Ćwiczenie 5 (C41)

Politechnika dzka

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych 90-924 d, ul. Wlczaska 221/223, bud. B18

tel. 42 631 26 28 faks 42 636 03 27 e-mail [email protected] http://www.dmcs.p.lodz.pl

ELEKTRONICZNE UKADY STEROWANIA NASTAWNIKW

wiczenie 5 (C41)

Impulsowy falownik napicia

Filtracja w ukadach impulsowych

Ramowy plan pracy

15 30 45 1h 1h15 1h30 po zajciach

Opracowanie wiczenia i instrukcji: ukasz Starzak, Sebastian Simiski

Uzupenienie:

Bartosz Pkosawski

d 2012 wer. 1.1.2. 23.11.2012

201 ukasz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki dzkiej

Spis treci

B Wprowadzenie do wiczenia..............................................................................................................5

1. Cel i przebieg wiczenia....................................................................................................................5

2. Podstawy teoretyczne ........................................................................................................................7

2.1. Przeksztatnik DC-AC .............................................................................................................7 2.2. Podzia i zasada dziaania falownikw ....................................................................................7

2.2.a. Falowniki prdu......................................................................................................8 2.2.b. Falowniki napicia .................................................................................................8

2.3. Zastosowanie falownikw .....................................................................................................11 2.4. Tranzystor MOSFET jako klucz mocy ..................................................................................13 2.5. Falownik niezaleny o sterowaniu impulsowym...................................................................14

C Dowiadczenie...................................................................................................................................23

3. Pomiary............................................................................................................................................23

3.1. Ukad laboratoryjny ...............................................................................................................23 3.2. Przygotowanie ukadu............................................................................................................25 3.3. Wykonanie pomiarw............................................................................................................28

Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci...........................................................28 Charakterystyka sterowania ...........................................................................................28 Wpyw obcienia ..........................................................................................................29 Zakoczenie pomiarw ..................................................................................................29

D Wyniki ...............................................................................................................................................31

4. Opracowanie i analiza wynikw......................................................................................................31

4.1. Dane liczbowe........................................................................................................................31 Uruchomienie programu Scilab......................................................................................31 Wyznaczenie wartoci i widma napicia wyjciowego..................................................31 Parametry dla zmiennego wspczynnika modulacji amplitudy i obcienia ................32

4.2. Analiza wynikw ...................................................................................................................34 Dziaanie ukadu.............................................................................................................34 Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci na znieksztacenia napicia...............34 Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci na napicie skuteczne .......................35 Charakterystyki falownika .............................................................................................35 Wpyw pozostaych parametrw pracy na znieksztacenia harmoniczne.......................35

E Informacje.........................................................................................................................................37

5. Literatura .........................................................................................................................................37


B

Wprowadzenie do wiczenia

1. Cel i przebieg wiczenia

Celem wiczenia jest poznanie zasady dziaania niezalenego falownika impulsowego (tj. pracujcego na zasadzie modulacji wspczynnika wypenienia PWM). Podstawowe wiadomoci o ukadzie podano w literaturze [1]. Szczegy dziaania obwodu sterowania nie zawieraj si w programie przedmiotu. wiczenie jest rwnie okazj do zbadania pracy typowego filtru wyjciowego.

6 B 1 wiczenie 5 (C41. Impulsowy falownik napicia (1.1.)


Podstawy teoretyczne B 2 7


2. Podstawy teoretyczne

2.1. Przeksztatnik DC-AC

Przeksztatnik DC-AC (falownik) jest to urzdzenie elektryczne zamieniajce prd lub napicie stae, ktre jest doprowadzone na wejcie, na prd lub napicie przemienne o okrelonej lub regulowanej czstotliwoci wyjciowej. Jeli w falowniku zastosuje si modulator PWM, to rwnoczenie ze zmian czstotliwoci mona regulowa warto amplitudy napicia wyjciowego i wspczynnik mocy.

Rys. 1 Schemat ideowy falownika

W przypadkach, kiedy wyjcie falownika jest poczone z sieci to mwimy, e mamy do czynienia z falownikiem sieciowzbudnym, w innym razie mwimy, e jest niezaleny.

2.2. Podzia i zasada dziaania falownikw

Falownik mona oglnie zdefiniowa jako zesp elementw, ktry przy odpowiedniej konfiguracji jest w stanie wytworzy zmienny przebieg elektryczny.

Przebieg wejciowy falownika pochodzi ze rda takiego jak:

akumulator,

zasilacz prdu staego,

prostownik (zasilanie pochodzi z sieci AC i jest prostowane przez urzdzenie zwane prostownikiem),

prdnice prdu staego,

ogniwa paliwowe,

ogniwo fotoelektryczne,

generatory hydrodynamiczne MHD.



W przypadku rda w postaci prostownika (najczciej prostownik warystorowy lub tyrystorowy) moemy mwi, e mamy do czynienia z przemiennikiem czstotliwoci. Oczywicie musi temu towarzyszy jeszcze poredniczcy obwd z kondensatorem lub transformatorem, odpowiednio dla falownika napicia i prdu.

Podstawowym rozrnialnym podziaem falownikw jest ich rozrnienie na:

falowniki prdu,

falowniki napicia.

2.2.a. Falowniki prdu

W falownikach prdu, najprociej rzecz ujmujc, zaley nam na otrzymaniu na wyjciu prdu o charakterystyce przemiennej.

Na wejciu falownikw prdu znajduje si rdo prdowe, zwykle realizowane w ten sposb, e szeregowo ze rdem napicia wczany jest dawik o duej indukcyjnoci. Istotnym elementem falownikw prdowych s pojemnoci przyczone na wyjciu rwnolegle do obwodu obcienia.

Falowniki prdu s przeksztatnikami, w ktrych na wejcie podawany jest prd stay, na wyjciu z kolei otrzymujemy prd przemienny o ksztacie sinusoidalnym. Jednak wspczesne falowniki najczciej generuj prd o charakterystyce prostoktnej lub te impulsw prostoktnych o zmiennej szerokoci. W takim przypadku do uzyskania przebiegu sinusoidalnego naley zastosowa specjalny filtr.

rdem napicia z kolei jest najczciej prostownik o sterowaniu fazowym, zasilany z sieci prdu przemiennego lub inne rda przedstawione we fragmentach rozdziau 2.3.

Rys. 2 Uproszczony schemat falownika prdu (ukad mocy) [4]

Na rysunku 2 przedstawiony zosta najprostszy schemat jednofazowego falownika prdu (ukad mostkowy), w ktrym rol cznikw peni tyrystory T1, T2, T3 i T4. Wyjciowy prd tego falownika zbliony jest swym ksztatem do fali prostoktnej, z kolei napicie wyjciowe do przebiegu sinusoidalnego.

2.2.b. Falowniki napicia

Falowniki napicia, w jzyku angielskim nazywane Voltage Source Inverters, w skrcie VSI, s urzdzeniami posiadajcymi zdolno przeksztacania staego napicia wejciowego na napicie przemienne. Gwnymi elementami odpowiedzialnymi za prawidowe dziaanie urzdzenia s odpowiednio przeczajce si klucze, ktrych rol mog peni tyrystory o sterowanym wczaniu oraz w peni sterowalne przyrzdy pprzewodnikowe z reguy tyrystory GTO oraz tranzystory mocy, np. MOSFET mocy i IGBT.



Przy rozwaaniu zagadnie zwizanych z falownikami naley dokona jeszcze jednego podziau, a mianowicie na falowniki jedno- i trjfazowe. Schemat i przebiegi w falowniku 3fazowym przedstawia rys. 3.

Rys. 3 Tranzystorowy trjfazowy falownik napicia [5]

a) uproszczony schemat, b) przebiegi napi



Uproszczony schemat impulsowego falownika jednofazowego przedstawiony jest na rys. 4. Rol kluczy odgrywaj w nim tranzystory, a odbiornik ma charakter indukcyjny.

Rys. 4 Schemat tranzystorowego falownika jednofazowego [4]

Falowniki napicia zasila si z obwodu poredniczcego, waciwoci ktrego jest maa impedancja. Do takiego obwodu zasilania najczciej doczone s kondensatory o do duej pojemnoci.

