Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
В.Е. митрохин, л.р. доросинский
Устройства электропитания аппаратуры
телекоммуникационных систем, автоматики и
телемеханики на железнодорожном транспорте
ОМСК 2012
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
_______________________________
В.Е. Митрохин, Л.Р. Доросинский
Устройства электропитания аппаратуры
телекоммуникационных систем, автоматики и
телемеханики на железнодорожном транспорте
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к лабораторным работам
для студентов ИАТИТа
Омск 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
Лабораторная работа 1. Умножители напряжений …..…….………………..… 1.1. Несимметричные схемы умножения 1-го рода ……………………….. 1.2. Несимметричные схемы умножения 2-го рода …………………….…. 1.3. Симметричные схемы умножения напряжения …………….……….... 1.4. Порядок выполнения работы ….……………………………………….. 1.5. Содержание отчета ………….………………………………………….. 1.6. Контрольные вопросы ….………………………………………………. Лабораторная работа 2. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения ….…………………………………………………………………… 2.1. Параметрические стабилизаторы ……..……………………………….. 2.2. Компенсационные стабилизаторы (КС) ………………………………. 2.3. Порядок выполнения работы …………………………………………... 2.4. Содержание отчета ……………………………………………………... 2.5. Контрольные вопросы ………………………………………………….. Лабораторная работа 3. Тиристорные выпрямители …………………….……. 3.1. Однофазный мостовой тиристорный выпрямитель …..……………… 3.2. Порядок выполнения 1-й части работы ……………………………….. 3.3. Выпрямительное устройство тиристорное ВУТ-67/125 ……………... 3.4. Состав и принцип работы ВУТ ………………………………………... 3.5. Усилитель постоянного тока (УПТ) …………………………………... 3.6. Задающий генератор (ЗГ) ………………………………………………. 3.7. Работа ФСУ ……………………………………………………………... 3.8. Распределитель импульсов (РИ) ………………………………………. 3.9. Системы автоматики, защиты, сигнализации и параллельной работы ……………………………………………………………………………. 3.10. Порядок выполнения 2-й части работы ……………………………… 3.11. Содержание отчета ……………………………………………………. 3.12. Контрольные работы ………………………………………………….. Лабораторная работа 4. Исследование работы преобразователя постоянного напряжения (конвертора) ……….……………………………..… 4.1. Основные сведения …………………………………………………….. 4.2. Силовой тракт …………………………………………………………... 4.3. Тракт управления ……………………………………………………….. 4.4. Модулятор ………………………………………………………………. 4.5. Порядок выполнения работы …………………………………………... 4.6. Содержание отчета …………………………………………………...… 4.7. Контрольные вопросы ……………………………………….................. |
5 5 7 7 8 9 9 9 10 11 13 13 13 13 15 17 17 18 20 20 20 21 22 24 24 24 25 25 25 25 27 31 32 32 |
УДК 656.25:621.311.6(07)
ББК 39.279.5я73
М67
Устройства электропитания аппаратуры телекоммуникационных систем, автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте: Методические указания к лабораторным работам для студентов ИАТИТа / В. Е. Митрохин, Л.Р. Доросинский; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. 33 с.
Методические указания включают в себя лабораторные работы по курсам «Электропитание устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте», «Электропитание и электроснабжение нетяговых потребителей».
Даны принципы работы и методика измерения параметров умножителей напряжения, стабилизаторов напряжения, тиристорных выпрямителей и конверторов.
Указания предназначены для студентов 3-го курса ИАТИТа, обучающихся по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», специализации «Информационная безопасность мультисервисных телекоммуникационных систем на ж.д. транспорте»; специальности «Системы обеспечения движения поездов», специализациям – «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта», «Автоматика и телемеханика на ж.д. транспорте», «Радиотехнические системы на ж.д. транспорте» и для слушателей ИПКП.
Библиогр.: табл. 1. рис. 20.
Рецензенты: профессор, доктор техн. наук В. А. Майстренко
доцент, канд. техн. наук С. А. Лунев.
©
Лабораторная работа 1
Умножители напряжений
Цель работы – изучить принцип работы и построение несимметричных схем умножителей напряжений 1-го и 2-го рода.
Область применения – цепи с повышенным напряжением и малой токовой нагрузкой: узлы приемо-передатчиков, блоки для заряда высоковольтных конденсаторов и т. д.
Достоинство таких умножителей – замена недостаточно надежных массогабаритных высоковольтных трансформаторов при малых токах нагрузки.
Схемы умножителей напряжений подразделяются на симметричные и несимметричные.
