Лабораторная работа №1. Исследование параметров и характеристик тиристоров

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ВВЕДЕНИЕ

Современные устройства силовой электроники базируются на силовых полупроводниковых приборах ключевого типа. Данные полупроводниковые приборы в зависимости от поступающих на них сигналов принимают выключенное состояние с высоким сопротивлением полупроводниковых переходов либо включенное, когда переходы обладают высокой проводимостью. Электрическое сопротивление силовых полупроводниковых приборов в состояниях включено-выключено может отличаться в 10⁹ и более раз. В описании представленных лабораторных работ силовые полупроводниковые электронные приборы (СПП) также названы ключами: высокая проводимость - ключ замкнут, малая проводимость и высокая блокирующая способность – ключ разомкнут.

В настоящее время основными широко распространенными СПП являются диоды, тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT-транзисторы, реверсивно включаемые тиристоры и ряд других современных полупроводниковых приборов, используемых в качестве ключей, например, мощные полевые транзисторы – MOSFET, силовые интегральные схемы и др.

Ключевые силовые полупроводниковые приборы могут принимать проводящее или блокирующее состояния, как под действием приложенного напряжения, так и управляющего сигнала.

Наиболее распространенным элементом силовой электроники является диод, открытое состояние которого формируется положительным напряжением на аноде относительно катода и запертое, когда напряжение на электродах обратное.

Другой электронный прибор силовой электроники – тиристор переходит в проводящее состояние при тех же условиях, что и диод, но лишь при наличии при этом короткого управляющего сигнала на третьем (управляющем) электроде. Тиристоры могут также выключаться импульсами управления, поступающими на управляющий электрод.

Полностью управляемые СПП – транзисторы используют ключевой режим работы. Для транзисторов характерной особенностью работы является наличие достаточного управляющего сигнала в течение всего времени проводящего состояния. При отключении сигнала управления транзистор переходит в запертое состояние, т.е. нагрузку транзисторного ключа можно подключать к источнику или выключать, манипулируя сигналом управления транзистора. Активный режим работы транзистора при этом является переходным между состояниями включено – выключено.

Наибольшее распространение для значительных токов (50 А и более) получили транзисторы типа IGBT и GTO - управляемые тиристоры с управлением по включению и выключению при положительном напряжении на аноде.

Лабораторные работы составлены на примерах выпрямительных, инверторных и частотно преобразовательных устройств с использованием традиционных силовых полупроводниковых приборов – диодов и тиристоров и полностью управляемых полупроводниковых приборов IGBT и MOSFET транзисторов.

Лабораторная работа №1. Исследование параметров и характеристик тиристоров

Цель работы – изучение физических принципов действия тиристоров, приобретение навыков измерения параметров и снятия характеристик тиристоров при их коммутации в цепи постоянного тока.

Содержание отчета

Отчет должен содержать принципиальную электрическую схему лабораторной установки, измерения, занесенные в таблицы, графики характеристик построенные по таблицам, а также выводы по выполненной работе и перечень используемых приборов.

Лабораторная работа №2. Исследование силового полевого транзистора

Цель работы – изучение физические принципы действия силовых полевых транзисторов, приобретение навыков измерения параметров и снятия характеристик полевых транзисторов, при их коммутации в цепи постоянного тока.

Теоретические сведения

В настоящее время большинство электронных схем, особенно интегральные схемы, изготовлены на основе полевых транзисторов. Работа полевых транзисторов основана на использовании носителей заряда только одного типа – основных (или электронов, или дырок). Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле. В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком, полевой транзистор управляется электрическим полем. Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа. В полевом транзисторе с изолированным затвором между каналом полевого транзистора и металлическим электродом затвора размещается тонкий слой диэлектрика (рис. 2.1). Поэтому такие полевые транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник). Часто в МДП-транзисторе слоем диэлектрика служит окисел на поверхности полупроводника. В этом случае полевой транзистор называют МОП-транзистором (металл-окисел-полупроводник), английская версия MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors).

Работа МДП - транзистора основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника - канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура МДП - транзистора

Проводящие каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина индуцированного канала практически неизменная (1-5 нм), потому модуляция его проводимости обусловлена изменением концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется проводящий канал, называют пороговым напряжением и обозначают U_пор=0.5 – 3.5 В. В МДП транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет электрического поля, а технологическим путем. В этом случае мы также напряжением на затворе управляем проводимостью этого канала, причем в более широком интервале значений U_зи, поскольку такой канал существует и при нулевом напряжении на затворе. Для МДП транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение отсечки.