Podstawow trudnoci, z jak musi zmierzy si projektant takiego urzdzenia jest zaprojektowanie konfiguracji elementw sterujcych bramkami tranzystorw, aby te w odpowiednich momentach zaczay i wyczay klucze.

W typowych ukadach falownikw napicia, energia czynna przepywa do obcienia z obwodu poredniczcego przez falownik, z kolei bierna energia obwodu obcienia oddawana jest poprzez falownik do ukadu poredniczcego.

Mona spotka si z przypadkiem, kiedy przykadowo mamy do czynienia ze zjawiskiem hamowania silnika (w napdach prdu zmiennego), wtedy to energia czynna przepywa przez falownik do obwodu poredniczcego. W takim ukadzie mona zauway, e nasz falownik zachowuje si jak prostownik.

Oprcz tego, e falowniki podzielone s na falowniki napicia i prdu, te pierwsze dziel si jeszcze na dwie klasy:

Falowniki z modulacj szerokoci impulsw (PWM Pulse Width Modulation),

Falowniki o prostoktnej fali wyjciowego napicia.

W falownikach napicia o prostoktnej fali napicia wyjciowego, napicie wyjciowe reguluje si najczciej napiciem wejciowym. W ukadach tej klasy zwykle czstotliwo przeczania kluczy jest rwna czstotliwoci napicia wyjciowego.

Z kolei przy falownikach PWM wyjciowym napiciem jest cig prostoktnych impulsw bipolarnych lub unipolarnych, ktre maj sta amplitud, a mamy moliwo regulacji czasu ich trwania. Tego typu urzdzenia posiadaj moliwo regulacji napicia oraz czstotliwoci napicia wyjciowego (szerzej w rozdziale 2.5).

Jeli ju wiemy, e na wyjciu falownika otrzymamy przebieg zmienny to na pewno interesuje nas midzy innymi jego czstotliwo. Czstotliwo ta zaley midzy innymi od czstotliwoci przeczania wczeniej wspomnianych kluczy. Klucze te przeczaj si w charakterystyczny sposb, a mianowicie parami T1 i T3 lub T2 i T4 (rys. 4). Przeczanie tych tranzystorw powoduje wytworzenia prostoktnej fali napicia (rys. 5).



Rys. 5 Przebiegi napi i prdw w falowniku napicia przy obcieniu rezystancyjnym [4]

2.3. Zastosowanie falownikw

W elektronice uytkowej najczciej spotykane s falowniki napicia zasilane napiciowo urzdzenia elektroniczne, dziki ktrym z napicia staego mona uzyska przemienne napicie maj szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach ycia, w rodowiskach przemysowych, jak i w domowym uytku.

Gwnymi zastosowaniami falownikw napicia zasilanych napiciowo s:

a) Urzdzenia zamieniajce napicie stae 12 V na przemienne 230 V

Urzdzenie to moe by wykorzystywane np. w samochodach jako rdo energii elektrycznej umoliwiajce zasilenie przedmiotw codziennego uytku, zasilanych napiciem sieciowym (przemiennym).

b) Awaryjne rda zasilania UPS (Uninterruptible Power Supplies)

Awaryjne rda zasilania magazynuj energi w akumulatorach adowanych ze sprawnej sieci elektrycznej (poprzez wyspecjalizowane ukady adujce), a w chwili krytycznej (braku zasilania) natychmiast nastpuje wczenie si falownika zasilanego akumulatorami, nie powodujc przy tym niekontrolowanego wyczenia urzdze do niego podczonych. Czas ich pracy jest uzaleniony, przede wszystkim, od sprawnoci i pojemnoci akumulatorw, ale rwnie od innych parametrw urzdzenia.

Rys. 6 Schemat blokowy awaryjnego rda zasilania



Najczciej spotykanym UPS-em jest urzdzenie niewielkich rozmiarw stosowane w biurach, bankach, innych instytucjach oraz domach, ktre ma za zadanie chroni nas przed utrat wanych danych, ktrych nie zdylimy zapisa na dysku oraz zapewniajce cigo pracy przy chwilowych zanikach napicia w sieci.

Przyrzdy tego rodzaju s stosowane z reguy do zasilania komputerw, a gwnie serwerw. Dziki zastosowaniu UPS-w, gdy nastpi awaria w zasilaniu podstawowym ryzyko utraty wanych danych, ktre znajduj si wanie w pamici komputera, jest duo mniejsze. Czsto rwnie, w sytuacjach awaryjnych mog nastpi uszkodzenia urzdze pamici masowej. Podczas normalnej pracy UPS-y zapewniaj rwnie kondycjonowanie napicia sieciowego, dziki zastosowanym wewntrznym filtrom i stabilizatorom.

Takiego typu urzdzenia peni szczeglnie wan rol w przypadku koniecznoci bezpiecznej, bezawaryjnej pracy urzdze wanych pod wzgldem strategicznym. Chodzi tu szczeglnie o takie urzdzenia jak: sprzt medyczny, centrale telefoniczne, owietlenie drg ewakuacyjnych w instytucjach, w fabrykach i inne.

Kiedy mwimy o wsppracy urzdze UPS z serwerami, komputerami, lub te caymi sieciami komputerowymi, UPS ma moliwo zasygnalizowania o wystpujcych problemach zwizanych z zasilaniem. Serwery jak i inne urzdzenia maj zdolno reagowania na tego rodzaju sygnay automatycznym, bezpiecznym zamykaniem systemu operacyjnego. Urzdzenia tego typu daj rwnie moliwo staej kontroli parametrw zasilania. S rne sposoby komunikacji z innymi urzdzeniami. W starszych rozwizaniach moe si ona odbywa poprzez interfejs szeregowy RS-232, nowsze urzdzenia wykorzystuj w celu komunikacji sie komputerow lub te nowsze wersje interfejsu szeregowego USB.

Zasilacze bezprzerwowe (takiej nazwy przyjmuje si uywa mwic o systemach zasilajcych wane urzdzenia strategiczne) zwykle dostarczaj jednofazowe napicie 230 V, ale mona spotka rwnie trjfazowe zasilacze 380 V.

W przypadku urzdze duych mocy oraz kiedy wymagane jest dusze dziaanie, akumulatory wspomagane s poprzez prdotwrcze agregaty spalinowe. W momencie awarii zasilania podstawowego przyczane s zasilacze bezprzerwowe, ktre oprcz wytwarzania zasilania awaryjnego zaczaj agregaty spalinowe. Tego typu zasilacze stosowane s midzy innymi do zasilania caych budynkw lub te kondygnacji.

Niejednokrotnie stosuje si separacj galwaniczn. Taki przypadek wystpuje midzy innymi wtedy, gdy zasilanie wszystkich urzdze objtych zabezpieczeniem pobierane jest z wydzielonego zasilania, ktre nie moe by wraliwe na zewntrzne warunki, w tym wyadowania atmosferyczne, a take zaniki napicia. Najczciej tego typu zasilaniem objte s jednostki rzdowe, serwerownie, pomieszczenia intensywnej opieki medycznej oraz sale operacyjne.

Moc bezprzerwowego zasilacza zwykle podaje si jako moc pozorn, mierzon w VA. Przy zabezpieczeniu stacji roboczych mog wystarczy zasilacze o mocach 200400 VA, serwery z kolei wymagaj znacznie wikszych mocy od 400 VA do dziesitkw tysicy VA.

Wczeniej, przed pojawieniem si tranzystorowych przetwornic mocy, do podobn rol penia przetwornica wirowa z koem zamachowym. Jego zasada dziaania polegaa na tym, e silnik by zasilany z sieci energetycznej i on napdza prdnic zasilajc, ktra zasilaa orodek obliczeniowy. W przypadku kiedy nastpi zanik napicia, prdnica napdzana bya energi zgromadzon w kole zamachowym. Dodatkowym zabezpieczeniem i waciwoci byo to, e przetwornica miaa zdolno stabilizowania napicia.

c) Zasilanie piecw indukcyjnych

Falownik jest wykorzystywany do zamiany niskiej czstotliwoci sieci AC na wysz czstotliwo. W pierwszej kolejnoci napicie jest prostowane przez prostownik, a dopiero falownik zamienia stae napicie na zmienne o odpowiednio wysokiej czstotliwoci.



d) Transmisja prdu staego o duej wartoci

W jednej stacji napicie przemienne zamieniane jest na stae o duej wartoci z kolei w stacji odbiorczej z powrotem przy pomocy falownika zamieniane jest na przemienne.

e) Przemienniki czstotliwoci

Wykorzystywane najczciej do sterowania prdkoci obrotow silnikw elektrycznych prdu przemiennego.