1.1. Несимметричные схемы умножения 1-го рода
В качестве примера, как наиболее наглядная, дана схема умножения напряжения в 4 раза (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема умножения напряжения в 4 раза
Рассмотрим работу умножителя на рис. 1.1, когда на его вход, на клеммы L1, N подано переменное напряжение U2 от разделительного трансформатора, необходимого для гальванической развязки сетевого и выходного повышенного напряжения данной схемы.
В полупериод, когда в проводе L1 появляется отрицательная полуволна напряжения, конденсаторы С1, С3 и др. с нечетными номерами заряжаются через диоды до амплитудного значения этой полуволны. Конденсаторы с четными номерами (С2, С4 и др.) в этот полупериод разряжены.
При появлении в проводе L1 положительной полуволны конденсатор С1, заряженный до амплитудного значения входного напряжения U2m , последовательно с амплитудой положительной полуволны источника переменного напряжения U2m через диод D2 подключается к конденсатору С2, создавая на нем почти удвоенную амплитуду напряжения 2U2m (с учетом незначительной разрядки в это время конденсатора С1).
Аналогично произойдет заряд конденсатора С4 до 2U2m. Осциллограмма установления напряжения на каскадах умножения при емкости умножителя С = 100 пФ представлена на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Осциллограмма установления напряжения в каскадах умножителя:
1 – напряжение на выходе трансформатора; 2 – напряжение на выходе каскада умножения напряжения в два раза; 3 – напряжение на выходе каскада умножения напряжения в три раза; 4 – напряжение на нагрузке
Таким образом, при действии на умножитель переменного напряжения конденсатор С2 будет заряжен до 2U2m, с конденсатора С3 можно будет снять до 3U2m , а с конденсатора С4 – до 4U2m.
Для получения равенства энергий, накапливаемых каждым конденсатором, их емкость по мере роста номера в схеме может уменьшаться, а пробивное напряжение – увеличиваться.
Так как при отрицательных полуволнах будут заряжены все нечетные конденсаторы, а при положительных полуволнах – все четные, то частота пульсаций на выходе схемы умножения 1-го рода будет равна частоте входного напряжения.
С увеличением тока нагрузки амплитуда пульсаций растет (допускаются значения коэффициента пульсаций не более 3 %).
Недостаток таких схем – наличие значительных токов заряда конденсаторов.
1.2. Несимметричные схемы умножения 2-го рода
Как пример дана схема умножения напряжения в 4 раза (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Схема умножения напряжения в 4 раза
Принцип работы аналогичен предыдущей схеме на рис. 1.1. Отличие заключается только в том, что все конденсаторы кроме С1 заряжаются только до 2U2m (С1 заряжается до U2m). Рабочее напряжение этих конденсаторов и диодов при значительной кратности умножения может быть значительно ниже, чем в схеме на рис. 1.1. Токи заряда конденсаторов тоже меньше, т. к. определяются только емкостью конденсатора С1. Однако емкости всех конденсаторов схемы на рис. 2 при тех же пульсациях приходится увеличивать в 2 раза и более.
1.3. Симметричные схемы умножения напряжения
Основное достоинство симметричных схем – удвоение частоты пульсаций выпрямленного напряжения, а основная особенность – схемы с нечетной кратностью не могут быть полностью симметричными (рис. 1.4, 1.5).
Рис. 1.4. Схемы удвоения напряжения
Рис. 1.5. Схема умножения напряжения в 4 раза
1.4. Порядок выполнения работы
1) На центральной плате стенда собрать одну из заданных преподавателем схем умножения.
2) Подключить собранную схему с одной стороны к выходу однофазного трансформатора и к приборам левой платы стенда, а с другой стороны – к приборам и сопротивлению нагрузки Rн правой платы стенда.
3) По измерительным приборам определить амплитуды токов и напряжений для пяти значений Rн , заданных преподавателем, согласно табл. 1.
Таблица 1
Диапазон изменения нагрузки в каждом из положений переключателя
|
№ положения переключателя Rн |
х.х. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
Диапазон плавного изменения Rн |
|
360 – 1400 |
310 – 460 |
260 – 350 |
175 – 225 |
135 – 165 |
100 – 114 |
71 – 78 |
50 – 56 |
38 – 42 |
30 – 32 |
22 – 23 |
4) С помощью вольтметра переменного тока и осциллографа с закрытым входом на правой плате стенда снять зависимость амплитуды пульсаций от заданных значений нагрузки.
5) По осциллографу определить частоту пульсаций.
6) Разобрать схему.
1.5. Содержание отчета
1) Зависимость напряжений U2, I2, UH, IH от заданных сопротивлений нагрузки RH.
2) Определение зоны удержания заданной кратности умножения напряжения от сопротивления и тока нагрузки.
3) Зависимость амплитуды пульсаций UП от сопротивления нагрузки.