Напряжение отсечки – это напряжение на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи сток – исток стремится к нулю.

В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала (рис. 2.2). Когда напряжение проводящего канала на p-n переходе равно нулю, площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а электрическое сопротивление между источником минимально. Если подвести к затвору внешнее напряжение U_зи такой полярности, чтобы оба p-n перехода были смещены в обратном направлении, то в проводящем канале появится обедненный слой (слой изолятора), который уменьшает площадь поперечного сечения проводящего канала. Это приводит к возрастанию электрического сопротивления между источником и стоком транзистора. Изменяя напряжение U_зи, можно регулировать электрическое сопротивление проводящего канала.

Рис. 2.2. Конструкция полевого транзистора с n-каналом

Рис. 2.3. Графическое изображение различных транзисторов

Наиболее полно работа полевых транзисторов описывается семейством выходных статических вольт-амперных характеристик (рис. 2.4), которые для всех типов полевых транзисторов практически одинаковы.

Рис. 2.4. Статические ВАХ транзисторов:

а) полевых с управляющим p-n переходом;

б) МДП с индуцированным каналом;

в) встроенным каналом

Начнем с характеристики I_c=f(U_си) при U_зи=0 полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При малых значениях U_си ток Ic увеличивается с ростом U_си почти по линейному закону. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока I_c с повышением напряжения практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях I_c наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока I_c вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока и наоборот. При достаточно большом напряжении U_си наблюдается резкий рост тока I_c, обусловленный электрическим пробоем p-n-перехода у стокового конца канала.

При U_зи<0 вид характеристики I_c=f(U_си) будет таким же, как и при U_зи=0, только из-за того, что первоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока I_c также будет меньше. Уменьшается и напряжение насыщения, и напряжение пробоя.

Отличие выходных характеристик разных типов МДП – транзисторов (рис. 2.4 б,в) заключается в расположении характеристик при U_зи=0. В МДП – транзисторе со встроенным каналом (рис. 2.4в) эта характеристика располагается посредине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогащения, а ниже – режиму обеднения.

Рассмотренные выше характеристики МДП – транзисторов справедливы для случая, когда его подложка (П) соединена с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током оказывается совершенно аналогичным механизму действия затвора, а семейство характеристик I_c=f(U_си) при U_зи=const имеет тот же вид, что и характеристик при U_зп=const.

Основными параметрами полевых транзисторов является: крутизна характеристики S, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление R_i. Крутизной характеристики полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при U_cи=const:

(2.1)

Коэффициент усиления полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока и вызвавшему его изменению напряжения на затворе при I_c=const:

(2.2)

Внутренним сопротивлением R_i полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соответствующему изменению тока стока при U_зи=const:

(2.3)

Важнейшими особенностями полевых транзисторов является их очень высокие входное сопротивление (до 10¹⁵ Ом) и граничная частота (до 1 ГГц).

Порядок выполнения работы

Рис. 2.5. Схема лабораторной установки

Рис. 2.6. Соединения для определения порогового напряжения затвора

1. На источнике питания ручки «грубо» и «плавно» установить в крайнее левое положение.

2. Подключить «+» источника питания к точке «а».

3. Подключить «-» источника питания к точке «с».

4. Подключить «+» источника питания к точке «b».

5. Включить источник питания и ручкой «грубо» установить 4,5 В.

6. Показания амперметра записать в таблицу 2-1.

7. Получить значения тока I_с для напряжений указанных в таблице 2.1 и записать их. Для изменения напряжения пользоваться ручкой «плавно».

8. Выключить источник питания.

9. По данным таблицы 2.1 построить график.

10. По графику определить пороговое напряжение затвора U_пор. Напряжение U_зи при котором появился ток I_с является пороговым.

Таблица 2.1

Определение порогового напряжения затвора U_пор

U_зи, В^*	4,5	4,6	4,7	4,8	4,9	5,0
I_с, А

^*приведенные в таблице значения, необходимо рассматривать как примерные.

Рис. 2.7. Соединения для заряда емкости затвора

11. Отключить «+» источника питания от точек «а» и «b».