2.4. Tranzystor MOSFET jako klucz mocy

Najczciej falowniki wykorzystywane s do zasilania urzdze o do duej mocy, a do tego celu najlepiej jest stosowa jako klucze tranzystory IGBT.

Jednake w urzdzeniach pracujcych przy maych napiciach i prdach rzdu kilku amperw. zastosowanie tranzystorw IGBT, po pierwsze niepotrzebnie zwikszyoby koszty, a po drugie nie byoby optymalne w zwizku ze zbyt maymi wartociami prdw przepywajcych przez tranzystory IGBT. IGBT posiadaj bowiem waciwoci korzystne przy wikszych wartociach prdw i napi.

Tranzystory MOSFET maj zasad sterowania podobn do tranzystorw IGBT, ale dostpne s ich modele przeznaczone do pracy przy znacznie mniejszych wartociach prdw i napi.

Tranzystory polowe (unipolarne) mocy MOSFET typu VDMOS, ktrych mona uy jako kluczy mocy, cechuj si duym napiciem dziki konstrukcji pionowej. S to przyrzdy z nonikami wikszociowymi (elektronami), a sterowane s napiciem doprowadzonym do elektrody sterujcej (bramki), izolowanej od gwnej struktury przyrzdu (rys. 10). Pole elektryczne wytworzone przez dodatnie napicie bramki (G) pobudza przepyw elektronw midzy warstw n+ rda (S), a warstw n

- drenu (D).

Rys. 7 Budowa struktury komrki tranzystora MOSFET mocy typu VDMOS i jego symbol



2.5. Falownik niezaleny o sterowaniu impulsowym

W wikszoci niezalenych falownikw napicia lub prdu o sterowaniu impulsowym, przebiegi s ksztatowane przy pomocy techniki modulacji szerokoci impulsw PWM (Pulse Width Modulation). W kadym pokresie podstawowej harmonicznej napicia wyjciowego pojawia si cig unipolarnych lub bipolarnych impulsw, ktrych szeroko jest modulowana w czasie, a warto szczytowa jest cile okrelona (staa).

Technika PWM umoliwia ksztatowanie przebiegw czasowych napi i prdw odbiornika, jak i regulacj wartoci i czstotliwoci podstawowej harmonicznej.

W przypadku falownikw napicia PWM napicie wejciowe ma warto sta.

Jedn z metod modulacji szerokoci impulsw jest metoda modulacji wedug zadanej funkcji modulujcej.

Na rysunkach 8 i 9 widoczne s podstawowe struktury falownikw napicia jednofazowych sterowanych przy zastosowaniu metod modulacji szerokoci impulsw.

Rys. 8 Ukad pmostkowy [1]

Rys. 9 Ukad mostkowy [1]

Na rysunkach 8 i 9 poprzez Z oznaczony jest odbiornik falownika, u0 to napicie na odbiorniku, Ud z kolei to napicie wejciowe (stae), ktre zostaje zamienione na zmienne.



W ukadzie zauway mona rwnie czniki T1,T2, T3 oraz T4, ktrych sposb sterowania stanowi kluczowy element poprawnej pracy ukadu. Naley otrzyma taki sygna, ktry bdzie w stanie odpowiednio skonfigurowa prac cznikw kluczy. Do tego celu zaprojektowaem schemat blokowy ukadu (rys. 2.13), ktry zgodnie z metod PWM bdzie wytwarza odpowiednie sygnay sterujce kluczami, i ktre bdzie mona w prosty sposb zmienia.

Rysunek 10 przedstawia w najprostszy sposb dziaanie ukadu.

Rys. 10 Schemat blokowy dziaania ukadu PWM

Oglnie rzecz ujmujc mona powiedzie, e sterujcy sygna pochodzcy z wyjcia komparatora bdzie zaleny od dwch innych sygnaw pochodzcych z niezalenych generatorw.

Jednym z tych generatorw bdzie ukad wytwarzajcy napicie o charakterystyce przemiennej, o ksztacie trjkta, ktry nazywa bd sygnaem modulowanym i oznacz go ST. Taki trjktny sygna o wartoci zmieniajcej si periodycznie liniowo w czasie nazywa si rwnie sygnaem nonym. Dla dalszych rozwaa jego warto szczytow bdzie oznaczona liter UTm, a czstotliwo fT.

Drugi generator bdzie wytwarza sygna modulujcy S1 o ksztacie sinusoidy o czstotliwoci f1, a jego warto szczytow oznacz liter U1m. Ja wykorzystam sygna o ksztacie sinusoidalnym, ale mona rwnie zastosowa inne ksztaty sygnau modulujcego, takie jak trapezowe i inne sygnay odksztacone.

Te dwa sygnay bd podawane na wejcie bloku, ktre mona nazwa komparatorem, a zadaniem ktrego bdzie generowanie odpowiedniego sygnau na wyjciu sygnau prostoktnego o zboczach w momentach przecicia si przebiegw sygnaw wejciowych ST i S1 (bd miay w tej samej chwili tak sam warto).

W falownikach wykorzystujcych metod PWM stosowane s dwie metody modulacji:

jednobiegunowa (unipolarna)

dwubiegunowa (bipolarna)

Z metod modulacji jednobiegunowej mamy do czynienia, kiedy przebieg czasowy napicia wyjciowego jednofazowego falownika mostkowego zmienia si na przemian midzy +Ud i 0 dla dodatniej pfali podstawowej harmonicznej oraz pomidzy 0 i Ud dla ujemnej pfali (rys. 13). Naley jednak pamita, e moliwe jest jej stosowanie jedynie w ukadach mostkowych. Ograniczenia tego nie ma w stosowaniu metody modulacji dwubiegunowej, gdzie przebieg napicia wyjciowego zmienia si na przemian midzy wartociami +Ud i Ud (rys. 14).

Metod bipolarnej metody modulacji przedstawia rys. 11.



Rys. 11 Schemat blokowy ukadu z modulacj bipolarn

Wyjaniajc powyszy schemat blokowy mona powiedzie, e na wejcie komparatora podawane s dwa sygnay ST (sygna modulowany trjktny) i S1 (sygna modulujcy sinusoida). Komparator porwnuje te sygnay i na ich podstawie generuje sygna prostoktny PWM o zmiennej szerokoci impulsw, ktry to z kolei doczony jest do wej sterownikw tranzystorw. Na sterownik Ster. 2 musi by podany sygna przeciwny wzgldem sygnau podawanego na sterownik Ster. 1. Sterowniki Ster. 1 i Ster. 2 s elementami specjalnie wyprodukowanymi z myl o tym, by byy w stanie odpowiednio generowa impulsy, podawane na bramki dwch tranzystorw z pary dolny - grny.

Metod modulacji unipolarnej przedstawia rys. 12.

Rys. 12 Schemat blokowy ukadu z modulacj unipolarn

W tym przypadku wykorzystuje si 2 komparatory, na wejcie ktrych podawane s te same sygnay trjktne, ale odwrcone w fazie wzgldem siebie sygnay sinusoidalne. Nastpnie komparatory generuj impulsy sygnau PWM, odpowiednio podawane na wejcia waciwych sterownikw.



Rys. 13 Modulacja jednobiegunowa dwugaziowa [1]

Rys. 14 Modulacja dwubiegunowa [1]

Rysunki 13 i 14 przedstawiaj teoretyczny proces powstawania napicia na odbiorniku w ukadzie mostkowym, jak na rys. 9. Przebiegi u10 i u20 przedstawiaj zmian potencjau na odbiorniku z jego jednej i drugiej strony, a warto rzeczywist napicia na odbiorniku otrzymamy odejmujc od siebie te dwa przebiegi.