1.6. Контрольные вопросы
1) За счет чего происходит умножение напряжения?
2) В чем отличие приведенных в работе схем умножения друг от друга?
3) Какова область применения умножителей напряжения?
Лабораторная работа 2
Полупроводниковые стабилизаторы напряжения
Цель работы – изучение принципа действия и определение основных параметров параметрических и аналоговых компенсационных стабилизаторов.
Стабилизатором напряжения или тока называется устройство, автоматически поддерживающее постоянное напряжение или ток на нагрузке при колебаниях входного напряжения или тока нагрузки.
Основные параметры стабилизаторов:
UВХ , UН – соответственно входное напряжение и напряжение на нагрузке;
IВХ , IН – соответственно входной ток и ток нагрузки;
∆U = UMAX – UMIN, ∆I = IMAX – I MIN – диапазоны изменения напряжения и тока (абсолютные отклонения);
– относительные отклонения напряжения входа и нагрузки при их средних значениях;
– коэффициент нестабильности при IН = const;
– коэффициент стабилизации по напряжению в зоне стабилизации при I Н = const;
– дифференциальное сопротивление стабилизатора при UВХ.НОМ. = const.
– коэффициент полезного действия.
2.1. Параметрические стабилизаторы
Простейшая схема таких стабилизаторов включает в себя балластный ограничивающий резистор RБ и нелинейный элемент – стабилитрон, включенный на выходе трехполюсника параллельно с нагрузкой (рис.1). Включенный встречно напряжению питания, стабилитрон на ограниченном участке туннельного или лавинного пробоя поддерживает напряжение на нагрузке практически постоянным.
Значительное превышение UН.MAX приводит к перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Из-за малого предельного тока до (0,03 – 1)А он чаще используется как источник опорного напряжения на входе компаратора или с усилителем постоянного тока с транзистором, последовательно или параллельно включенным с нагрузкой (рис.2.2, 2.3).
Рис. 2.2 Рис. 2.3
2.2. Компенсационные стабилизаторы (КС)
Ими называют стабилизаторы с регулирующим элементом (РЭ), включенным последовательно или параллельно с нагрузкой (рис. 2.4, 2.5) и имеющим цепь обратной связи (ОС). В этих схемах цепь ОС состоит из делителя напряжения RD1, RD2, опорного стабилитрона VD1 и усилителя обратной связи (УПТ).
Рис. 2.4. Схема КС с последовательно включенным РЭ
Рис. 2.5. Схема КС с параллельно включенным РЭ
Рассмотрим получившие наибольшее распространение аналоговые КС с последовательным включением РЭ (рис. 2.4, 2.7). При возрастании UВХ или уменьшении I Н растет UН, увеличивается сигнал ошибки UОШ = UОС – UОП, что приводит к росту ∆UРЕГ, а, следовательно, к уменьшению и стабилизации UН.
Схема, подобная рис. 2.4, реализована на микросхеме КР142ЕН8Б (рис. 2.6).
Ее принципиальная схема раскрыта в приложении к лабораторной работе.
Схема КС на рис. 2.7 включает в себя регулируемый делитель напряжения R5- R6-R7 цепи ОС, опорный стабилитрон VD2, УПТ на транзисторе VT3, составной транзистор VT1-VT2 в качестве РЭ, а также входной дополнительный параметрический стабилизатор R1-VD1 в цепи управления РЭ.
Рис. 2.6. Схема включения стабилизатора на микросхеме КР142ЕН8Б
Рис. 2.7. Схема КС на транзисторах
Рассмотрим работу схемы, например, при уменьшении входного напряжения UВХ или росте IН . В этом случае уменьшается UН , уменьшается потенциал на базе VT3 (сигнал ОC), транзистор VT3 подзапирается, что приводит к росту потенциала базы составного транзистора VT2 – VT1 регулирующего элемента за счет резисторов R1 – R2. Транзистор VT1 регулятора приоткрывается, в результате чего уменьшается падение напряжения в его рабочей цепи «коллектор –эмиттер» и возрастает, приближаясь к заданному ранее, напряжение на нагрузке UН. Резистор R4 служит для термокомпенсации обратного тока РЭ.
Аналоговый компенсационный стабилизатор с параллельным включением РЕ (рис. 2.5) широкого применения не имеет. Вместо него чаще используются более эффективные импульсные стабилизаторы с заменой балластного резистора на индуктивность и с широтно-импульсным управлением РЭ по ОС.
2.3. Порядок выполнения работы
1) Собрать на центральной плате стенда схему по рис. 2.2, используя для измерения UВХ, IВХ приборы левой платы и подключив нагрузку правой платы.