12. Включить источник питания и ручками «грубо» и «плавно» установить 15 В.

13. Коснуться «+» источника питания в точке «b», при этом затвор зарядится до напряжения источника и транзистор будет открыт. Во время эксперимента не касайтесь затвора руками.

14. Быстро установите напряжение источника питания 3 В и подключите «+» к точке «a», при этом появиться ток I_с его значение записать в таблицу 2.2.

15. Повторить пункты 13-14 для напряжения затвора 10В.

16. По формулам 2.1 и 2.3 рассчитать сопротивление канала и крутизну транзистора.

Рис. 2.8. Соединения для определения сопротивления канала и крутизны транзистора

Таблица 2.2

Определение сопротивления канала

U_зи, В	10	15
U_си, В	3	3
I_с, А
R_к, Ом

Динамические характеристики

Рис. 2.9. Схема для определения времени задержки MOSFET

На вход схемы от генератора Vellerman HPG-1 подается сигнал прямоугольной формы двойной полярности (меандр). Отрицательная полуволна сигнала срезается диодом VD1. Далее сигнал поступает на драйвер DD1, который формирует отпирающий импульс, поступающий на затвор VT1. Резистор R1 ограничивает ток затвора VT1. Выходной сигнал снимается с резистора R2. Диод VD2 предназначен для ограничения выбросов выходного напряжения отрицательной полярности, образующихся из-за наличия индуктивной составляющей нагрузки. Гнезда 1CH и 2CH предназначены для подключения каналов двухканального осциллографа. Измерение задержки включения производится путем измерения сдвига между импульсами на входе и выходе схемы, как показано на рис.22.

В схеме использованы следующие элементы: C1 –конденсатор К50-35-30В×33,0; DD1 – IR4428 формирователь управляющих импульсов; R1 – резистор МЛТ-0,5 – 20; R2 – резистор SQP- 5W-7,5 Ом; VT – MOSFET транзистор STP7N95K3.

Процедура измерений

Включите генератор. На дисплее появятся сигналы и меню дисплея.

Выберите в меню Waveform – меандр, в меню Frequency – нужную частоту, в меню Step – шаг изменения частоты, в меню – output voltage – необходимую амплитуду выходного напряжения. От источника питания подайте питание на схему. Подключите выход генератора на вход схемы с помощью кабеля. К гнездам 1CH и 2CH подключите кабели от осциллографа. Включите и настройте осциллограф. Для удобства измерений следует совместить нулевые линии 1-го и 2-го каналов. Измерьте время задержки между импульсами на входе и выходе.

Содержание отчета

Отчет должен содержать принципиальные электрические схемы лабораторной установки, измерения, занесенные в таблицы, графики характеристик построенные по таблицам, а также выводы по выполненной работе и перечень используемых приборов.

Теоретические сведения

Самым перспективным направлением создания современных силовых транзисторов являются комбинированные биполярно-полевые структуры, сочетающие принцип полевого управления и биполярный механизм переноса тока. Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ, английская версия IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. Следовательно, мощность управляющего сигнала минимальна. На рис. 3.1 приведено условное обозначение БТИЗ.

Рис. 3.1. Условное обозначение БТИЗ

Рис. 3.2. Схема соединения транзисторов в единой структуре БТИЗ

Структурная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 3.2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления – выводом З (затвор). Схематичный разрез структуры БТИЗ показан на рис. 3.3а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 3.3б изображена структура БТИЗ IV поколения, выполненного по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.

Рис. 3.3. Схематичный разрез структуры БТИЗ:

а) обычного (планарного);

б) выполненного по "trench-gate technology"

Процесс включения БТИЗ можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n – канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.

Для БТИЗ с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённом состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых МОП транзисторах в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями.

С другой стороны, МОП транзисторы c номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют более низкое значение напряжения во включённом состоянии, чем БТИЗ, и остаются непревзойдёнными в этом отношении в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 50 А.

По быстродействию БТИЗ уступают МОП транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении БТИЗ находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.

Область безопасной работы БТИЗ позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые по схеме Дарлингтона.

Так же как и дискретные МОП транзисторы вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением до 500 В, так и дискретные БТИЗ делают то же самое в источниках с более высокими напряжениями до 3500 В.