W ukadach tego typu na wyjciu komparatora otrzymywany jest sygna prostoktny o zmiennym w czasie wspczynniku wypenienia.

Warto jest zauway, e czstotliwo fT sygnau modulowanego ST jest kilkukrotnie wiksza od czstotliwoci f1 sygnau modulujcego S1. Stosunek fT/f1 przyjo oznacza si przez mf, jest zwykle kilkukrotnie wikszy od jednoci. Kiedy jest on liczb cakowit, mwimy o modulacji



synchronicznej, z kolei kiedy ten warunek nie jest speniony, mwimy o modulacji asynchronicznej. Asymetria przebiegw napicia w kolejnych pokresach jest pomijalnie maa w przypadkach duej rnicy czstotliwoci, gdy mf 21.

Innym parametrem jest wspczynnik gbokoci modulacji amplitudy ma, ktry definiuje si jako stosunek wartoci szczytowej U1m sygnau modulujcego S1 do wartoci szczytowej UTm sygnau modulowanego ST (ma= U1m/UTm). Te dwa wspczynniki i ksztaty przebiegw sygnau ST

oraz sygnau S1 decyduj o zawartoci harmonicznych w napiciu wyjciowym.

Opisujc zasad ksztatowania napicia wyjciowego falownika PWM chciabym zwrci uwag na przebiegi przedstawione na rysunku 15 (na rysunku UTm oznaczone przez A, a U1m oznaczone przez B).



Rys. 15 Sygnay sterujce i napicie wyjciowe falownika jednofazowego [1]

a) dla ma 1 przy mf = 9 b) dla ma > 1 przy mf = 9

c) dla ma >> 1 przy mf = 9 (praca bez modulacji)

a)

b)

c)



Rysunki powyszych przebiegw wyranie obrazuj, jak zaley ksztat napicia wyjciowego (odbiornika) od wspczynnika modulacji amplitudy ma przy staej wartoci wspczynnika czstotliwoci mf.

W przypadku, kiedy sygnay maj w przyblieniu te same amplitudy (rys. 15a) wystpuje wiele miejsc ich przecicia, a co za tym idzie wystpuj czste zmiany sygnau prostoktnego PWM. Kiedy zaczniemy zwiksza amplitud sygnau modulujcego, zmniejsza si czsto zrwnania wartoci chwilowych obydwu przebiegw, a to powoduje znaczn zmian wygldu przebiegu sygnau wyjciowego.

Warto jest rwnie zauway, e rysunki 15 s przebiegami wykonanymi dla cakowitej wartoci mf, dziki czemu przebiegi startujce w tej samej chwili czasowej przecinaj si okresowo w punkcie zerowym. Przy projektowaniu ukadu, aby mona byo zapanowa nad dziaaniem ukadu dobrze jest tak dobra konfiguracj ukadu, aby zachowa sta warto parametru mf. Jak ju wczeniej zostao wspomniane, warunek ten przestaje by potrzebny przy wikszej rnicy wartoci czstotliwoci sygnaw modulowanych i modulujcych (przy mf > 21).

W praktyce, szczeglnie dla maych wartoci mf, wanym jest jeszcze tak dobra parametry, by sygnay ST i S1 osigay periodycznie w tej samej chwili t te same wartoci amplitudy rwne 0. Dziki takiemu dopasowaniu mamy do czynienia z synchronizacj przebiegw ST i S1, co daje nam pewno prawidowego dziaania ukadu oraz w zwizku z zastosowaniem urzdzenia do celw dydaktycznych, umoliwia to zademonstrowanie PWM (obserwacj ustalonego obrazu na oscyloskopie). Brak synchronizacji moe spowodowa znieksztacenia sygnaw wyjciowych ukadu co w praktyce uniemoliwi utrzymanie staych parametrw napi i prdw wyjciowych.

Jak ju wczeniej zostao wspomniane, szerokoci impulsw rni si w zalenoci od wartoci wspczynnika gbokoci modulacji amplitudy. Przy wartoci ma zblionej do jednoci oraz przy tak zwanej nadmodulacji (ma wikszym ni jeden) wystpuj impulsy o zbyt krtkim czasie trwania, co powoduje brak zaczania si niektrych elementw. W celu zapewnienia prawidowego przebiegu procesw czeniowych, ukad sterowania nie moe dopuci do pojawienia si impulsw sterujcych o czasie trwania krtszym ni pewne okrelone tmin. Standaryzacja czasw trwania impulsw krtkich do wartoci tmin oraz eliminacja tych impulsw prowadzi do odksztace charakterystyki sterowania falownika, przedstawiajcej zaleno amplitudy pierwszej harmonicznej napicia wyjciowego od wartoci wspczynnika gbokoci modulacji ma.

Rys. 16 Wzgldna warto amplitudy napicia wyjciowego falownika U01m/Ud jako funkcja wspczynnika

gbokoci modulacji amplitudy ma [1]

(1 odksztacenie charakterystyki wynikajce ze standaryzacji i eliminacji impulsw krtszych ni tmin)



Na rysunku 16 moemy zauway, e dla mf > 9 charakterystyka sterowania dla ma 1 jest liniowa. Oznacza to, e podstawowa harmoniczna napicia wyjciowego falownika o amplitudzie Uo1m moe by opisana zalenoci :

uo1 = maUd sin 1t przy czym 1 = 2f1 (1)


C

Dowiadczenie

3. Pomiary

3.1. Ukad laboratoryjny

W wiczeniu badany jest ukad jednofazowego impulsowego falownika napicia o budowie mostkowej z 4 tranzystorami MOSFET, przedstawiony na rys. Bd! ?ie mona odnale rda odwoania.7. Przebieg wyjciowy jest w nim uzyskiwany na podstawie zadanej funkcji modulujcej, na zasadzie modulacji jedno- lub dwubiegunowej (uni- lub bipolarnej); w wiczeniu wykorzystana zostanie wycznie modulacja dwubiegunowa. Ukad przeznaczony jest do pracy ze sta czstotliwoci wyjciow 50 Hz; nominalne napicie wyjciowe (skuteczne) wynosi 24 V, moc czynna znamionowa 25 W.

Rozmieszczenie przecznikw, potencjometrw oraz gniazd wejciowych, wyjciowych i pomiarowych na grnej pycie ukadu laboratoryjnego przedstawia rys. 18.

Ukad laboratoryjny umoliwia zmian, w szerokim zakresie, dwch podstawowych parametrw, za porednictwem ktrych moliwe jest sterowanie prac falownika:

pokrtami Regulacja czstotliwoci, Zgrubna i Dokadna (za pomoc rubokrta) wspczynnika modulacji czstotliwoci mf

mod

tri

f

fm f = (1)

poprzez zmian czstotliwoci sygnau nonego ftri;

pokrtem Amplituda (w dolnej czci panelu) wspczynnika modulacji amplitudy ma

tri

mod

A

Ama = (2)

poprzez zmian amplitudy sygnau modulujcego Amod;

24 C 3 wiczenie 5 (C41. Impulsowy falownik napicia (1.1.)


oprcz tego przecznikiem Amplituda (w grnej czci panelu) moliwy jest wybr amplitudy sygnau nonego Atri: 2 V lub 3 V (wartoci przyblione).

Ukad zawiera 3 moduy: obwd sterowania, obwd mocy oraz osobny obwd dolnoprzepustowego filtru wyjciowego typu LC o najprostszej topologii . Wartoci elementw filtru to Ls = 15,9 mH (dawik mocy na rdzeniu ferrytowym), Cp = 19,4 F (szeregowe poczenie bipolarnych kondensatorw elektrolitycznych o wartociach 33 F i 47 F). Odbiornik moe by wczony bezporednio na wyjcie mostka (praca bez filtracji) lub te na wyjcie filtru po uprzednim poczeniu jego wejcia z wyjciem mostka.