2) После проверки собранной схемы преподаватель выдает значение UВХ MAX в диапазоне (14 – 20)В, δВХ – в диапазоне (5 – 20) %.
3) По заданным значениям, измерениям и формулам, приведенным во введении, необходимо провести полный расчет стабилизатора.
4) Повторить по той же методике измерения расчет остальных схем стабилизаторов стенда.
2.4. Содержание отчета
1) Принципиальные схемы стабилизаторов и результаты расчета.
2) Сравнительный анализ схем.
3) Выводы по работе.
4) Ответы на контрольные вопросы.
2.5. Контрольные вопросы
1) В чем отличие аналоговых параметрических и компенсационных стабилизаторов?
2) Чем отличаются стабилизаторы последовательного и параллельного типов?
3) Как работают компенсационные аналоговые стабилизаторы?
4) Каковы основные параметры стабилизаторов?
Лабораторная работа 3
ТИРИСТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Цель работы – изучение работы тиристоров в схемах электропитания.
Тиристор – это трехэлектродный элемент с четырехслойной структурой p-n-p-n, имеющий анод А, катод К и управляющий электрод УЭ (рис. 3.1). Большая часть тиристоров выпускается промышленностью на отпирание при подаче на управляющий электрод с анода (ключ К1) или относительно катода (UИМП.ВКЛ.) положительного напряжения.
Запирание такого элемента происходит при размыкании рабочей цепи (ключ К2) или при уменьшении тока в рабочей цепи до величины, меньшей тока удержания тиристора.
Рис. 3.1. Схема коммутации тиристора при постоянном токе источника
В последнее время большое распространение получили тиристоры с оптической развязкой по цепи управления и особенно – с использованием изолированного затвора (Gate) в этой цепи (тиристоры IGCT).
Рис. 3.2. Графическое обозначение IGCT
Недостаток тиристоров: сравнительно низкая частота коммутации – единицы кГц.
Достоинства:
при малых токах управления (до 0,1 – 0,3 А) рабочий ток в силовой цепи А – К может быть до 10 кА;
обратное напряжение – до нескольких кВ (например, 25 класс – 2500 В);
скорость нарастания тока в рабочей цепи – до 103 А/мкс, напряжения – до 103 В/мкс.
Рассмотрим работу тиристоров в однофазных сетях.
3.1. Однофазный мостовой тиристорный выпрямитель
Наибольшее применение тиристоры нашли в схемах выпрямления и регулирования выходного напряжения сетевых источников электропитания при изменении напряжения питающей сети и токов нагрузки.
Принцип регулирования заключается в отпирании каждого тиристора при положительном для него полупериоде в определенный момент времени, что приводит к поступлению через него в нагрузку только части напряжения и тока в этот период.
В качестве примера рассмотрим схему однофазного мостового выпрямителя, в котором два диода заменены на тиристоры VS1 и VS2 (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Схема однофазного тиристорного выпрямителя
Такая схема помимо выпрямления обеспечивает регулирование выходного напряжения за счет задержки τ = RС на поочередное отпирание тиристоров в каждом полупериоде. Изменение действующего напряжения на нагрузке можно выразить также через угол α (рис. 3.4) от начала полупериода до момента отпирания тиристора. Величина α в градусах зависит от значений резистора R и конденсатора С (см. рис. 3.3) и изменяется за счет спаренных переменных резисторов R1, R2 от нескольких градусов примерно до 90° с учетом того, что половина периода выпрямленного напряжения составляет 180°.
Запирание тиристоров происходит в конце каждого полупериода при переходе напряжения и тока через ноль, когда ток через тиристор становится меньше его тока удержания.
Рис. 3.4. Графики изменений: а – напряжения с выхода вторичной обмотки трансформатора; б – тока в этой обмотке трансформатора;
в – напряжения и тока на нагрузке
Среднее выпрямленное значение напряжения на нагрузке можно определить через угол регулирования α:
UНср = (2/)U2ВХmax (1+ cosα )/2, (3.1)
где U2ВXmax – амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора.
3.2. Порядок выполнения 1-й части работы
1) Собрать схему однофазного мостового выпрямителя согласно рис. 3.2, подключив к одной диагонали моста выпрямителя выход трансформатора однофазной сети левой платы стенда, а к другой диагонали – нагрузку правой платы стенда.
2) По осциллографу провести изменение угла α ручкой регулировки переменных резисторов (4 значения) при последующем изменении сопротивления нагрузки (4 значения), записывая при этом показания всех 4-х цифровых приборов.
3) По полученным данным определить диапазон регулировки выходного напряжения при каждой нагрузке.
3.3. Выпрямительное устройство тиристорное ВУТ-67/125
В качестве примера использования тиристоров в трехфазных мостовых выпрямителях рассмотрим работу выпрямителя ВУТ-67/125 (рис.3.5).
