Katedra elektrotechniky a mechatroniky FEI-TU v Košiciach NÁVODY NA CVIČENIA Z VÝKONOVEJ ELEKTRONIKY. Jaroslav Dudrik

Transcript

1 Katedra elektrotechniky a mechatroniky FEI-TU v Košiciach NÁVODY NA CVIČENIA Z VÝKONOVEJ ELEKTRONIKY Jaroslav Dudrik Košice, september 2012

2 SPÍNACIE VLASTNOSTI BIPOLÁRNEHO TRANZISTORA, IGBT a MOSFETu Úlohy: A) Spínacie vlastnosti IGBT 1. Pri zvolenom prúde kolektora I C (napr. 2A) zistite veľkosť zapínacieho času a jeho zložiek. Zakreslite priebeh U GE a I C. 2. Sledujte vypínací proces tranzistora. Odčítajte veľkosť vypínacieho času a jeho zložiek. Zakreslite priebeh U GE a I C. 3. Sledujte vplyv zmeny odporov v obvode hradla (pomocou zmeny odporu v kolektore koncového stupňa generátora ) na veľkosť zapínacích a vypínacích časov 4. Zistite vplyv záporného napätia generátora na spínanie IGBT. 5. Porovnajte výsledky medzi BJT a IGBT a vyslovte závery o ich spínacích vlastnostiach. Schéma A: A GI U CC R G1 R Z L Z VD OSC. T 1 T 2 R G2 R G3 R G4 G u GE + C E VT u CE + U Osc. 1 -U CC Osc. 2 i G - R SG R SC i C - B) Spínacie vlastnosti MOSFET-u 1. Pri zvolenom prúde kolektora I D ( max. 5A ) a rezistore R on zmerajte veľkosť zapínacieho času t on a jeho zložiek t d(on) a t r. 2. Zistite vplyv veľkosti rezistora R on na zapínací čas tranzistora. 3. Sledujte vypínací proces MOS FET-u ( napätia u GS a u DS ), pri nastavenom prúde kolektora I D a rezistore R off. Odčítajte veľkosť vypínacieho času t off a jeho zložiek t d(off) a t f. 4. Zistite vplyv veľkosti R off na vypínací čas tranzistora. 5. Zistite tvar prúdu hradla a určte jeho maximálnu hodnotu pri zapínaní a vypínaní pre minimálne hodnoty R on a R off.

3 Schéma B : A U CC R Z T 1 R on[1] R on[2] L Z VD Generátor impulzov GI T 2 R on[n] R off[1] R off[2] G u GS + D S u DS + VT U Roff[n] Osc. 1 Osc. 2 i G - R SG R SD i D - Literatúra: Dudrík, J.: Prednášky z Výkonovej elektroniky. Timko, J., Dudrík, J.: Elektrické pohony a výkonová elektronika, TU Košice, 1991.

4 JEDNOFÁZOVÝ JEDNOIMPULZOVÝ RIADENÝ USMERŇOVAČ S R-L ZÁŤAŽOU, BEZ A S NULOVOU DIÓDOU. Úloha : Jednofázový jednoimpulzový riadený usmerňovač s R-L záťažou, bez a s nulovou diódou. 1. Zapojte a uveďte do činnosti univerzálne zapojenie 1-fázového jednoimpulzového riadeného usmerňovača podľa schémy. 2. Na jednofázovom jednoimpulzovom riadenom usmerňovači bez nulovej diódy s R záťažou osciloskopicky presledujte záťažné veličiny u d a i d a napätie na tyristore u v. Porovnajte tvary týchto veličín pri rôznych uhloch riadenia Nastavte 1 =45 0. Pridávajte postupne čoraz väčšiu induktívnu zložku do záťaže a pozorujte ako sa časový priebeh prúdu stále viac odchyľuje od priebehu napätia. Všímajte si ako v priebehu napätia u d pribúda čoraz väčší úsek zo zápornej periódy. Pri dostatočnej časovej konštante záťaže skúmajte vplyv uhla riadenia na tvar prúdu i d a na veľkosť 2. Overte, že priebehy u v a u d sa navzájom dopĺňajú do sínusovky. 4. Nastavte nasledujúce parametre: Uv =50V, α 1 =45, R=27Ω, L=600mH. Zmerajte strednú a efektívnu hodnotu napätia a prúdu a odčítajte pomocou osciloskopu príslušný uhol vypnutia 2. Vypočítajte činiteľ tvaru napätia a prúdu. Vysvetlite rozdiel. Overte si hodnoty činiteľa tvaru výpočtom. 5. Zmerajte ako sa zmení činiteľ tvaru napätia a prúdu v záťaži, keď sa pri rovnakých parametroch ako v predchádzajúcom bode 4. pripojí nulová dióda. 6. Presledujte, aký vplyv na pozorované priebehy má zmena uhla riadenia usmerňovača. 7. Zmenou časovej konštanty prejdite z OPP do ONP resp. opačne. Presvedčte sa, že pri ohmickej záťaži sa nulová dióda neuplatní. 7. Pomocou simulačného programu PSpice odsimulujte a porovnajte priebehy jednofázového jednoimpulzového riadeného usmerňovača s R-L záťažou, bez a s nulovou diódou s reálnym zapojením. Pri simulácií postupujte podľa bodov 2 až 5.