W wiczeniu napicie wyjciowe na wyjciu mostka (tj. na jego przektnej) bdziemy oznacza uoi, natomiast napicie wyjciowe na wyjciu filtru bdziemy oznacza uo. Nie bdziemy uywa pojcia napicie wyjciowe falownika, gdy w badanym ukadzie okrelenie to nie jest jednoznaczne.

dwubiegunowa (bipolarna)

VSR

3V

Obwd sterowania

Amplituda

Amplituda

LOR

+

HOL

dok adna

uoi

LOL

Regulacja czstot liwoci

VSL

Mostek

Ls

Filt r wyjciowy

Generator przebiegu t rjktnego

umod'

ut ri

(TRI)

Modulator wsp czynnika wype nienia

uoi

LOR

HOR umod

(MOD)

LOL

Ud umod

zgrubna

jednobiegunowa (unipolarna)

HOL

Cp uo

Modulacja

HOR

2V

Rys. 17 Schemat badanego ukadu falownika (budow obwodu sterowania uproszczono)

Rys. 18 Rozmieszczenie elementw na grnej pycie badanego ukadu

Pomiary C 3 25


3.2. Przygotowanie ukadu

Aby nie traci czasu, rwnolegle z pkt. 1 naley wykonywa kolejne punkty.

1. Wczy komputer. Po zakoczeniu logowania, wczy oscyloskop i skonfigurowa poczenie z komputerem postpujc cile wedug instrukcji dostpnej na stanowisku.

2. Do zasilenia obwodu sterowania (gniazda Zasilanie 3/0/+3 V) wykorzysta jeden zasilacz o dwch sekcjach regulowanych ustawiony w tryb szeregowej pracy sekcji (Series dwa przyciski porodku panelu czoowego). Wszystkie pokrta skrci do zera (skrajne pooenie przeciwne do ruchu wskazwek zegara). Mas, tj. zacisk sekcji Master, uziemi przez poczenie z ssiednim zaciskiem GND.

3. Do zasilenia obwodu mocy (gniazda Zasilanie Ud +/) wykorzysta drugi zasilacz. Jeeli jest to zasilacz o dwch sekcjach regulowanych, ustawi tryb niezalenej pracy sekcji (Independent). Pokrto regulacji napicia skrci do zera, pokrto ograniczenia prdowego do maksimum (zgodnie z kierunkiem wskazwek zegara). Mas, tj. zacisk , uziemi przez poczenie z uziemionym ju zaciskiem zasilacza obwodu sterowania.

4. Do wyjcia mostka, tj. w jego przektn gniazda VSL i VSR (uoi na Rys. 17), doczy wejcie filtru LC (lewa para gniazd) w taki sposb, aby zwroty napi byy zgodne wedug Rys. 17. Do wyjcia filtru (prawa para gniazd, uo na Rys. 17) przyczy odbiornik arwk o parametrach znamionowych 24 V, 21 W. Rwnolegle do arwki wczy multimetr ustawiony w tryb pomiaru wartoci skutecznej skadowej przemiennej napicia, na zakresie dostosowanym do napicia znamionowego odbiornika.

5. Ustawi parametry sygnau modulujcego:

a) wyjcie generatora funkcyjnego (Func Out) przyczy kablem BNC bezporednio do wejcia kanau 1 oscyloskopu;

b) wyczy na tym kanale uwzgldnianie sondy napiciowej (CH1 Menu, ustawi Probe: 1X);

c) ustawi synchronizacj (Trigger Menu) zboczem (Edge) narastajcym (Slope: Rising), sygnaem z kanau 1 (Source: CH1), w trybie automatycznym (Mode: Auto), ze sprzeniem niskiej czstotliwoci (Coupling: HF Reject); poziom wyzwalania (Level) ustawi na ok. 0 V;

d) wczy generator;

e) na generatorze wcisn przycisk Range/Attn i przyciskami strzaek wybra zakres zawierajcy czstotliwo 50 Hz; nastpnie ustawi t czstotliwo pokrtem Frequency;

f) dostosowa nastawy oscyloskopu (podstaw czasu Sec/Div, wzmocnienie Volts/Div, pooenie poziomu zera Vertical Position) do obserwowanego przebiegu;

g) obserwujc przebieg na oscyloskopie, pokrtem Amplitude ustawi amplitud 2 V (tj. midzyszczytow 4 V);

h) kabel BNC z wyjcia generatora funkcyjnego przeczy na wejcie MOD na panelu ukadu falownika.

6. Na panelu ukadu falownika ustawi:

przecznik Synchronizacja w pozycj Wy,

przecznik Amplituda (na grze panelu) w pozycj 3V w wyniku tego Atri 3 V,

przecznik Modulacja w pozycj Bipolarna.

7. Skonfigurowa oscyloskop:

a) na kanaach 1 i 2 ustawi:

sprzenie ze skadow sta Coupling: DC,

brak sondy tumicej Probe: 1X,

odwracanie przebiegu wyczone Invert: Off,

wzmocnienie 1 V/div,



pooenie poziomu zera (wskazywane przez strzak na lewo od podziaki) na rodku ekranu;

b) na kanaach 3 i 4 ustawi:

sprzenie ze skadow sta Coupling: DC,

tumienie sondy 10:1 Probe: 10X,

odwracanie przebiegu wyczone Invert: Off,

wzmocnienie 20 V/div,

pooenie poziomu zera na rodku ekranu;

c) wywietli przebiegi z kanaw 1 i 2, ukry z kanaw 3 i 4 (przyciski CHx MENU).

Powyszych ustawie nie naley w adnym razie zmienia w trakcie wykonywania wiczenia; jedynym wyjtkiem moe by pooenie poziomw zera.

8. Do wej oscyloskopu doprowadzi napicia z badanego ukadu:

Masy kanaw (kocwki krokodylkowe sond, czarne kocwki przewodw B?C) s na

oscyloskopie zwarte ze sob i poczone z przewodem ochronnym sieci; w zwizku z tym

musz by zawsze przyczone do tego samego potencjau. Inne poczenie grozi przepywem

prdu przez oscyloskop i uszkodzeniem jego obwodw wejciowych! Do przyczania mas

sond su na panelu ukadu badanego czarne gniazda oznaczone symbolem masy. ?ie

wszystkie gniazda koloru czarnego s oznaczone symbolem masy!

do kanau 1 za porednictwem kabla BNC z kocwkami bananowymi przebieg modulujcy umod przeskalowany, na Rys. 17 oznaczony umod;

do kanau 2 za porednictwem kabla BNC z kocwkami bananowymi przebieg nony utri;

do kanau 3 za porednictwem sondy 10:1 potencja umownego bieguna dodatniego (zgodnie z Rys. 17, gniazdo czerwone) napicia wyjciowego mostka uoi;

do kanau 4 za porednictwem sondy 10:1 potencja umownego bieguna ujemnego (zgodnie z Rys. 17, gniazdo czarne) napicia wyjciowego mostka uoi.

Masy kanaw 1 i 2 naley przyczy do jednego z gniazd w lewej czci panelu (w obwodzie sterowania), natomiast masy kanaw 3 i 4 w prawej czci panelu (w obwodzie mocy).

Przed wykonaniem kolejnych punktw poprawno pocze musi sprawdzi prowadzcy.

9. Wczy zasilacz obwodu sterowania. Nieznacznie zwikszy prg ograniczenia prdowego obu sekcji. Pokrtem Voltage sekcji Master ustawi napicie 3 V. Amperomierz zasilacza nie powinien wykazywa poboru prdu wikszego ni kilkadziesit miliamperw i nie powinien pracowa w trybie ograniczenia prdowego (wskazywanego przez czerwon kontrolk sekcji Master) w przeciwnym razie naley wyczy zasilacz i poprosi prowadzcego o ponowne sprawdzenie ukadu.

10. Na oscyloskopie uaktywni funkcje pomiaru (Measure) i przyciskami obok ekranu wybra pomiar czstotliwoci (Freq) przebiegw z kanaw 1 i 2. Na panelu ukadu ustawi:

pokrtem Regulacja czstotliwoci zgrubna czstotliwo przebiegu nonego ftri okoo 1 kHz;

pokrtem Amplituda amplitud przebiegu modulujcego Amod na w przyblieniu rwn (ale nie wiksz) amplitudzie przebiegu nonego Atri tj. ma 1 (obserwujc przebiegi umod i utri na ekranie; z powodu wystpujcych zakce nie bdzie moliwe uycie do tego celu funkcji pomiaru na oscyloskopie).