3
1
сеть 380 В нагр.
50 Гц
2
Рис.3.5. Структурная схема ВУТ
Выпрямитель состоит из силовой части 1, тракта управления силовыми тиристорами 2 и тракта автоматики 3. Рассмотрим работу 1 и 2 частей.
Силовая часть. Несколько упрощенная схема силовой части выпрямителя приведена на рис.3.6. Питание устройства ВУТ-67/125 осуществляется от сети переменного напряжения 380 В с частотой 50 Гц. Это напряжение через первичные обмотки токовых трансформаторов ТА1-ТА5 подается на силовой трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого при таком входном напряжении соединены в треугольник. Вторичные обмотоки токовых трансформаторов подключены к цепям автоматики и защиты.
В ВУТ для преобразования переменного тока в постоянный применена полностью управляемая (симметричная) трехфазная мостовая схема на тиристорах (схема Ларионова). При помощи изменения углов регулирования тиристоров (фазоимпульсная модуляция-изменение фазы, т.е. момента включения тиристоров) осуществляется регулирование и стабилизация выпрямленных напряжения и тока. Для получения заданных выходных параметров угол регулирования изменяется на каждом полупериоде (1800) примерно от min=150 до max.=1000. Отпирание тиристоров осуществляется сигналами, создаваемыми системой управления. Запирание тиристоров происходит в момент достижения амплитудой тока нуля в конце каждого полупериода фазного напряжения.
Выпрямленное напряжение с трех катодов тиристорного моста плюсовым полюсом подается на выход выпрямителя, а минусовым полюсом с анодов трех тиристоров – на двухзвенный LC-фильтр(1), сглаживающий пульсации до заданной нормы (2мВ). Каждое звено фильтра состоит из дросселя и конденсаторов, защищенных силовыми предохранителями F1, F2. Параллельно силовым предохранителям установлены сигнальные предохранители F5, F6. Для автоматического включения и отключения в ВУТ со стороны переменного напряжения установлен магнитный пускатель КМ2, а со стороны постоянного тока – пускатель КМ1. Для отключения ВУТ при проведении профилактических и ремонтных работ, а также в случае аварии в выпрямителе установлен ремонтный разъединитель Q.
ВУТ работает в двух режимах, переключаемых тумблером SА1:
в режиме стабилизации тока, необходимом для заряда аккумуляторных батарей и в режиме стабилизации напряжения, используемом для питания устройств связи и буферной подзарядки аккумуляторных батарей.
В режиме стабилизации напряжения сигнал с одного из резистивных делителей выхода ВУТа подается на вход усилителя постоянного тока УПТ цепи отрицательной обратной связи тракта управления (клемма 6с). Сюда же в этом режиме с выпрямителя D1 приходит сигнал ограничения тока нагрузки при включенном тумблере SА1.
В режиме стабилизации тока (тумблер SА1выключен) сигнал на ту же клемму подается с резистора R2.
Наконец, сигналы отключения ВУТа при перегрузке по току, при коротком замыкании с порогового элемента ПЭ1 (триггера Шмитта), а при превышении выходного напряжения на 15% от номинального и от ПЭ2 поступают на усилитель У, на компаратор К и вызывают срабатывание выключающего тиристора VS7 (клемма 1с тракта управления), а до этого момента – прекращение работы фазосдвигающих устройств ФСУ (клемма 2с).
Тракт управления (рис.3.7) размещен в отдельном блоке и выполняет следующие основные задачи:
создает синхронизированную с напряжением питающей сети многофазную систему сигналов управления (трансформаторыТ1-Т3), мощность и длительность которых достаточны для четкого отпирания любого тиристора в выпрямительном мосту;
осуществляет сдвиг фазы управляющих сигналов относительно переменного напряжения питающей сети (ФСУ1, ФСУ2) в зависимости от напряжения на выходе или тока нагрузки.
Трехфазное напряжение 380 В после сигнальных предохранителей подается на синхронизирующие и питающие трансформаторы Т1-Т3, а с них – на трехфазные диодные мосты VD31-VD36 и VD38-VD43, стабилизатор напряжения VT10 для питания схем задающего генератора ЗГ, УПТ, ФСУ1, ФСУ2, а также (клемма 4с).для устройств отключения ВУТа (К, У).
С клеммы 6с сигнал регулировки выходных напряжения и тока подается на УПТ (транзисторы VT17- VT19), а с него – на эмиттеры транзисторов VT11, VT15.