Характеристики БТИЗ

При проектировании электронных устройств необходимые статические величины определяются в основном по проходным и выходным зависимостям данного транзистора. На рис. 3.4а представлена типовая проходная характеристика БТИЗ при различных температурах кристалла Tj транзистора, из которой можно определить крутизну:

(3.1)

Рис. 3.4. Типовые характеристики БТИЗ:

а) проходная характеристика;

б) выходные характеристики

Для определения напряжения насыщения U_нас при заданном напряжении U_зэ используется семейство выходных характеристик рис.3.4б.

Рис. 3.5. Динамические характеристики БТИЗ

Время задержки включения БТИЗ определяется как время между подачей на затвор отпирающего импульса и 10% нарастания тока коллектора рис. 3.5. Время нарастания , определяется нарастанием тока коллектора от 10% до 90% от своего номинального значения. Время задержки выключения определяется как время между подачей запирающего импульса на затвор и нарастания на 10% относительно номинального значения напряжения на коллекторе. Время спада определяется как время уменьшения тока коллектора от 90% до 10% от своего номинального значения.

Параметры

К основным статическим параметрам БТИЗ относятся:

- крутизна характеристики S=∂I_к/∂U_зи мА/В, при U_си=const, характеризует усилительные свойства БТИЗ;

- напряжение насыщения коллектор-эмиттер U_{кэ нас}, определяет потери проводимости БТИЗ;

Основными предельными параметрами являются:

- максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_{кэ макс};

- максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер U_{зэ макс};

- максимально допустимый ток коллектора I_{к макс};

- максимально допустимое мощность рассеиваемая коллектором P_{к макс}.

Порядок выполнения работы

Рис. 3.6. Схема лабораторной установки

Рис. 3.7. Соединения для определения порогового напряжения затвора

1. На источнике питания ручки «грубо» и «плавно» установить в крайнее левое положение.

2. Подключить «+» источника питания к точке «а».

3. Подключить «-» источника питания к точке «с».

4. Подключить «+» источника питания к точке «b».

5. Включить источник питания и ручкой «грубо» установить 5,9 В.

6. Показания амперметра записать в таблицу 3.1.

7. Получить значения тока I_К для напряжений указанных в таблице 3.1 и записать их. Для изменения напряжения пользоваться ручкой «плавно».

8. Выключить источник питания.

9. По данным таблицы 3.1 построить график.

10. По графику определить пороговое напряжение затвора U_пор. Напряжение U_ЗЭ при котором появился ток I_К является пороговым.

Таблица 3.1

Проходная характеристика БТИЗ

Uзэ, В	5,9	6,0	6,1	6,2	6,3	6,4
Iк, А

Рис. 3.8. Соединения для заряда емкости затвора

1. Отключить «+» источника питания от точек «а» и «b».

2. Включить источник питания и ручками «грубо» и «плавно» установить 15 В.

3. Коснуться «+» источника питания в точке «b», при этом затвор зарядится до напряжения источника и транзистор будет открыт. Во время эксперимента не касайтесь затвора руками.

4. Быстро установите напряжение источника питания 1,5 В и подключите «+» к точке «a», при этом появиться ток I_к его значение установить 2 А и записать в таблицу 3.2 показания вольтметра.

5. Повторить пункты 3-4 для напряжения затвора 10В.

6. По формуле 3.1 рассчитать крутизну характеристики.

7. Рассчитать мощность прямых потерь.

Рис. 3.9. Соединения для определения напряжения насыщения и крутизны характеристики транзистора

Таблица 3.2

U_ЗЭ, В	10	15
U_КЭ, В
I_К, А	2	2

Динамические характеристики

Динамические характеристики БТИЗ приведены на рис. 3.5.

Определение времени задержки включения

Для определения времени задержки включения используется схема, приведенная на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема для определения времени задержки БТИЗ транзистора

В схеме использованы следующие элементы: C1 –конденсатор К50-35-30В×33,0; DD1 – IR4428 драйвер двух ключей нижнего уровня; R1 – резистор МЛТ-0,5 – 20; R2 – резистор SQP- 5W-7,5 Ом; VT – IGBT транзистор IRG4BC20K.

Процедура измерений

Включите генератор. На дисплее появятся сигналы и меню дисплея.