11. Wyczy wywietlanie przebiegw z kanaw 1 i 2. Wczy funkcj arytmetyczn Math na ekranie powinien pojawi si przebieg oznaczony liter M. Wybra funkcj rnicy (Operation: ) przebiegw z kanaw 3 i 4 (CH3CH4). W ten sposb na sztucznym kanale M bdzie moliwa obserwacja przebiegu bdcego rnic przebiegw z kanaw 3 i 4, tj. napicia uoi na wejciu filtru LC.

Pomiary C 3 27


Jak wynika ze schematu ukadu, wyjcie falownika (ani mostka, ani filtru) nie posiada poczenia z mas; dokonanie pomiaru napicia uoi (jak rwnie uo) nie jest wic moliwe z uyciem pojedynczej sondy.

12. Wczy zasilacz obwodu mocy. Obserwujc, czy wskazanie amperomierza nie przekracza 1,5 A, ustawi napicie zasilania (pokrto sekcji Master) 30 V (ukad startuje dopiero przy odpowiednio wysokim napiciu zasilania). arwka powinna zacz wieci. Jeeli wskazanie amperomierza przekracza wskazan warto, naley natychmiast wyczy zasilacz i poprosi o pomoc prowadzcego. Zanotowa ustawione napicie zasilania Ud i nie zmienia go w dalszym cigu wiczenia niezalenie od wskazania woltomierza na wyjciu.

13. Przywrci wywietlanie przebiegw z kanaw 1 i 2. Podstaw czasu oscyloskopu ustawi tak, by obserwowa 24 okresy przebiegu modulujcego umod.



3.3. Wykonanie pomiarw

Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci

1. Zmieniajc wspczynnik mf od 5 do maksymalnej wartoci, przy ktrej ukad pracuje stabilnie (brak migotania arwki i syszalnych anomalii), dla 5 punktw:

a) obserwujc wskazania fmod (na generatorze) i ftri (na oscyloskopie funkcja pomiaru Measure), ustawi dan warto mf;

w przypadku niskich wartoci mf, dla ktrych widzialne i syszalne s okresowe zmiany w pracy ukadu (potocznie mona je okreli jako pulsowanie), naley zadba o dokadn synchronizacj czstotliwoci fmod i ftri za pomoc potencjometru regulacji dokadnej, w wyniku czego pulsowanie ustpi, za przebiegi umod i utri nie bd si przesuwa wzgldem siebie na ekranie (a przynajmniej bd si przesuwa bardzo powoli);

b) obserwujc amplitudy przebiegw widoczne na oscyloskopie upewni si, e nadal wspczynnik ma 1 w razie potrzeby wyregulowa Amod pokrtem Amplituda;

c) przyciskiem Run/Stop zamrozi przebiegi na ekranie w takim momencie, w ktrym wystpuje synchronizacja nie tylko czstotliwoci, ale rwnie fazy przebiegw umod i utri tzn. zbocza narastajce obu przebiegw umod i utri przekraczaj poziom zera jednoczenie, co przedstawiono na rys. Bd! ?ie mona odnale rda odwoania. (zaoono tu, e cay czas nieznacznie przesuwaj si one wzgldem siebie w przeciwnym razie naley uy potencjometru regulacji dokadnej chwilowo wprawiajc je w nieznaczny ruch i doprowadzajc do odpowiedniego przesunicia);

d) w programie WaveStar utworzy arkusz YT Sheet i pobra do niego przebiegi (dokadnie te, nie naley pobiera innych): umod, utri, uoi przez ich przecignicie z panelu bocznego (Local, oznaczenie oscyloskopu, Data, Waveforms; kana M widoczny jest jako Math 1);

e) przeczy sondy z kanaw 3 i 4 tak, by mierzy napicie na wyjciu filtru uo (zachowujc przypisanie kanaw do umownych zaciskw + i kolor czerwony i czarny);

f) dodatkowo pobra przebieg uo do tego samego arkusza YT Sheet, nie usuwajc poprzednich;

Zaleca si zawsze pobieranie przebiegw w kolejnoci: najpierw uoi [pkt d)], potem uo [pkt e)], gdy uatwi to pniejsze przetwarzanie wynikw.

Poniewa przebieg z kanau M jest pobierany dwa razy do tego samego arkusza, nie jest do koca moliwe wykorzystanie funkcji odwieania arkusza (Refresh Datasheet). Aby nie przeciga wszystkich przebiegw ponownie, naley (po zapisaniu danego zestawu przebiegw i ustawieniu nowej wartoci mf) usun ostatni dodany przebieg z kanau M przez wcinicie klawisza Delete i dopiero wwczas odwiey arkusz przyciskiem Refresh Datasheet, a nastpnie jeszcze raz pobra przebieg z kanau M po przeoeniu sond na wyjcie filtru.

g) zapisa komplet 4 przebiegw umod, utri, uoi, uo w postaci numerycznej, tj. w formacie programu WaveStar (SHT, funkcja Save Datasheet, nie Save Worksheet);

h) zanotowa wskazania fmod z generatora i ftri z oscyloskopu oraz warto mf;

i) w toku pomiarw zanotowa:

obserwacje dotyczce pracy falownika przy maych wartociach mf w przypadku braku wzajemnej synchronizacji czstotliwoci przebiegw umod i utri;

przy jakiej (mniej wicej) wartoci mf wzajemna synchronizacja czstotliwoci przebiegw umod i utri przestaje mie znaczenie tj. przestaj by widoczne i syszane dudnienia w przypadku braku tej synchronizacji.

Charakterystyka sterowania

2. Przecznikiem Amplituda wybra Atri 2 V. Ustawi mf = 21.

Pomiary C 3 29


Rys. 19 Obraz obserwowany na oscyloskopie przy penej synchronizacji czstotliwoci i fazy przebiegw

umod i utri

3. Zmieniajc wspczynnik ma od wartoci minimalnej, przy ktrej napicie na wyjciu filtru uo (nie mostka uoi) ma widoczn amplitud (nie zmienia wzmocnie kanaw na oscyloskopie), do wartoci ok. 2, dla 8 punktw:

a) obserwujc amplitudy Amod i Atri na oscyloskopie, ustawi ich stosunek ma (okrelenie dokadnej wartoci ma w tej chwili nie jest istotne i nie naley tego robi, aby nie wydua wykonania wiczenia do tego celu posu pniej zarejestrowane oscylogramy);

b) w programie WaveStar do arkusza YT Sheet pobra przebiegi: umod, utri, uoi (ewentualnie odwiey w sposb opisany w pkt. 1);

c) przeczy sondy z kanaw 3 i 4 tak, by mierzy napicie uo i pobra ten przebieg do tego samego arkusza, nie usuwajc poprzednich;

d) zapisa komplet 4 przebiegw umod, utri, uoi, uo w formacie programu WaveStar (SHT).

Wpyw obcienia

4. Przecznikiem Amplituda wybra na powrt Atri 3 V. Przywrci ma 1 (nie wicej). Utrzyma mf = 21.

5. Wyczy zasilacz obwodu mocy. Zmieni odbiornik na opornik regulowany 170 , w szereg wczajc multimetr pracujcy w trybie amperomierza wartoci skutecznej przebiegu przemiennego, na zakresie umoliwiajcym pomiar prdw do 3 A.

6. Wczy zasilacz obwodu mocy. Zmieniajc warto opornika i poprzez to obcienie Io (warto skuteczna odczyt wartoci z multimetru) w zakresie ok. 0,22 A, dla 35 punktw:

a) w programie WaveStar do arkusza YT Sheet pobra przebiegi: umod, utri, uoi (ewentualnie odwiey w sposb opisany w pkt. 1);

b) przeczy sondy z kanaw 3 i 4 tak, by mierzy napicie uo i pobra ten przebieg do tego samego arkusza, nie usuwajc poprzednich;

c) zapisa komplet 4 przebiegw umod, utri, uoi, uo w formacie programu WaveStar (SHT);

d) zanotowa wskazanie amperomierza Io.

Zakoczenie pomiarw

7. Wyczy aparatur (w poniszej kolejnoci):

skrci do zera napicie zasilania obwodu mocy i wyczy zasilacz,



wyczy generator funkcyjny,

skrci do zera napicie zasilania obwodu sterowania i wyczy zasilacz;

przywrci tryb niezalenej pracy sekcji (Independent).