На базу VT15 сигнал подается с ЗГ - формирователя коротких задающих импульсов, синхронизированных напряжением питающей сети, образованного выпрямительными мостами на диодах VD50-VD61, разделительными диодами VD62-VD64, стабилитроном VD65 и транзистором VT16. Когда падение напряжения на резисторах R44-R46 ЗГ велико и превышает напряжение стабилизации VD65, диоды VD62-VD64 и транзистор VT16 закрыты. При уменьшении напряжения на резисторах до величины, меньшей напряжения стабилизации VD65, один из разделительных диодов отпирается, открывая на короткое время транзистор VT16, а следовательно, и VT15. Последний, образуя с конденсатором С7 (как и VT11-С4) генератор пилообразного напряжения, мгновенно разряжает С7 и с этого момента на конденсаторе начинает линейно нарастать напряжение заряда. Подключенное к инверсному входу компаратора D1 ФСУ1, это напряжение на С7 нарастает до значения опорного напряжения, подаваемого со стабилитрона VD68 не только на прямые входы D1 и D2, но и через клемму 5с на прямой вход компаратора защиты К основного блока.
В момент равенства линейно нарастающего и опорного напряжений D1 на выходе компаратора D1 происходит скачек напряжения, который дифференцируется RC-цепочками и подается на импульсный усилитель ИУ2 (VT14- VT11), а с него – на запуск генератора пилообразного напряжения ФСУ2 (VT11-С4) и на управляющие электроды всех тиристоров управления VS1-VS6.
ФСУ2 работает аналогично0, напряжение с него через ИУ1 поступает на импульсные трансформаторы Т1-Т6 тракта управления.
При минимальном напряжении на одной из фаз выпрямителя VD1-VD6 и на одной фазе выпрямителя VD7-VD12 распределителя импульсов РИ и при подаче импульсов с ИУ1 и ИУ2 отпираются по одному четному и нечетному тиристору управления, запуская через импульсные трансформаторы Т1-Т6 и диоды одновременно по одному четному и одному нечетному силовому тиристору силовой части ВУТа.
Время заряда конденсаторов С7 и С4 ФСУ1 и ФСУ2 зависит от выходного напряжения УПТ. При выходном напряжении УПТ, равном нулю (выходное напряжение ВУТ максимально), конденсаторы С7, С4 в момент прихода синхронизирующих импульсов разряжаются до 0 и время их последующего заряда максимально. Это приводит к задержке запуска силовых тиристоров каждой фазы практически до конца полупериода и уменьшению выходного напряжения с ВУТ.
При минимальном выходном напряжении ВУТа напряжение на выходеУПТ максимально и запуск компараторов ФСУ, а следовательно, и тиристоров происходит в начале полупериода, что приводит к возрастанию выходного напряжения ВУТа
3.4. Порядок выполнения 2-й части работы
1) Разобрать назначение основных узлов ВУТа.
2) Описать работу обратной связи по напряжению и по току.
3.5. Содержание отчета
1) Зависимости напряжений и токов однофазного выпрямителя от угла регулировки отпирания тиристоров при изменении сопротивления нагрузок.
2) Диапазон регулировки выходного напряжения однофазного выпрямителя.
3) Краткое описание принципа работы выпрямителя ВУТ.
4) Ответы на контрольные вопросы.
3.6. Контрольные вопросы
1) Каков принцип работы тиристора?
2) Для чего предназначены токовые трансформаторы в силовой части ВУТа?
3) По какой схеме включены обмотки силового трансформатора?
4) Почему схема включения силовых тиристоров называется мостом?
5) Как работают электронные схемы по защите от превышения выходного напряжения и от перегрузки по току?
6) В чем заключается работа цепей обратной связи?
Лабораторная работа 4
Исследование работы
преобразователя постоянного напряжения
(конвертора)
Цель работы – изучение принципа преобразования одного постоянного напряжения источника в стандартные значения других постоянных напряжений.
4.1. Основные сведения
Получение одного или нескольких постоянных напряжений от одного источника постоянного напряжения (DC/DC) осуществляется устройством, условно называемым преобразователем или конвертором (рис. 4.1), получение постоянных напряжений от напряжения сети переменного тока (АС/DС) производится выпрямителем, а получение переменного тока от источника постоянного тока (DC/АC) осуществляется инвертором.
4.2. Силовой тракт
Основу преобразователей напряжения составляет инвертор, который строится по однотактной (прямоходовой или обратноходовой), двухтактной, полумостовой или мостовой схемам в зависимости от заданной выходной мощности.
В большинстве современных выпрямителей входное переменное напряжение сети частотой 50 Гц выпрямляется силовыми низкочастотными диодами, а затем подается на инвертор, работающий на высокой частоте (пока в настоящее время в диапазоне 20 – 200 кГц), выпрямляется высокочастотными диодами и сглаживается LC-фильтрами, а затем подается на нагрузку и в цепь отрицательной обратной связи (ООС) тракта управления.