Выберите в меню Waveform – меандр, в меню Frequency – нужную частоту, в меню Step – шаг изменения частоты, в меню – output voltage – необходимую амплитуду выходного напряжения. От источника питания подайте питание на схему. Подключите выход генератора на вход схемы с помощью кабеля. К гнездам 1CH и 2CH подключите кабели от осциллографа. Включите и настройте осциллограф. Для удобства измерений следует совместить нулевые линии 1-го и 2-го каналов. Измерьте время задержки между импульсами на входе и выходе.

Содержание отчета

Теоретические сведения

Тиристорами называют полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре или более слоев) p-n структур, способные переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее) состояние.

Рис. 4.1. Условно-графическое изображение тиристора с катодным управлением

Рис. 4.2. Четырехслойная структура тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойную структуру полупроводников p и n- типов проводимости (см. рис. 4.2).

Вывод от крайней области P₁ называют анодом, вывод от крайней области N₂ называю катодом, а вывод от одной из промежуточных областей (N₁ или P₂) называют управляющим электродом. П₁, П₂, П₃ – p-n переходы (см. рис. 4.2).

В зависимости, от какой промежуточной области тиристора сделан вывод управляющего электрода, различают тиристоры с анодным и с катодным управлением.

Если на анод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то p-n переходы П₁ и П₃ будут смещены в прямом направлении, а p-n переход П₂ – в обратном. Сопротивление этого p-n перехода большое. Поэтому большая часть напряжения U_A будет приложена к переходу П₂ и анодный ток тиристора представляет собой малый обратный ток этого перехода. Сопротивление прибора в целом большое, ток, текущий через тиристор, очень мал. В этом случае говорят, что тиристор находится в закрытом состоянии.

Если между управляющим электродом и катодом пропустить небольшой ток управления I_У, то в зависимости от величины этого тока произойдет переключение тиристора из закрытого в открытое состояние. Сопротивление тиристора в открытом состоянии небольшое (менее одного Ома) и ток, текущий через тиристор, будет определяться в основном сопротивлением нагрузки R_H. Напряжение U_A, при котором тиристор переключается в проводящее состояние, при определенном напряжении (токе) на управляющем электроде U_У (I_У) называют напряжением включения U_вкл или напряжение переключения U_пер.тиристора.

Тиристор может находиться во включенном состоянии неограниченно долго, пока существуют условия для протекания в его основной цепи достаточного анодного тока, т.е. включенное состояние тиристора является устойчивым.

Структуру тиристора можно изобразить в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на данном слайде (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Структура и схема двухтранзисторной модели тиристора

В данный момент управляемые выпрямители на основе тиристоров получили широкое распространение и в промышленности, и в быту. В зависимости от назначения выпрямителя существует множество различных схем их реализации. Наиболее удобными для понимания принципов работы являются однофазные одно- и двухполупериодные управляемые выпрямители (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Типовые электрические схемы однофазных управляемых выпрямителей:

а) однополупериодного;

б) двухполупериодного

Основные отличия однофазных управляемых от неуправляемых и однополупериодных от двухполупериодных выпрямителей можно видеть при анализе временных диаграмм, поясняющих работу (см. рис. 4.5).

На приведенных ниже диаграммах в качестве основной характеристики выпрямителя представлена форма выпрямленного напряжения. Данные характеристики представлены для активной нагрузки.

Время на диаграмме отложено по оси в градусах, данная мера принята с целью устранения привязки к реальному времени и зависимости от частоты входного напряжения выпрямителя. Для частоты 50 Гц 360⁰ соответствует 0,02 с.

Из представленных ниже диаграмм при анализе однофазных неуправляемых выпрямителей, очевидно, что основным отличием выпрямителя однополупериодного от духполупериодного является отсутствие полуволны выходного напряжения при отрицательной полуволне входного напряжения, в случае с однополупериодным выпрямителем. В случае с двухполупериодным выпрямителем – отрицательная полуволна входного напряжения преобразуется в положительную полуволну выходного напряжения.

Рис. 4.5. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы однофазных неуправляемых и управляемых выпрямителей

Из анализа диаграмм (см. рис. 4.5) основным отличием однофазного управляемого выпрямителя от неуправляемого является форма выходного напряжения. В случае с неуправляемым выпрямителем напряжение на выходе повторяет форму синусоидального напряжения на входе (в случае с положительной составляющей входного синусоидального напряжения, при отрицательной составляющей синусоидального напряжения). При реализации схемы управляемого выпрямителя форма выходного напряжения повторяет форму входного напряжения частично, «обрезая» часть синусоидальной формы, тем самым осуществляя регулирование среднего значения выпрямленного напряжения.