8. Na oscyloskopie wyczy funkcj Math tak, aby z ekranu znikn przebieg M.


D

Wyniki

4. Opracowanie i analiza wynikw

4.1. Dane liczbowe

Uruchomienie programu Scilab

1. Uruchomi pakiet do oblicze numerycznych Scilab.

2. Wczyta skrypt zawierajcy funkcje potrzebne do obliczenia energii wydzielanej w tranzystorze, wpisujc polecenia

exec('cieka_dostpu_do_skryptu\wavestar_calka.sce'); exec('cieka_dostpu_do_skryptu\falownik_c41.sce');

gdzie cieka_dostpu_do_skryptu jest ciek dostpu (w laboratorium: y:\ELEMS\skrypty; skrypt jest rwnie dostpny na stronie internetowej).

3. Aby w dalszym cigu pracy nie wpisywa za kadym razem penej cieki dostpu do plikw z danymi pomiarowymi (pliki programu WaveStar), mona zmieni katalog roboczy na katalog zawierajcy te pliki, wpisujc polecenie

cd('cieka_dostpu_do_pomiarw');

Wyznaczenie wartoci i widma napicia wyjciowego

4. Dla kadego z oscylogramw zapisanych w pkt. 3.3/1 dla rnych wartoci wspczynnika modulacji czstotliwoci mf:

a) w programie Wavestar otworzy plik SHT;

b) wyeksportowa dane do pliku tekstowego typu CSV (comma-separated values) przez menu File Export Datasheet CSV;

c) wczyta wyeksportowany plik w programie Scilab wpisujc polecenie

[naglowek,dane]=wczytaj_ws('nazwa_pliku');

d) w programie Scilab sprbowa dokona automatycznego wyznaczenia parametrw wpisujc polecenie

[Uoi,Uo]=oblicz(dane,nr_mod,nr_tri,nr_uoi,nr_uo,fmod,ftri);

32 D 4 wiczenie 5 (C41. Impulsowy falownik napicia (1.1.)


gdzie: nr_mod, nr_tri, nr_uoi, nr_uo numery kolejne przebiegw umod, utri, uoi i uo zgodnie z rosnc numeracj w programie WaveStar, natomiast zamiast fmod i ftri naley w tej chwili poda 0.

Np. jeeli w programie WaveStar wywietlane s: 2) umod, 3) utri, 4) uo, 6) uoi, to naley poda kolejno: 1, 2, 4, 3; jeeli za numeracja zaczyna si od 1 i nie ma dziur, to numery s identyczne jak w programie WaveStar.

e) funkcja oblicz wywietli wartoci parametrw:

czstotliwoci fmod i ftri oraz wspczynnik modulacji mf,

amplitudy Amod i Atri,

wspczynnik znieksztace harmonicznych dh napicia uoi i napicia uo (warto obliczana jest z definicji zawierajcej skadow podstawow X1, nie ca skadow przemienn Xa, moe wic by wiksza od 1 [2])

wartoci skuteczne napi Uoi i Uo;

f) sprawdzi, czy automatyczna detekcja czstotliwoci daa prawidowy wynik porwna z wartociami zanotowanymi w pkt. 3.3/1.h); jeeli nie naley wyznaczy dan czstotliwo rcznie, mierzc okres przebiegu kursorami pionowymi w programie WaveStar, a nastpnie uruchomi funkcj oblicz ponownie, wpisujc wyznaczon czstotliwo w odpowiednie miejsce zamiast zera (fmod lub ftri);

g) sprawdzi, czy automatyczna detekcja amplitudy daa prawidowy wynik porwna na oko z amplitudami przebiegw widocznymi w programie WaveStar; jeeli nie naley wyznaczy dan czstotliwo rcznie, mierzc okres przebiegu kursorami poziomymi w programie WaveStar;

h) funkcja oblicz powoduje jednoczenie skopiowanie powyszych parametrw do schowka (w takiej samej kolejnoci, w jakiej s wywietlane w oknie programu Scilab, oprcz wspczynnika mf); naley je wklei do arkusza kalkulacyjnego, a jeeli niektre automatycznie wyznaczone wartoci byy niepoprawne zamieni je na wyznaczone rcznie;

i) wykreli widmo amplitudowe napi uoi i uo wpisujc polecenie

wykres_widma(Uoi,Uo,fmax)

gdzie fmax jest zakresem czstotliwoci, ktry naley wybra rozsdnie tak, aby widoczne byy wszystkie skadowe o znaczcej amplitudzie; widmo napicia uoi zostanie wykrelone kolorem niebieskim, natomiast uo czerwonym; w celu zwikszenia czytelnoci wykresu, prki o wartoci mniejszej ni 5% maksymalnej s pomijane;

j) zapisa obraz widma do pliku graficznego (w oknie wykresu menu File, Export to).

5. Uzyskane wyniki zebra w tabeli 1.

6. Dla kadego przypadku obliczy i doda do tabeli:

wspczynnik modulacji czstotliwoci mf,

wspczynnik modulacji amplitudy ma.

Skontrolowa, czy wszystkie pomiary w tej serii zostay wykonane dla ma 1.

Parametry dla zmiennego wspczynnika modulacji amplitudy i obcienia

7. Powtrzy pkt 4.a)h) dla oscylogramw zarejestrowanych w pkt. 3.3/0 (dla rnych wartoci wspczynnika modulacji amplitudy ma). Wyniki zebra w tabeli 2.

8. Dla kadego przypadku obliczy i doda do tabeli:

wspczynnik modulacji amplitudy ma,

wspczynnik modulacji czstotliwoci mf.

Skontrolowa, czy wszystkie pomiary w tej serii zostay wykonane dla mf 21.

Opracowanie i analiza wynikw D 4 33


9. Powtrzy pkt 4.a)h) dla oscylogramw zarejestrowanych w pkt. 3.3/6 (dla rnych wartoci obcienia Io). Wyniki zebra w tabeli 3.

34 D 4 wiczenie 5 (C41. Impulsowy falownik napicia (1.1.)


4.2. Analiza wynikw

Dziaanie ukadu

1. Przeanalizowa oscylogramy napi zarejestrowane przy zmiennym wspczynniku modulacji czstotliwoci mf:

a) czy wspczynnik wypenienia przebiegu uoi jest zgodnie z zasad dziaania falownika impulsowego [1] proporcjonalny do przebiegu modulujcego umod?

b) jak przebieg na wyjciu filtru uo ma si do przebiegu na wyjciu mostka uoi? jaki wpyw ma na to wspczynnik modulacji czstotliwoci mf?

2. Jak zmienia si przebieg na wyjciu mostka uoi przy zmianie wspczynnika modulacji amplitudy ma, szczeglnie powyej 1 (nadmodulacja)? Skrtowo wyjani obserwacj odwoujc si do zasady modulacji dwubiegunowej [1] (nie wnikajc w szczegy).

Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci na znieksztacenia napicia

3. Przeanalizowa zapisane wykresy widma amplitudowego napicia na wyjciu mostka uoi. Dla jakich czstotliwoci obserwowane s prki o stosunkowo duej (w porwnaniu z prkiem dla czstotliwoci fmod) amplitudzie? Czy czstotliwoci te maj jaki zwizek z czstotliwoci fmod lub ftri [3]?

4. Na podstawie danych z tabeli 1, wykreli na jednym wykresie zaleno wspczynnika znieksztace harmonicznych dh [2] napicia na wyjciu mostka uoi i napicia na wyjciu filtru uo od wspczynnika modulacji czstotliwoci mf.

5. Przeanalizowa wykres dla napicia na wyjciu mostka uoi:

a) jaki przebieg ma zaleno dh(uoi)=f(mf)?

b) biorc pod uwag definicj wspczynnika znieksztace dh, powiza obserwacj z widmem amplitudowym; jak zmienia si amplituda prka odpowiadajcego czstotliwoci fmod, a jak amplitudy prkw odpowiadajcych jej harmonicznym?