4.3. Тракт управления
Управление работой инверторов в большинстве случаев производится отдельным трактом с широтно-импульсными модуляторами (PWM-Pulse width
modulation). Модулятор – это узел (микросхема или контроллер), который в за-
Рис. 4.1. Принципиальная схема конвертора
висимости от напряжения ООС, снимаемого с резистивного делителя выходного напряжения (датчика напряжения ООС) или с шунта, низкоомного резистора, трансформатора тока (датчиков тока) изменяет ширину вырабатываемых им импульсов при неизменных амплитуде и частоте следования.
4.4. Модулятор
В состав одного из таких модуляторов (рис. 4.2) входят:
генератор пилообразного напряжения (ГПН-Oscillator);
цепь обратной связи (ОС) с усилителем сигнала рассогласования (УСР) или сигнала ошибки (УСО- Error Amplifier);
компаратор (К);
формирователь импульсов (ФИ) для управления работой инвертора.
Рис. 4.2. ШИМ-модулятор
Генератор пилообразного напряжения (ГПН) как вариант может быть представлен (рис. 4.3) двумя каскадами: RC-генератором на микросхеме DA1 и интегратором на DA2. Для современных ГПН частота генератора выбирается в пределах 20 – 200 кГц, в зависимости от параметров элементов и схемы силового тракта.
Рис. 4.3. Генератор пилообразного напряжения
Компаратор – это операционный усилитель без обратной связи или с достаточно высокоомным резистором в цепи положительной обратной связи для ускорения срабатывания его в момент, когда напряжение по одному из входов достигнет значения напряжения по-другому.
УСР – операционный усилитель, необходимый для того, чтобы сигнал с его выхода при изменении UОС находился в диапазоне изменения напряжения с ГПН.
ИОН обеспечивает установку исходного выходного напряжения преобразователя.
Цепь обратной связи состоит из резистивного делителя выходного напряжения преобразователя или датчика выходного тока и усилителя сигнала рассогласования (УСР), а также оптронных пар, гальванически развязывающих выходные и входные узлы преобразователя. На один из входов УСР с выхода преобразователя поступает сигнал рассогласования (сигнал ошибки–error amp), а на другой вход усилителя подается сигнал с источника регулируемого опорного напряжения.
Напряжение с выхода УСР поступает на неинвертирующий вход компаратора К, на инвертирующий вход которого подается периодическое пилообразное напряжение с выхода ГПН. В момент, когда пилообразное напряжение с ГПН становится равным амплитуде с УСР, происходит переключение компаратора. Часть периода, когда входной сигнал с УСР ниже опорного пилообразного, на выходе К – ноль, когда выше – единичный сигнал. Таким образом, если выходное напряжение преобразователя понижается при увеличении тока нагрузки или изменении входного напряжения, на управляющие входы силовых полевых транзисторов VT1, VT2 лабораторного макета через узел формирователя импульсов поступают сигналы большей длительности, в результате чего выходное напряжение преобразователя повышается. Осуществляется стабилизация заданного выходного напряжения. Таким образом, петля обратной связи контролирует ширину выходных импульсов, поступающих на выпрямитель, и изменяет ее в соответствии с отклонениями выходного напряжения от установленного номинального. Для устойчивой работы системы и для исключения возможной паразитной генерации при резких изменениях входного напряжения и токов нагрузки коэффициент усиления петли обратной связи должен быть меньше 1.
На выходе компаратора происходит стыковка аналоговой части модулятора с дискретной, цифровой в качестве ФИ.
Формирователь импульсов необходим для преобразования широтно-модулированного импульса с компаратора в два таких же импульса, но сдвинутых друг относительно друга на 180° для поочередной работы полевых транзисторов VT1, VT2 лабораторного макета. Схема такого формирователя дана на рис. 4.4.
Сигнал с компаратора поступает на D-триггер, включенный как делитель частоты поступающих широтно-модулированных импульсов на два, и на две микросхемы «2И-НЕ» (см. рис. 4.3). Все входные импульсы на «2И-НЕ» должны быть нулевого уровня. При появлении высокого уровня на входе «Установка режима…» двухтактный выход переходит в однотактный режим.
Скважность нулевого активного импульса с выхода микросхемы «2И-НЕ» равна Q =Т/tимп = 4 для исключения возможности одновременного отпирания обоих силовых транзисторов и появления паузы между импульсами (мертвой зоны). На выходе формирователя установлены микросхемы-инверторы для преобразования сигнала с нулевым уровнем в единичный. В каждый период работы ГПН и К при двухтактной работе на время tимп отпирается поочередно только один силовой транзистор преобразователя.
Питание схемы ШИМ-модулятора (генератора пилообразного напряжения, компаратора и формирователя импульсов) осуществляется от дополнительного стабилизированного источника питания.
Силовой тракт преобразователя на макете представлен сравнительно маломощным двухтактным инвертором, высокочастотными выпрямительными диодами и LC-фильтрами.
В качестве силовых транзисторов выбраны полевые транзисторы типа МОП с индуцированным n-каналом обогащенного типа. Трансформатор инвертора собран на магнитопроводе из феррита (как вариант – из пермаллоя марки МПО). Транзисторы и трансформатор должны работать без насыщения.
Габаритная мощность трансформатора
Ргаб = 1,3UНIН , (4.1)
где UН , IН – параметры заданной нагрузки.
Произведение площади сечения сердечника SC на площадь его окна SОКН:
SСSОКН = 150 Ргаб/ƒ Bm, см4, (4.2)
где ƒ – рабочая частота, Гц,
Вm = 0,3 Тл – максимальное значение индукции для феррита.
Количество витков половины коллекторной обмотки
ωк = о,25·104 (Uпит – 0,5)/ƒ Bm SC (4.3)
Количество витков выходных обмоток определяется заданным выходным напряжением и коэффициентом трансформации инвертора с учетом потерь на силовых диодах и фильтре (по результатам измерений на стенде).
4.5. Порядок выполнения работы
1) Лабораторный стенд содержит три платы, из которых центральная плата – сам конвертор, на плате слева используем только вольтметр, на плате справа – нагрузку с подключенными к ней вольтметром и амперметром постоянного тока. Нагрузку правой платы подключаем к выходу конвертора (клеммы КТ11, КТ12).
2) Источники питания левой платы не использовать, ничего к ним не подключать во избежание коротких замыканий встречных источников напряжений.
3) Питание ШИМ-модулятора (генератора, компаратора, формирователя импульсов) стабилизировано, изменяется только напряжение питания силового каскада преобразователя на транзисторах VT1, VT2 с помощью ручки регулировки напряжения источника питания, расположенной в нижней части центральной платы.
4) Тумблер S1 в верхней части центральной платы преобразователя поставить в нижнее положение.
5) Подключить вольтметр постоянного тока левой платы стенда к выходу регулятора опорного напряжения (потенциометр «РЕГ.ВЫХ.») в верхней части центральной платы, а осциллограф – к выходу ГПН, а затем и компаратора.
6) Определить осциллографом период и частоту выходных импульсов с ГПН.
7) Снять зависимость ширины выходных импульсов с компаратора (по осциллографу) от 3-х значений опорного напряжения при разном положении ручки «РЕГ.ВЫХ.» (вольтметром левой платы).
8) С помощью двух каналов осциллографа определить сдвиг фаз на выходе формирователя.
9) Определить параметры импульсных напряжений силовой части преобразователя, осциллографируя напряжение всех ее контрольных точек (КТ6 – КТ10) и измеряя приборами правой платы стенда параметры нагрузки при 3-х значениях нагрузки, 3-х положений «РЕГ.ВЫХ.», 3-х положений потенциометра источника питания.
10) Перевести тумблер S1 в верхнее положение, введя в схему преобразователя обратную связь по напряжению. Изменяя напряжение источника питания потенциометром в нижней части платы, снять с помощью осциллографа и вольтметров зависимость от этого напряжения ширины импульсов модулятора при стабильном выходном напряжении. Убедиться, что в рабочем диапазоне работы преобразователя со снижением напряжения питания силовой части растет ширина импульсов с компаратора и наоборот, с ростом напряжения питания ширина импульсов уменьшается.
11) Определить по полученным данным оптимальный диапазон работы преобразователя при двух выходных напряжениях стенда.
12) Рассчитать по полученным данным необходимые параметры инвертора.
4.6. Содержание отчета
1) Структурная схема конвертора.
2) Таблицы зависимостей ширины выходных импульсов инвертора от значений опорного напряжения и от напряжения питания блока конвертора.
3) Расчет силового тракта преобразователя.
4) Ответы на контрольные вопросы.
4.7. Контрольные вопросы
7) Как влияет характер нагрузки и изменения напряжения питания на работу преобразователя?
Учебное издание
МИТРОХИН Валерий Евгеньевич,
ДОРОСИНСКИЙ Лазарь Рувимович
Устройства электропитания аппаратуры
телекоммуникационных систем, автоматики и
телемеханики на железнодорожном транспорте
_________________
Редактор Н. А. Майорова
***
Подписано в печать 27.04.2011. Формат 60 × 84 1/16.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,9. Уч.-изд. л. 2,0.
Тираж 120 экз. Заказ .
**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
PAGE 7