Для реализации управления тиристорами в схемах выпрямителей применяются слаботочные системы формирования управляющих импульсов. Существуют аналоговые и цифровые импульсно-фазовые системы управления (ИФСУ), формирующие импульсы управления тиристорным выпрямителем.

Широкое распространение получила аналоговая ИФСУ, структурная схема представлена ниже.

Рис. 4.6. Структурная схема управления тиристорным выпрямителем

Структурная схема состоит из следующих блоков:

- генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);

- компаратор;

- формирователь длительности импульса (ФДИ);

- управляющий электрод тиристора (УЭ).

На блок «ГЛИН» поступает синусоидальное напряжение, совпадающее по фазе с синусоидальным напряжением, поступающим на управляемый выпрямитель. В данном блоке формируется пилообразное напряжение, данное напряжение поступает на «компаратор», который осуществляет сравнение с напряжением контроля (U_К) и формирует начало импульса, который длится на протяжении момента времени, когда напряжение на «пиле» превышает значение напряжения контроля. Данные импульсы поступают на блок «ФДИ», который срабатывает по переднему фронту импульса и формирует его заданной длительности. С данного блока импульсы, с формированной длительностью, поступают на «УЭ».

Порядок выполнения работы

1. Подайте питание на внешний вход «External input».

2. Выведите рукоятки «set power level», «gain» и «interval» в крайнее левое положение.

3. Подключите щупы осциллографа для отображения пилообразного напряжения и выходного импульса.

4. Установите рукоятки «gain» и «interval» в среднее положение.

5. Снимите осциллограммы пилообразного напряжения и выходного импульса для различных положений рукоятки «set power level».

6. Установите рукоятки «set power level» и «interval» в среднее положение.

7. Снимите осциллограммы пилообразного напряжения и выходного импульса для различных положений рукоятки «gain».

8. Установите рукоятки «set power level» и «gain» в среднее положение.

9. Снимите осциллограммы пилообразного напряжения и выходного импульса для различных положений рукоятки «interval».

Содержание отчета

В отчете должны быть представлены схема ИФСУ, используемая в лабораторной работе, описание её работы, структурная схема и осциллограммы, характеризующие принцип работы системы управления.

Чисто резистивная нагрузка

Для углов регулирования в диапазоне от 0° и 60° эта кривая имеет форму косинусоиды, то есть она совпадает с кривыми, отображающими результат вычислений по формуле (8). Однако для углов регулирования больше 60° кривая отклоняется от формы косинусоиды, поскольку сила тока в мосте становится непостоянной.

Порядок выполнения работы

1. Осуществите подключения согласно схеме представленной на рис. 5.1 (внешний вид реализации схемы трехфазного двухполупериодного выпрямителя на лабораторном стенде представлен на рис. 5.10).

2. В качестве резистивной нагрузки используйте панель «Three Phase Resistive Load 67-142».

3. В качестве индуктивной нагрузки используйте панель «Inductive Load 67-300».

4. В качестве емкостной нагрузки используйте панель «Switched Capacitive Load 67-201».

5. Осуществляя регулирование угла управления рукояткой «Output» в пределах от 0 до 10 В заполните таблицу 5.2. (Определение угла управления осуществляется по показаниям осциллографа).

Рис. 5.10. Внешний вид реализации схемы трехфазного двухполупериодного выпрямителя на лабораторном стенде

Таблица 5.2

Экспериментальные данные

Опорное напряжение, В	Угол управления α, град	Активная нагрузка		Активно-индуктивная нагрузка		Активно-емкостная нагрузка
Опорное напряжение, В	Угол управления α, град	I_Н, А	U_Н, В	I_Н, А	U_Н, В	I_Н, А	U_Н, В

Содержание отчета

В отчете должны быть представлены: схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя, используемая в лабораторной работе и описание её работы; осциллограммы; таблица с экспериментальными данными; таблица с данными моделирования; графики зависимостей при различных типах нагрузки, построенные по таблицам экспериментальных данных и данных моделирования: I_Н=f(α), U_Н=f(α) и U_Н=f(I_Н); вывод по результатам выполненной работы.

Необходимое оборудование

60-132 3-х фазный источник питания

70-220 Цепи открывания тиристоров и тиристорные мосты.

