Материал: ЛР87

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии» Кафедра «Электрическая связь» Дисциплина «Электропитание и электроснабжение нетяговых потребителей»

Лабораторная работа №87

по теме:

«Исследование импульсных регуляторов напряжения»

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: Изучение принципа действия и исследование основных характеристик импульсных регуляторов напряжения (ИРН).

1. Общая теория

1.1. Значение оборудования

Импульсный регулятор напряжения – это преобразователь напряжения, преобразующий электрическую энергия постоянного тока в электрическую энергию постоянного тока другого уровня напряжения. ИРН могут применяться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания.

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие, повышающие и инвертирующие.

Повышающий преобразователь напряжения применятся тех схемах, где необходимо получить напряжение, большее, чем напряжение питания схемы. При этом важны малые габариты и высокий КПД, но терпим некоторый уровень высокочастотных шумов.

1.2. Классификация оборудования По характеру преобразования:

Преобразователи напряжения и блоки питания:

• Импульсные источники питания

• Источники бесперебойного питания

• Трансформаторы напряжения

По способу управления:

• Импульсные (на постоянном токе)

• Фазовые (на переменном токе)

По типу схем:

• Нулевые, мостовые

• Трансформаторные, бестрансформаторные

• Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления:

• Управляемые

• Неуправляемые

1.3. Краткая историческая справка

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других. Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери — меньше, а качество преобразования энергии — гораздо выше.

1.4. Достоинства и недостатки оборудования

Достоинства:

• высокий КПД, особенно при работе в большом диапазоне входных напряжений;

• малые габариты и масса (высокая удельная мощность);

• принципиальная возможность гальванической развязки входных и выходных цепей, при работе от промышленной сети переменного тока не требуется использование имеющего большие габариты и вес трансформатора, рассчитанного на частоту 50/60 Гц.

Недостатки:

• импульсные помехи во входных и выходных цепях— как дифференциальные (противофазные), так и помехи общего вида (синфазные помехи);

• более высокая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки;

• более длительные переходные процессы (большее время восстановления выходного напряжения после скачкообразного изменения входного напряжения или тока нагрузки),

• входное отрицательное дифференциальное сопротивление — входной ток увеличивается при уменьшении входного напряжения; если импеданс первичного источника напряжения (включая входные вспомогательные цепи самого импульсного преобразователя) выше отрицательного импеданса импульсного преобразователя, то возникают автоколебания с нарушением работоспособности и возможным повреждением стабилизатора.

2. Электрическая схема оборудования

Рис. 1 – Электрическая схема повышающего регулятора напряжения

2.1. Перечень элементов из схемы

• источник входного напряжения постоянного тока U1;

• генератор прямоугольных сигналов 0,1 МГц, 10В (схема управления);

• силовая цепь: регулирующий транзистор VT1, обратный диод VD1, накопительная индуктивность L1 и конденсатор фильтра C1;

• нагрузочный реостат RН;

• резисторы R3 и R4 предназначены для измерения тока ключа VT1 и тока диода VD1, соответственно;

• переключатели S1, S2 обеспечивают просмотр напряжения и тока ключа VT1, тока диода VD1 и напряжения на нагрузке;

• вольтметр U0 (измеряет постоянную составляющую выходного напряжения), установить опцию DC;

• вольтметр U2 (измеряет действующее значение переменной составляющей),установить опцию AC;

• двухлучевой осциллограф и ампер- вольтметры.

2.2. Описание принципа действия

При установки переключателя S1 в левое положение на экране осциллографа наблюдается форма напряжения на ключе VT1, при установке S1 в правое положение - форма тока через ключ. Соответственно при установке переключателя S2в правое положение на экране осциллографа наблюдается форма напряжения на нагрузке, при установке S2 в левое положение - форма тока диода VD1.

3. Выполнение лабораторной работы

Исходные данные занесены в табл. 1.

Таблица 1

3.1. Осциллограммы синхронных форм напряжений на диоде и на нагрузке при переводе переключателей s1 и s2.

• S1- левое положение и S2-правое положение

• S1- правое положение и S2- левое положение

3.2. Снятие зависимостей характеристик регулятора от тока нагрузки

Таблица 2

При Rн = 40%

R = 0.05 * Rн = 0,05 * 0,4 * 50 = 1 – сопротивление потерь дросселя;

Rн = 50 Ом – сопротивление нагрузки;

σ = R/Rн = 1/50 = 0.02

(1 - σ)*(1 - ϒ) / (σ + (1 - σ)*(1 - ϒ)²) = (1-0.02)*(1-0.2) / (0.02 + (1-0.02)*(1-0.2)²) = 1.211

Таблица 3