівпровідникового перетворювача напруги
1 Мета роботи:
Вивчення схемної побудови та принципу дії перетворювачів напруги. Експериментальне визначення основних характеристик перетворювача напруги.
2 Перелік приладів та устаткування:
2.1 Вимірювальний осцилограф.
2.2 Електронний частотомір.
2.3 Стенд для дослідження напівпровідникового перетворювача.
2.4 Імпульсний вольтметр.
3 Загальні відомості:
ДПЕЖ являє собою перетворювачі, які перетворюють параметри електричної енергії.
В джерелах вторинного електроживлення (ДПЕЖ) відбувається перетворення по значенню змінної напруги в постійну, а тоді постійна напруга перетворюється в змінну з частотою, підвищеною порівняно з частотою джерела.
Згідно ГОСТ 23414-79 „Перетворювачі електроенергії напівпровідників. Терміни та визначення”, напівпровідниковий перетворювач електроенергії (перетворювач) обладнання, оснований на застосуванні напівпровідникових приладів, які забезпечують зміну одного чи декількох параметрів електричної енергії (напруги, частоти, враховуючи нульове значення, числа фаз).
Функціональними вузлами перетворювача є: напівпровідниковий випрямляч - вентильний напівпровідниковий перетворювач електроенергії, який здійснює випрямлення змінного струму, напівпровідниковий інвертор - вентильний перетворювач електроенергії, що здійснює інвертування постійного струму.
З’єднання випрямляча та інвертора в різній послідовності дозволяє реалізувати перетворення напруги або частоти.
Перетворювачі та інвертори класифікують за наступними ознаками:
- по характеру процесів в силовому ланцюгу: інвертори напруги (напруга на вході незмінна), інвертори струму (струм на вході інвертора постійний) і резонансні інвертори;
- за способом керування: з самозбудженням (автогенератори) та з незалежним збудженням (підсилювачі потужності);
- за схемною побудовою: однофазні та багатофазні, однотактні та багатотактні (з відводом від середньої точки первинної обмотки трансформатора, мостові, напівмостові);
- по типу елементної бази силового ланцюга: транзисторні і тиристорні. Однофазні трансформаторні інвертори виконуються за наступними основними схемами - однотактні з відводом від середньої точки первинної обмотки силового трансформатора, мостовій та напівмостовій;
- однотактні: із зворотним вмиканням випрямляючого діода, прямим вмиканням випрямляючого діода, розмагніченою обмоткою (ПРО), подвійного ПРО.
Ці обладнання можуть працювати в режимі автогенератора (з самозбудженням) при потужності від одиниць до десятків вольт-ампер, в режимі підсилювача потужності (з незалежним збудженням) при потужностях десятки і сотні вольт-ампер.
В автогенераторах малої потужності (частини, одиниці вольт-ампер) формується режим, при якому комутація забезпечується за рахунок посилення силового трансформатора При збільшенні потужності перетворювача цей режим призводить до збільшення втрат і зниження ККД. Тому в інверторах з вихідною потужністю більшою декількох десятків вольт-ампер для забезпечення комутації силових ключів в ланцюзі керування застосовують спеціальний малопотужний насичений трансформатор чи дросель насичення.
Розглянемо принцип роботи інвертора Інвертування відбувається в силовій частині інвертора, яка складається з ряду ключів (в однотактному - одного ключа) і трансформатора. Встановимо, якої форми буде напруга на виході інвертора при живленні його від джерела постійного струму (рисунок 1).
а)
б)
в)
а) модуль інвертора при різному положенні ключів;
б) тимчасові діаграми зміни струму намагнічені іН його складових і'Н, і"Н і магнітного потоку Ф;
в) тимчасові діаграми е.р.с. еІІ (при коефіцієнтній трансформації n=1)
Рисунок 1 - Пояснення принципу роботи інвертора
Фізичний принцип розглядуваних процесів не порушується, якщо прийняти наступні допущення: трансформатор працює в лінійному режимі, активний і індуктивний опір контурів однакові і малі, ключі S1 і S2 ідеальні.
Виходячи з цього випливає,
що постійна часу контурів
- велика у порівнянні з тривалістю
напівперіоду роботи інвертора та на
основі цього зміна струму в контурах
проходить лінійно.
Опускаючи первинний цикл роботи (вмикання UП), рахуємо, що чергова комутація ключів (один замикається, другий - розмикається) проходить при наявності енергії, запасеної в трансформаторі в попередньому робочому інтервалі. При цьому струм намагнічування (холостого ходу) і формується двома складовими: струмом і'м за рахунок джерела енергії ІІП і струмом і"м за рахунок енергії, запасеної в трансформаторі на попередньому інтервалі. Виходячи з того, що елементи контуру прийняті лінійними, застосовуємо принцип суперпозиції.