70-310 Схемы управления электродвигателями

63-111 Двигатель постоянного тока независимого возбуждения с питанием от источника постоянного тока на 70-220.

67-502 Динамометр

68-441 Блок управления скоростью и моментом

67-300 Переменная Индуктивная нагрузка 700 мГн

68-116 AC / DC Цифровой вольтметр / амперметр

Настройка оборудования

Автоматический выключатель на блоке питания 60-132 должен находиться в положении «выключено» (Нажать красную кнопку, см. рис.6.16).

Для подачи напряжения на блок, установите основной переключатель устройства 60-132 в положение однофазный (наиболее против часовой стрелки).

Установите на блоке управления скоростью и моментом 68-441 момент 0 Нм.

Установите подвижный сердечник переменной индуктивности 67-300 до 3 позиции и зажмите его. (Индуктивность используется для сглаживания внезапных изменений тока).

Таблица 6.1

Зависимость индуктивности катушки L_доп от положения сердечника

Положение сердечника	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Индуктивность L_доп, мГн	50	70	95	140	190	260	340	420	505	570	600

Порядок выполнения работы

Содержание отчета

1. Наименование работы.

2. Принципиальные схемы полууправляемого и полностью управляемого выпрямителей.

3. Таблицы результатов измерений.

4. Осциллограммы выходного напряжения исследуемых выпрямителей.

5. Технические характеристики используемого оборудования.

6. Анализ полученных результатов и выводы.

Программа работы

1. Запишите данные асинхронного двигателя. Ознакомьтесь с экраном блока управления преобразователя частоты (рис. 4).

2. Соберите электрическую цепь в соответствии с рис.2.

3. Подайте питание сети к преобразователю и регулятору нагрузок двигателя.

4. Нажмите кнопку «Питание» (Power) на панели управления преобразователя частоты.

5. На сенсорном экране панели управления прикоснитесь к кнопке 25%. Запустите кнопкой «Вперёд» двигатель (рис. 8.4). Он должен вращаться по часовой стрелке.

6. Нажимайте кнопки 50%, 75%, 100% и обращайте внимание, ускоряется ли двигатель с увеличением частоты до максимальной скорости.

7. Проверьте управление кнопками плавного изменения скорости: ˄ - увеличение, ˅ - уменьшение.

8. Установите частоту питания двигателя 50 Гц. Уточните частоту вращения ротора двигателя (3000 об/мин).

Рис. 8.4. Экран блока управления преобразователя частоты

9. Установите номинальный момент нагрузки. Для этого на блоке установки момента нажимайте кнопку – on, а переключатель режима работы: установка момента или измерение частоты вращения ротора установите в верхнее положения. Вращая ручку регулятора момента установите его требуемое значение (0,85 Нм).

10. Запишите в таблицу 1 показания приборов: f , U , n ₁ , n , I , P ₁ ' , P ₁ ''. Для измерения текущей частоты вращения ротора переключатель режима работы установите в нижнее положение. Установка номинального момента пропорциональна значению номинального тока I_н=1,1 А.

11. Поддерживая постоянным значение номинального момента, осуществите измерения на частотах напряжения питания двигателя, указанных в таблице 1 до полной остановке двигателя.

12. По измеренным данным рассчитайте значения параметров, требуемые для определения значений коэффициентов мощности cosj и полезного действия η.

13. Рассчитайте значения cos j и η и постройте графики их зависимости от частоты вращения ротора двигателя.

14. Проведите анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Каким образом, используя паспортные данные двигателя, можно определить номинальные момент?

2. Каким образом, используя измерительные приборы можно установить правильность установки номинального момента?

3. Что такое коэффициент мощности?

4. Почему требуется увеличение коэффициента мощности до значения равного единицы?

5. Что такое скольжения асинхронного двигателя?

6. Почему у частотно-регулируемого асинхронного двигателя коэффициент полезного действия при уменьшении частоты вращения ротора изменяется в меньших пределах, чем у двигателя, у которого частота вращения регулируется изменением напряжения?

Описание стенда

Исследуемый инвертор представляет собой автономный инвертор, питающийся от однофазной сети переменного тока.

Рис. 9.3. Силовая схема преобразователя частоты с автономным инвертором

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого однофазного выпрямителя, промежуточного звена постоянного тока с емкостным фильтром, содержащего тормозной резистор и трехфазного транзисторного инвертора.

