Дослідження напівпровідникового перетворювача напруги

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:

Вимірювальний осцилограф.

Електронний частотомір.

Стенд для дослідження напівпровідникового перетворювача.

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 і_Н його складових і'_Н, і"_Н і магнітного потоку Ф;

в) тимчасові діаграми е.р.с. е_ІІ (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 U_П), 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 ІІ_П і струмом і"_м за рахунок енергії, запасеної в трансформаторі на попередньому інтервалі. Виходячи з того, що елементи контуру прийняті лінійними, застосовуємо принцип суперпозиції.

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 U_ВХ - вхідна напруга, яка подається на вхід інвертора;

U_С.НАС - напруга на трансформаторі в режимі насичення;

U_R.0 - спад напруги в активному опорі;

- кількість витків первинної обмотки трансформатора;

В - індукція;

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.

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.

Мета заняття.

Таблиця 1 - Для визначення зовнішніх характеристик

Активне навантаження	Індуктивне навантаження	Ємнісне навантаження
Ін., мА	Uн, В	Ін., мА	Uн, В	Ін., мА	Uн, В

Таблиця 2 - Для визначення модуляційної характеристики

Активне навантаження	Індуктивне навантаження	Ємнісне навантаження
Uвх, В	fпр, Гц	Uвх, В	fпр, Гц	Uвх, В	fпр, Гц

Висновки

Завдання до лабораторної роботи виконав(ла)

______________________________________________________ 200 ___ року

_________________

(Підпис студента)

Лабораторна робота № 14

Дослідження напівпровідникового перетворювача напруги

1 Мета роботи: