Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Laboratorium Energoelektroniki
PRZEKSZTAŁTNIK DC/DC
obniżający napięcie
Prowadzący:
dr inż. Stanisław Kalisiak
dr inż. Marcin Hołub
mgr inż. Michał Balcerak
mgr inż. Tomasz Jakubowski
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
1. Podstawy teoretyczne
Do kształtowania napięcia wyjściowego DC (o amplitudzie mniejszej lub równej wartości
napięcia wejściowego U
wej
) w ćwiczeniu wykorzystywany jest układ choppera. (Rysunek 1.1).
Rysunek 1.1 Schematyczna budowa układu choppera napięcia (układ obniżający napięcie)
Dla powyższego układu, jak zresztą wszystkich układów, w których dwa klucze pracują w
jednej gałęzi, stan, gdy przewodzą obydwa klucze K
1
i K
2
jest niedozwolony, gdyż
oznaczałby zwarcie baterii kondensatorów do -U
wej
i bardzo duży prąd zwarciowy płynący
przez obydwa klucze (najczęściej równoznaczny ze zniszczeniem kluczy
półprzewodnikowych). Dlatego sygnały sterujące kluczami muszą spełniać warunek:
2
1
K
K
U
U
=
.
Układ wykorzystywany w ćwiczeniu pracuje wyłącznie w I ćwiartce (jeden kierunek
przepływu prądu, jedna polaryzacja napięcia wyjściowego). Podstawowe stany pracy układu
prezentuje Rysunek 1.2
Rysunek 1.2 Podstawowe stany pracy w układzie choppera
Podstawowym założeniem związanym ze standardowymi układami przekształcania DC/
DC jest prostokątny przebieg napięcia wyjściowego za kluczami. Pożądany kształt napięcia
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
na wyjściu układu (na obciążeniu) można uzyskiwać wykorzystując różne formy modulacji
napięcia, najpopularniejszą metodą jest modulacja szerokością impulsu (PWM – Pulse Width
Modulation). Biorąc pod uwagę czysto rezystancyjny charakter obciążenia, i idealne źródło
napięcia oraz idealne klucze przebiegi w układzie prezentowałyby się następująco:
t
t
0
1
K
1
U , I
obc.
obc.
U
wej.
U /R
wej
.
0
Rysunek 1.3 Przebiegi prądu i napięcia dla obciążenia czysto rezystancyjnego
Dla przykładowego przebiegu prądu z Rysunku 1.3, biorąc pod uwagę wysoką
częstotliwość przełączeń klucza K
1
, średnia wartość napięcia wyniesie:
1
,
1
,
1
,
1
,
.
,
K
off
K
z
K
z
K
z
wej
obc
t
t
t
T
t
D
U
D
U
+
=
=
⋅
=
(Równanie 1)
Biorąc pod uwagę obciążenie o charakterze rezystancyjno – indukcyjnym przebiegi
prądu i napięcia w układzie będą jak na Rysunku 1.4.
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
t
t
t
0
1
K
1
t
Z
I
01
I
02
T
U , I
obc.
obc.
I
K1.
U
wej.
0
0
Rysunek 1.4 Przebiegi prądu i napięcia dla obciążenia rezystancyjno-indukcyjnego
Najczęściej, w celu ograniczenia tętnień napięcia wyjściowego w obwodzie
wyjściowym układu stosuje się baterię kondensatorów, których pojemność zależy od
znamionowego obciążenia przetwornicy oraz dopuszczalnych tętnień napięcia wyjściowego.
W przypadku obciążenia RLC (o napięciu na kondensatorze E
0
), w czasie, gdy klucz K
1
jest
załączony, prąd narasta według zależności
(
)
0
/
01
0
/
0
1
)
(
τ
τ
T
T
we
e
I
e
R
E
U
t
i
−
−
+
−
−
=
,
(Równanie 2)
gdzie I
01
- prąd w chwili t(0) (początkowy),
τ
0 – stała czasowa obciążenia L/R. Dla
czasu, gdzy nie przewodzi klucz K
1
i prąd płynie przez obciążenie i klucz K
2
spełni on
równanie:
0
02
0
0
1
)
(
τ
τ
Z
z
t
T
t
T
e
I
e
R
E
t
i
−
−
−
−
+
−
=
,
(Równanie 3)
gdzie I
0
- prąd w chwili t(0) (początkowy, po wyłączeniu K
1
), a więc
(
)
0
/
01
0
/
0
02
1
)
(
τ
τ
Z
Z
t
t
we
Z
e
I
e
R
E
U
t
t
i
I
−
−
+
−
−
=
=
=
(Równanie 4)
Pulsacją prądu nazywamy różnicę amplitudy w momencie załączenia klucza K
1
i jego
wyłączenia, korzystając z powyższych wzorów można napisać:
0
/
0
/
01
02
1
1
τ
τ
T
t
we
e
e
R
U
I
I
I
Z
−
−
−
−
⋅
=
−
=
∆
(Równanie 5)
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
Rysunek 1.8 Przebiegi prądu i napięcia dla układu z rysunku 1.2 w przypadku obciążenia
rezystancyjno-indukcyjnego
Gdy stosunek
5
.