5 Schéma zapojenia: GHI 380V 220V 50Hz T 220V 165V 110V 50V V V de A de A d u d + V d L R ND N R V R d i V - Osc i d + R ND i ND - Literatúra: Oetter, J.: Výkonová elektronika, Návody na cvičenia, Alfa, Košice, Dudrík, J.: Prednášky z Výkonovej elektroniky. Timko, J., Dudrík, J.: Elektrické pohony a výkonová elektronika, TU Košice, 1991.

6 JEDNOFÁZOVÝ JEDNOIMPULZOVÝ RIADENÝ USMERŇOVAČ S R-L ZÁŤAŽOU, BEZ A S NULOVOU DIÓDOU - SIMULÁCIA 1. Zistite priebehy u d,, i d a napätie na tyristore u vt pre R záťaž. Sledujte uvedené priebehy pri rôznych uhloch fázového riadenia α Nastavte uhol α 1 na hodnotu 45 a pridajte do záťaže malú indukčnosť (L = 50 mh ). Sledujte vplyv indukčnosti na priebehy daných veličín. Zvýšte hodnotu indukčnosti a sledujte zmeny. 3. Nastavte nasledujúce parametre: Us=50V, α 1 =45, R=27Ω, L=600mH. Zistite stredné hodnoty U d, I d, efektívne hodnoty U de, I de, a uhol vypnutia α 2. Porovnajte tieto výsledky s nameranými na reálnom usmerňovači. 4. Pridajte nulovú diódu do zapojenia. Sledujte priebehy získané simuláciou na usmerňovači a porovnajte s teoretickými. 5. Prejdite do oblasti prerušovaných prúdov nížením indukčnosti v záťaži a sledujte u d, i d. Porovnajte s teoretickými priebehmi. 6. Pridajte rozptylovú indukčnosť L σ =1mH do série s napájacím zdrojom. Sledujte komutáciu medzi tyristorom a nulovou diódou. Zistite veľkosť komutačného uhla. Obr. 1.Simulačná schéma

7 JEDNOFÁZOVÝ STRIEDAVÝ MENIČ NAPÄTIA Úlohy : 1. Zapojte striedavý menič podľa schémy. Uveďte menič do činnosti pri čisto ohmickej záťaži a osciloskopicky sledujte súčasne priebeh záťažného prúdu i z a napätie na záťaži u z. Preskúmajte tvary týchto veličín pri riadení meniča v plnom rozsahu 1 2. Potom nastavte uhol riadenia medzi 45 až 90 a pridávajte do obvodu záťaže čoraz väčšiu indukčnosť. Pozorujte aké zmeny nastanú v priebehu napätia u z a ako sa tvar priebehu prúdu i z čoraz viac odlišuje od priebehu napätia. Pre dva zvolené parametre 1, R, L, zmerajte U ze, I ze, 2 a zapíšte ich. 3. Pri dostatočne veľkej časovej konštante v záťaži presledujte tvary napätia a prúdu v záťaži pri zmenách uhla riadenia 1. Overte si, že je rozsah riadenia pri R-L záťaži meniča zdola obmedzený hodnotou. Pozorujte ako sa tvar prúdu pri zmenšovaní 1 až na hodnotu 1min stáva sínusovkou posunutou voči napätiu o uhol. Zmerajte osciloskopicky uhol 1min = a udajte číselnú hodnotu pomeru X L /R a časovú konštantu. 4. Preskúmajte napätie na tyristore u V pri ohmickej aj R-L záťaži a pri rôznych uhloch Pri ohmickej záťaži pre 1 =0 nastavte efektívnu hodnotu I ze0 = 1A. Súčasne zmerajte efektívnu hodnotu napätia U ze0. Potom pomocou osciloskopu nastavujte uhol riadenia 1 od 0 až do 180 skokovite po 18. Pri každom uhle riadenia zmerajte efektívnu hodnotu záťažného prúdu I ze1. 6. Vypočítajte veličinu a 2 = ( I ze1 /I ze0 ) 2 potrebnú pre zostrojenie riadiacej charakteristiky striedavého meniča napätia. Nameranú riadiacu charakteristiku (závislosť a 2 =f( 1 ) ) vyneste na milimetrový papier alebo iným spôsobom. 7. Do toho istého grafu nakreslite iným druhom čiary riadiacu charakteristiku získanú výpočtom zo vzťahu pre a 2 = f( 1 ) ktorý je uvedený v závere. 8. Pomocou simulačného programu PSpice odsimulujte a porovnajte priebehy jednofázového striedavého meniča s R-L záťažou s reálnym zapojením. Pri simulácií postupujte podľa bodov 1 až 4.

8 Schéma zapojenia: GHI 380V T 220V VT1 u z + A ze 220V 50Hz 165V 110V 55V VT2 V ze L R N R s Vzorce : 1. R U I ze0 ze0 i z + Osc, kde U ze0, I ze0 sú hodnoty pri 1 = 0 0 R tg 2. L. 1 min, L R I 3. Meraním sa parameter a určí následovne: a I ze 1 ze0, a 4. Výpočtom sa parameter a určí následovne: a sin I I ze 1 ze0 2 Literatúra: Oetter, J.: Výkonová elektronika, Návody na cvičenia, Alfa, Košice, Dudrík, J.: Prednášky z Výkonovej elektroniky. Timko, J., Dudrík, J.: Elektrické pohony a výkonová elektronika, TU Košice, 1991.

9 JEDNOSMERNÝ ZNIŽOVACÍ IMPULZOVÝ MENIČ Úloha : 1. Zapojte znižovací jednosmerný impulzový menič podľa schémy. 2. Na znižovacom impulzovom meniči s R záťažou osciloskopicky presledujte záťažné veličiny u Z a i Z a napätie na tranzistore u T. 3. Nastavte pomerný čas zapnutia - striedu z = 0,5. Do záťaže pridávajte postupne čoraz väčšiu induktívnu zložku a pozorujte ako sa časový priebeh prúdu stále viac odchyľuje od priebehu napätia. Sledujte prechod prúdu i Z do ONP. Zistite veľkosť ohmického odporu a indukčnosti v záťaži a vypočítajte časovú konštantu = L/R. Overte, že priebehy u T a u Z sa navzájom dopĺňajú ( zem osciloskopu na Osc.2 ). 4. Zistite ako sa v ONP mení zvlnenie prúdu záťaže v závislosti od: a) striedy z b) indukčnosti záťaže c) frekvencie 5. Zistite vplyv činiteľov podľa bodu 4. a, b, c na prechod prúdu z OPP do ONP a opačne. 6. Do obvodu záťaže zapojte zdroj U i ako zdroj protinapätia ( U i>0, t.j. v smere prúdu i Z ). O správnej polarite U i sa presvečte podľa voltmetra V i. Kotvu jednosmerného stroja JS pritom poháňajte pomocou indukčného motora AM. Veľkosť U i sa dá nastaviť pomocou budiaceho prúdu I b. Sledujte výstupný prúd i Z a napätie u Z v ONP a v OPP. Sledujte vplyv zmeny protinapätia U i na výstupný prúd i Z. 7. Pri konšt. striede z v rozsahu od 0 do 1 zmerajte pri zmene protinapätia Ui hodnoty prúdu i Z a napätia u Z a zapíšte ich do tabuľky. Z nameraných hodnôt zakreslite zaťažovaciu charakteristiku meniča. V zaťažovacej charakteristike zakreslite hranicu medzi OPP a ONP. Schéma : T u Z + Osc.2 A Z L U = GRI ND i ND - V Z R r ND r V r Z U i JS I b A b R b U b i T - Osc.1 i Z + AM Literatúra: Dudrík, J.: Prednášky z Výkonovej elektroniky. Timko, J., Dudrík, J.: Elektrické pohony a výkonová elektronika, TU Košice, 1991.