Розглянемо модель інвертора при різному положенні ключів та відповідні їм тимчасові діаграми.
1 Інтервал t0 < t < t1 (рисунок 1). Ключ S1 замкнутий, S2 розімкнутий. Струм ім зростає, маючи позитивну напругу, обумовлену тим, що |і'м | > |і"м |.
Лінійна зміна ім призводить до лінійної зміни напруги магнітного поля Н у відповідності з законом повного струму:
,
отже, лінійній зміні індукції В і магнітного потоку Ф в магнітодроті:
.
У відповідності з законом
електромагнітної індукції
.
Лінійна зміна Ф
призводить до появи на первинній та
вторинній обмотках трансформатора
постійної по величині ЕРС е = const.
В кінці інтервалу t
= t1
струм, ім
досягає максимального значення,
обумовленого струмом
і'м,
струм і"м
знижується до 0.
2 Інтервал t1
> t
> t2
в момент t1
ключ S1
розмикається, S2
замикається. Струм і'м
починає протікати, зростаючи по величіні,
в нижньому контурі струм і"м
обумовлений енергією, запасеною в
індуктивності трансформатора на
інтервалі до моменту t
= t1
зменшується по
значенню. Напрям результуючого струму
ім
зберігається, але він стає спадаючим,
при цьому змінюється знак похідної
,
що призводить до зміни знака
похідної
.
Додаючи і'м та і"м, одержуємо результуючий струм ім. В кінці розглядуваного інтервалу t1 > t > t2 при t = t2 |і'м | > |і"м |, тому ім = 0.
3 Інтервал t2 > t > t3. На цьому інтервалі положення ключів S1 та S2 зберігається: S1 розімкнутий, S2 замкнутий. Напрям результуючого струму ім змінюється у зв’язку з тим, що |і'м| > |і"м|, так як і'м зростає, а і"м спадає. Це пояснюється тим, що складова енергії занесеної в індуктивності трансформатора на попередньому інтервалі зменшується. Однак характер зміни залишається, попереднім, тобто знак похідної, а, отже, і полярність ЕДС залишаються посередині. В кінці інтервалу значення і досягає максимального рівня, значення і"м дорівнює 0.
4 Інтервал t3 > t > t1. В момент t3 ключ S1 замикається, S2 розмикається. Напрям зміни ім стає іншим. Полярність ЕДС змінюється. Процеси протікають аналогічно розглянутим на інтервалі t1 > t > t2 але в протилежному напрямі. Таким чином при почерговій комутації ключів S1 і S2 в магнітодроті збуджується магнітний потік, який лінійно змінюється, що призводить до формування на обмотках трансформатора змінної прямокутної ЕДС.
Принципова електрична схема дослідного стенду представлена на рисунку 2.
Вона складається з двотактного інвертора, зібраного на транзисторах VТ3 і VТ4. В даній схемі застосовується інвертор струму, зібраний на тиристорах VS1 і VS2.
Для дослідження роботи інверторів на різне навантаження застосовується дросель L2 і конденсатор С5. Для регулювання вхідної напруги використовується змінний резистор R1, а для регулювання струму навантаження змінний резистор Rн. Рівень вхідної напруга фіксує вольтметр РV1, рівень вихідної напруги - РV2, вхідний струм інверторів показує міліамперметр РА2.
Трансформатор Т2 виконаний на тероїдальному феритовому осерді. Резистори R2, RЗ і конденсатор С1 утворює ланцюжок зміщення, який задає початковий режим транзисторів по постійному струму, відкриваючи їх. Схема працює в автоколивальному режимі таким чином, що транзистори VТ1 і VТ2 почергово відкриваються і закриваються, а сердечник трансформатора циклічно перемагнічується по петлі гістерезисна. Це призводить до того, що на виході обмотки з’являється прямокутна знакозмінна напруга, при чому, відкритому транзисторі VТ1 відповідає одна полярність вихідної напруги, а VТ2 - інша полярність.
Частота вихідної напруги залежіть від параметрів трансформатора і вхідної напруга живлення:
,
де UВХ - вхідна напруга, яка подається на вхід інвертора;
UС.НАС - напруга на трансформаторі в режимі насичення;
UR.0 - спад напруги в активному опорі;
-
кількість витків первинної обмотки
трансформатора;
В - індукція;
S - площина перетину магнітодроту трансформатору.
З цієї формули видно, що частота вихідної напруги лінійно пов’язана з напругою, що є недоліком схеми. Частота генерації залежить також від виду навантаження. ККД перетворювача залежить від величини втрати перетворюваної потужності в ланцюгу напівпровідникових приладів, в трансформаторі, в схемі випрямлення і згладжуючому фільтрі. Загальний ККД напівпровідникового перетворювача напруги дорівнює відношенню потужності навантаження до підведеної потужності і становить 65 – 85 %.