0
<
T
t
Z
średnia wartość napięcia na wyjściu układu będzie ujemna.
Biorąc pod uwagę zarówno układ z rysunku 1.3 (z czterema elementami dwukierunkowymi)
możliwe jest uzyskanie obydwu kierunków przepływu prądu oraz obu polaryzacji napięcia
wyjściowego – układ może pracować we wszystkich 4 ćwiartkach .
Jeśli prąd odbiornika RL lub RLE jest prądem ciągłym jego wartość średnią oblicza się
za wzoru:
R
E
T
t
U
I
Z
wej
obc
0
.
−
⋅
=
(Równanie 6)
Prąd przetwornicy może jednak mieć również charakter impulsowy (Rysunek 1.5). Stan
taki ma na ogól miejsce przy bardzo niskich wartościach współczynnika wypełnienia PWM.
W stanach bezprądowych na obciążeniu występuje napięcie baterii kondensatorów
wyjściowych. Ten stan pracy jest na ogół niepożądany.
t
t
0
1
K
1
U , I
obc.
obc.
U
wej
E
0
0
Rysunek 1.5 Przebiegi prądu i napięcia dla dla obciążenia RLE w przypadku
przewodzenia impulsowego
W celu ograniczenia występowania prądu impulsowego należy prawodłowo dobrać
wartość indukcyjności włączonej w szereg z odbiornikiem. Gdy występuje impulsowy prąd
przewodzenia wartość średnia napięcia odbiornika jest większa niż obliczona na podstawie
Równania 1, tak więc nie jest spełnione również równanie 6. Wzrost wartości średniej
napięcia odbiornika wynika z występowania napięcia E
0
w przedziałach bezprądowych.
Rysunek 1.6 przedstawia charakterystykę obciażenia U
obc.
=f(I
obc.
).
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
U
wyj
t
Z
T
= 0.8
= 0.6
= 0.4
= 0.2
Obszar przewodzenia impulsowego
I
obc.
U
wej
R
U
wej
Rysunek 1.6 Charakterystyka obciążenia przekształtnika obniżającego napięcie
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
2. Przebieg ćwiczenia
2.1 Budowa stanowiska pomiarowego
Budowę modułu pomiarowego stanowiska przedstawia Rysunek 2.1.1.
Rysunek 2.1.1 Budowa modułu pomiarowego
Obszar zielony oznacza obwód elementów pasywnych (dławiki, kondensatory) oraz
moduł sterowania kluczem. Kolorem niebieskim zaznaczono klucz (tranzystor IGBT), kolor
czerwony wyznacza diodę. Dokonać połączenia układu zgodnie z następującym schematem
blokowym:
2.2 Przebieg ćwiczenia
2.2.1. Wstęp
Zapoznać się z instrukcją użytkowania generatora funkcyjnego serii AFG3000 firmy
Tektronix (Szybki start, dodatkowy dokument *.pdf) oraz instrukcją obsługi oscyloskopu
cyfrowego serii TPS2000 firmy Tektronix (*.pdf). Po połączeniu układu (laboratoryjne
przewody z końcówkami bananowymi) i sprawdzeniu połączeń przez prowadzącego
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
ćwiczenie uruchomić układ przy parametrach zadanych przez prowadzącego. Sprawdzić
działanie układu dla napięcia U
wej
wyznaczonego przez prowadzącego, różnych stosunków
T
t
Z
, różnych częstotliwości.
2.2.2. Wyznaczenie charakterystyki sterowania i sprawności układu
Zmierzyć charakterystykę sterowania
=
T
t
f
U
Z
obc.
(przynajmniej 8 punktów) dla 2
rodzajów obciążenia (RL oraz RLC). Równocześnie, korzystając z dołączonych voltomierzy i
amperomierzy obliczyć dla każdego punktu moc wejściową i wyjściową przekształtnika i
wynikającą z nich sprawność.
Obciążenie RL
U
wej
[V] I
wej
[A]
P
wej
[W]
t
Z
[ms]
T
[ms]
T
t
Z
U
obc.
[V]
I
obc
[A]
P
wyj
[W]
η
[%]
Obciążenie RLC
U
wej
[V] I
wej
[A]
P
wej
[W]
t
Z
[ms]
T
[ms]
T
t
Z
U
obc.
[V]
I
obc
[A]
P
wyj
[W]
η
[%]
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Instytut Elektrotechniki
Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych
3. Wymagania dotyczące sprawozdania
W sprawozdaniu umieścić należy:
1. Schemat stanowiska laboratoryjnego
2. Dane pomiarowe i obliczenia z punktu 2.2.2 dla obydwu rodzajów obciążenia jak również
wykresy pomierzonych zmiennych wraz z regresją.
3. Analiza wyników doświadczeń z punktu 2.2.2, w szczególności wpływu stosunku
T
t
Z
na
sprawność układu dla obydwu rodzajów obciążenia.