6. Przeanalizowa wykres dla napicia na wyjciu filtru uo:

a) jaki przebieg ma zaleno dh(uo)=f(mf)?

b) biorc pod uwag definicj wspczynnika znieksztace dh, powiza obserwacj z widmem amplitudowym;

c) jak skuteczna jest filtracja harmonicznych w przypadku maych i duych wartoci mf?

d) w dowolny sposb wyznaczy charakterystyk czstotliwociow uytego filtru LC uwzgldniajc wartoci elementw podane w podrozdziale 3.1;

e) wyjani obserwacj z podpunktu c) w oparciu o:

widmo przebiegu uoi (dla rnych mf),

charakterystyk filtru;

f) biorc pod uwag wnioski z podpunktw a)e), uzasadni, e praca z wysokim wspczynnikiem modulacji czstotliwoci mf jest korzystna (oglnie abstrahujc od konkretnych wartoci elementw);

g) odnoszc charakterystyk filtru do widma napicia na wyjciu mostka uoi, jakich wartoci nie powinna przyjmowa czstotliwo rezonansowa filtru?

7. Czy z obserwacji zanotowanych w pkt. 3.3/1.i) wynikaj inne korzyci z pracy z wysokim wspczynnikiem modulacji czstotliwoci? Poda przyblion warto graniczn mf w przypadku badanego ukadu.

Opracowanie i analiza wynikw D 4 35


Wpyw wspczynnika modulacji czstotliwoci na napicie skuteczne

8. Na podstawie danych z tabeli 1, wykreli na jednym wykresie zaleno wartoci skutecznej napicia na wyjciu mostka Uoi i napicia na wyjciu filtru Uo od wspczynnika modulacji czstotliwoci mf.

9. Przeanalizowa uzyskany wykres:

a) w oparciu o definicj wartoci skutecznej [2] oraz zanotowan w pkt. 3.2/12 warto napicia zasilania Ud, wyjani warto i przebieg zalenoci Uoi = f(mf);

b) jaki przebieg ma zaleno Uo = f(mf) i jak maj si zmierzone wartoci Uo do wartoci skutecznej idealnej sinusoidy o amplitudzie Ud?

c) wyjani obserwacj z podpunktu b) biorc pod uwag:

zmian amplitudy skadowej podstawowej zaobserwowan w pkt. 5.b),

charakterystyk czstotliwociow filtru wyjciowego wyznaczon w pkt. 6.d);

d) biorc pod uwag wnioski z podpunktw a)c), jaka jest negatywna konsekwencja pracy z wysokim wspczynnikiem modulacji amplitudy mf?

Charakterystyki falownika

10. Na podstawie danych z tabeli 2, wykreli charakterystyk sterowania napicia wyjciowego falownika Uo = f(ma).


a) odnie przebieg otrzymanej zalenoci do teoretycznej charakterystyki skadowej podstawowej napicia Uoi1m wyjciowego mostka uoi [1];

b) czym objawia si wejcie w zakres nadmodulacji?

c) jak warto maksymaln powinno osign skuteczne napicie wyjciowe Uo gdyby falownik i filtr wyjciowy byy idealne (tj. brak spadkw napicia na elementach oraz idealna filtracja wycznie skadowej fmod)? jak osigno w rzeczywistym ukadzie w danych warunkach obcienia?

12. Na podstawie danych z tabeli 3, wykreli charakterystyk wyjciow falownika bez filtru i z filtrem, tj. Uoi = f(Io) i Uo = f(Io).


a) jaki jest wpyw obcienia na skuteczne napicie wejciowe?

b) aproksymowa liniowo obie zalenoci np. wywietlajc lini trendu wraz z jej rwnaniem na wykresie w arkuszu kalkulacyjnym;

c) porwna wartoci rezystancji wyjciowej falownika Roi i Ro, tj. warto bezwzgldn wspczynnika kierunkowego prostych; czy filtr znaczco pogarsza (zwiksza) ten parametr?

d) jak obserwacja z podpunktu c) wiadczy o relacji stratnoci rzeczywistych elementw biernych do stratnoci rzeczywistych kluczy pprzewodnikowych (w badanym ukadzie)?

Wpyw pozostaych parametrw pracy na znieksztacenia harmoniczne

14. Na podstawie danych z tabel 2 i 3, wykreli charakterystyki wspczynnikw znieksztace harmonicznych dh(uoi) i dh(uo) w funkcji wspczynnika modulacji amplitudy ma oraz w funkcji obcienia Io. Opisa obserwacje.


E

Informacje

5. Literatura

[1] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998.

[2] Starzak .: Laboratorium przyrzdw i ukadw mocy. Instrukcja 0. Wprowadzenie do elektroniki mocy. d: Politechnika dzka, 2009.

[3] Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P.: Power electronics: Converters, applications and design. Wiley, 2003.

[4] Tunia H., Smirnow A. i in.: Ukady energoelektroniczne: obliczanie, modelowanie, projektowanie. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1982.

[5] Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1994.

Ćwiczenie 5 (C41)

Text of Ćwiczenie 5 (C41)

Ćwiczenie nr 5 BADANIE PROMIENIOWANIA …lab2p.fizyka.pw.edu.pl/wp-content/uploads/2017/10/Cwiczenie_nr_5.pdf · Laboratorium Fizyki II p. Piotr Kurek, Marek Wasiucionek Ćwiczenie

STAFF REPORT C41

Materiały dla studentów ĆWICZENIE 5. (plik PDF ~2,3 MB)

wiersze, opowiadania - podrecznikarnia.pl · „Na sawannie” – ćwiczenie z książki „5-latek - Razem poznajemy świat” cz.3, str.2 i 3. cel: ćwiczenie spostrzegawczości,

ĆWICZENIE 4 - analchem.home.amu.edu.pl

Ćwiczenie (1)

Marketing w „słuŜbie” zdrowia - trudnepytaniamed.pl · 2010. 5. 17. · •OGSM. Strategia -ćwiczenie Trendy w bran Ŝy Analiza interesariuszy. Strategia -ćwiczenie Trendy

Ćwiczenie PA7b...Ćwiczenie PA7b „Identyfikacja obiektu układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg” 5 PODSTAWY AUTOMATYKI zaburzają pożądany

Ćwiczenie 5 – podzapytania

ArchiCad Ćwiczenie

Ćwiczenie 1

ĆWICZENIE NR 5 SPRAWDZANIE JEDNOFAZOWEGO LICZNIKA

Ćwiczenie Nr 1_algorytm

C41 Fluid Mechanics - Hydraulics

c41 Balancing Chapter 3

Ćwiczenie 1 – podstawy

C41 - 1986

ĆWICZENIE 5A

Ćwiczenie 4

Software Project Management C41

Darmowa publikacja dostarczona przezzrozumiecfaceta.eksiazki.az.pl/Facet/Mezczyzna_od_A_do_Z... · Mimika twarzy a uwodzenie 38 Ćwiczenie I 39 Ćwiczenie II 39 Ćwiczenie III 39

Automatyzacja w KiC (ćwiczenie 4 i 5).ppt [tryb zgodności] · 2010. 5. 5. · Title: Automatyzacja w KiC (ćwiczenie 4 i 5).ppt [tryb zgodności] Author: Jan Syposz Created Date:

Patons Nicknacks C41

Ćwiczenie Nr Algorytm

Temat: Bezpieczeństwo w ruchu drogowym · Zawierają kontrakt 5 min. biała tablica, mazaki Faza wstępna Omawia ćwiczenie Nr 1, podsumowuje ćwiczenie Opowiadają o wypadkach,

Ćwiczenie Nr 5 (1)

Ćwiczenie 5. Strojenie poleceń SQL · 2016. 4. 11. · Ćwiczenie 5. Strojenie poleceń SQL 1. Uruchomienie i skonfigurowanie Czas trwania: 20 minut Zadaniem niniejszych ćwiczeń

2019€¦ · € 15,00 Ontwikkelen & Scannen Ontwikkelen kleinbeeld C41 Ontwikkelen kleinbeeld E6,zwart wit Ontwikkelen rolfilm C41,E6,zwart wit Ontwikkelen vlakfilm C41,E6,zwart

NORMATIV C41-86

Ćwiczenie 8 - zese.wel.wat.edu.pl

Documents

Ćwiczenie 5 (C41)

Text of Ćwiczenie 5 (C41)