Розглянемо принцип дії широко поширеної схеми тиристорного інвертора представленій на рисунку 2. Тиристори VS1 і VS2 послідовно відкриваються позитивними імпульсами струму, що створюються схемою керування, яка зібрана на елементах R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 і конденсаторів СЗ і С4. Важливу роль в роботі схеми відіграє комутуючий конденсатор С2, який при відкриванні одного із тиристорів забезпечує закривання другого шляхом створення на його аноді напруги негативної полярності. Дросель L1 забезпечує безперервність струму джерела живлення при комутації тиристора.
При великих індуктивностях дроселя можна вважати струм практично постійним.
Припустимо, що подасться позитивний імпульс на керуючий тиристор VS1 і відкриває його. Анодний струм відкритого тиристора VS1, що протікає через ліву половину первинної обмотки трансформатора Т2, індикує на правій обмотці ЕРС. Конденсатор С2 перезаряджається, при чому струм конденсатора буде зменшуватися. Через деякий час подається імпульс струму на керуючий електрод тиристора VS2 і тиристор відкривається.
Рисунок 2 - Принципова електрична схема макета
В цей момент часу, напруга на комутуючому конденсаторі С2 має негативну полярність відносно тиристора VS1 і тиристор закривається. Струм комутуючого конденсатора змінює свій напрям і конденсатор знову починає перезаряджатися.
Таким чином, процес комутації тиристорів періодично повторюється і на навантаженні діє змінна напруга, форма якої відмінна від синусоїдальної і прямокутної.
4 Література та посібники:
4.1 Артомонов Б. И., Бокуняев А. А. „Источники электропитания радиоустройств” – М.: Энергоиздат, 1982 с. 209-217.
4.2 Векслер Г.С., Пилинский В. В. „Электропитаюшие усгройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры” – К.: Вища щкола, 1986 с. 181-231.
5 Контрольні запитання:
5.1 Поясніть принцип роботи інвертора.
5.2 Як працює напівпровідниковий транзисторний інвертор?
5.3 Які переваги і недоліки перетворювачів з самозбудженням у порівнянні з перетворювачами з незалежним збудженням?
5.4 Чим обмежується робоча частота перетворювача?
5.5 Чому перетворювач з самозбудженням не боїться короткого замикання?
5.6 Запишіть формулу для визначення частоти генерації перетворювача.
5.7 При якому характері навантаження має місце найбільший ККД?
5.8 Поясніть хід навантажувальних і вхідних характеристик інвертора, знятих при різних частотах.
6 Порядок виконання роботи:
6.1 Підготовка до виконання роботи.
6.1.1 Ознайомитись з принциповою схемою макета (рисунок2), і з загальними відомостями.
6.1.2 Ввімкнути осцилограф і користуючись інструкцією п. 1.3 налагодити його.
6.1.3 Ввімкнути вольтметр імпульсний і дати йому прогрітись 10 хвилин.
6.1.4 Ввімкнути частотомір і дати йому прогрітись протягом 10 хвилин.
6.1.5 Ввімкнути досліджуваний стенд, при цьому повинна загорітись індикаторна лампочка.
6.1.6 За допомогою резистора R1 встановити по вольтметру РV1 напругу рівну 9 В.
6.2 Дослідження транзисторного інвертора двотактного.
6.2.1 Перемикач SA1.1 встановити в положення 2.
6.2.2 Встановити по вольтметру РV1 напругу величиною 9 В і в ході роботи весь час підтримувати дану величину.
6.2.3 Перемикач SА2 встановити в положення 1, при цьому загорається індикаторна лампочка на активному навантаженні резистора Rн.
6.2.4 Зняти зовнішнє навантаження перетворювача напруги при роботі на навантаження різного виду:
а) Активне навантаження. Змінюючи положення движка реостата Rн, одночасно контролюючи величину навантажувального струму по міліамперметру РА1, фіксуємо вихідну напругу по вольтметру РV2. Для побудови зовнішньої характеристики достатньо провести 6 - 8 відліків. Дані спостереження занести до таблиці 1.
б) Індуктивне навантаження. Перемикач SА2 встановити в положення 2, при цьому загорається індикаторна лампочка, фіксуючи вмикання дроселя в якості індуктивності навантаження. По методиці п. 6.2.4 зняти зовнішню характеристику. Дані занести до таблиці 1.
в) Ємнісне навантаження. Перемикач SА2 встановити в положення 3, при цьому загорається індикаторна лампочка, яка фіксує вмикання конденсатора По методиці п. 6.2.4 зняти зовнішню характеристику. Дані занести до таблиці 1.