Параметры преобразователя:

- частота ШИМ 2…14.5 кГц;

- максимальная мощность 2.2 кВт;

- инвертор позволяет реализовать векторное и скалярное ШИМ управление U / f.

Рис. 9.4. Лицевая сторона преобразователя частоты

Внешний вид панели представлен на рис. 9.5. На панели находятся кнопка включениея, сенсорный дисплей (резистивный) клеммы заземления и клеммы подключения трехфазной нагрузки.

Рис. 9.5. Главное меню дисплея

В меню дисплея возможно выбрать следующие режимы: прямой ход, реверс, остановка, выбор значения частоты вращения плавно, либо в % от базовой (доступны 25%, 50%, 75%, 100%), имеются настройки режимов плавного пуска и остановки (продолжительность пуска/остановки, стартовая частота).

Порядок проведения

1. Подключите преобразователь к двигателю по схеме указанной на рис. 9.3

2. Включите преобразователь нажав кнопку «power» на стенде

3. Нажмите на дисплее кнопку «Fwd» – произойдет запуск двигателя, в верхней части дисплея будет отображаться текущая частота тока в нагрузке и скорость вращения двигателя

4. Установите частоту тока в нагрузке 50 Гц нажав кнопку 100%

5. Снимите осциллограммы тока и напряжения на нагрузке

6. Установите частоту тока в нагрузке 25 Гц нажав кнопку 50%

7. Снимите осциллограммы тока и напряжения на нагрузке

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы трехфазного инвертора напряжения.

2. Что такое ШИМ? Объясните принцип формирования сигналов управления трехфазным инвертором.

3. Каково назначение выходного фильтра инвертора и его основные

характеристики?

4. Объясните полученные в работе осцилограммы при различных режимах работы инвертора.

5. Каковы преимущества и недостатки различных методов управления трехфазным мостовым инвертором?

Описание стенда

Рис. 10.2. Схема для исследования системы управления транзисторного трехфазного инвертора

Порядок проведения работы

1. Подключите преобразователь к двигателю по схеме указанной на рис.

2. Включите преобразователь, нажав кнопку «power» на стенде

4. Установите частоту тока в нагрузке 50 Гц, нажав кнопку 100%

5. Снимите осциллограммы напряжения на транзисторе

6. Установите частоту тока в нагрузке 25 Гц, нажав кнопку 50%

7. Снимите осциллограммы напряжения на транзисторе

Контрольные вопросы

1. Какие виды импульсной модуляции вы знаете?

2. Зачем вводится задержка при переключении противофазных транзисторов?

3. Чем отличается ШИР от ШИМ?

4. Как формируются средние напряжения на выводах по отношению к

средней точке источника питания?

5. Как формируются фазные токи?

6. Как регулируется в АИН величина выходного напряжения?

Библиография

3. Каталог фирмы Feedback: Thyristor Control Principles 70-003. website: http://www.feedback-instruments.com .

4. Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко. Общий курс электропривода.- М.: Энергоатомиздат, 1992.

5. Сен П. Тиристорные элктроприводы постоянного тока: Пер. с англ.- М.: Энегоатомиздат, 1985.-232 с, ил.

6. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб. пос. для студ. ВУЗов.- М.: Изд. Центр «Академия», 2004 – 272 с.

7. Буров В.Н. Силовая электроника. Полупроводниковые преобразователи для управления асинхронными двигателями и их энергетические показатели: учеб. пособие / В.Н.Буров, В.Я.Фролов.- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014.-104 с.

Буров Вячеслав Николаевич

Быстров Александр Васильевич

Веселовский Анатолий Платонович

Грачев Сергей Юльевич

Жилиготов Руслан Игоревич

Мурашов Юрий Васильевич

Фефелов Сергей Аркадьевич

Фролов Владимир Яковлевич

Юшин Борис Альбертович

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Лабораторный практикум

Учебное пособие

_________________________________________

Подписано в печать 2017. Формат 60x84/16

Печать цифровая. Усл. печ. л. 6,5. Уч.- изд. л. 6,5.

Тираж Зак.

_________________________________________

Отпечатано с готового оригинал-макета,

предоставленного авторами, в типографии

Издательства СПбПУ.

195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа №1. Исследование параметров и характеристик тиристоров

Дата: 2019-07-24, просмотров: 388.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