Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники

Рассматривается автоматизированный лабораторный комплекс для изучения полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств преобразовательной техники, основанный на сочетании физического и виртуального моделирования. Приведен перечень исследуемых полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и преобразователей. Исследуются вольтамперные характеристики приборов, а также внешние, регулировочные и энергетические характеристики преобразователей. Имеется возможность функционирования стенда в ручном и автоматизированном режиме.

В работе [1] дан анализ тенденций развития лабораторных стендов по электротехнике и электронике. В соответствии с этим стенд, обеспечивающий изучение достаточно сложных устройств, выполняется в виде отдельных модулей, содержащих законченную схему с переключениями для расширения функциональных возможностей. Модульность обеспечивает возможность развития стенда, а, следовательно, отодвигает время его морального старения.

В настоящее время имеется тенденция миниатюризации лабораторного оборудования. Это обеспечивает экономию материальных и энергетических ресурсов, снижает требуемые площади. Непрерывно расширяющийся круг устройств преобразовательной техники требует создания новых модулей. Малая мощность лабораторных стендов, принятая из условий экономии ресурсов, площадей и энергии, делает невозможным полное соответствие исследуемых процессов электромагнитным процессам в мощных преобразователях. Особые трудности вызывает исследование аварийных режимов.

Виртуальное моделирование позволяет устранить эти недостатки и исследовать особенности процессов в мощных преобразователях. Виртуальные модели оказываются значительно дешевле по сравнению с физическими. Их структура легко изменяется, а это особенно важно в условиях быстрого развития современных систем. Существенным недостатком виртуального моделирования является то, что нет «эффекта присутствия» очень важного при формировании будущего специалиста.

При разработке автоматизированного лабораторного комплекса были совмещены возможности физического и виртуального моделирования на одном рабочем месте. Этапу автоматизированного исследования предшествует этап «ручного» с традиционным построением характеристик по точкам. Автоматизация проведения экспериментов на физических моделях сокращает время их проведе ния, а следовательно, увеличивает возможный объем проводимых исследований.

Применение виртуальных моделей позволяет расширить возможности изменения параметров, включая выход на аварийные режимы, что весьма затруднительно и небезопасно на физических моделях. Совмещение математического (виртуального) и физического моделирования позволяет просто решать вопросы адекватности.

Виртуальное моделирование осуществляется с помощью пакета программ MatLab+Simulink.

Автоматизированный стенд (рис. 1) обеспечивает исследование следующих полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и вентильных преобразователей:

• •    выпрямительных диодов, стабилитронов, светодиодов;

• •    биполярных, полевых и IGBT транзисторов;

• •    операционных усилителей и схем их включения;

• •    комбинационных и последовательностных цифровых интегральных микросхем;

• •    асимметричных, симметричных и запираемых тиристоров;

• •    однофазных неуправляемых выпрямителей;

• •    однофазного управляемого выпрямителя;

• •    трехфазных управляемых выпрямителей;

• •    ведомых инверторов;

• •    двухкомплектного реверсивного преобразователя;

• •    преобразователя и импульсного стабилизатора постоянного напряжения;

• •    автономного инвертора напряжения;

• •    двухзвенного преобразователя частоты;

• •    тиристорного преобразователя переменного напряжения;

• •    источника вторичного электропитания;

• •    корректора коэффициента мощности.

  

  Рис. 1. Общий вид лабораторного комплекса по физическим основам электроники и преобразовательной технике

  
  

Содержание работ соответствует материалу, изложенному в [2]. В стенде используются как реальные, так и виртуальные приборы.

Программное обеспечение лабораторного стенда расширяет возможности измерительных приборов, а также обеспечивает функции управления для автоматизации проведения экспериментов. Существующие измерительные приборы широкого применения не обеспечивают достаточной точности при измерении несинусоидальных токов и напряжений, достигающих весьма низких частот (5 Гц) и содержащих широкий спектр гармоник. Поэтому разработанная информационно-измерительная система, созданная на базе персонального компьютера, решает не только задачу удобного представления информации, но и позволяет проводить измерения при сложной форме сигналов. Она обеспечивает работу с мгновенными, средними и действующими значениями сигналов, измеряет величины токов, напряжений, активных, реактивных и полных мощностей, КПД, коэффициент мощности, costp, коэффициент несинусои-дальности и др.

Аппаратная часть информационно-измерительной системы содержит датчики тока и напряжения, основанные на эффекте Холла, с переключаемой полосой пропускания, модуль ввода-вывода с установленными в нем входными диффе ренциальными усилителями и выходными усилителями мощности с потенциальной развязкой и персональный компьютер. В качестве устройства связи с объектом (УСО) применена плата L-780M, обеспечивающая запись и просмотр мгновенных значений сигналов в течение заданного интервала времени с высокой частотой дискретизации (100 000 точек в секунду при осциллографирова-нии четырех аналоговых сигналов).

С целью экспериментального исследования разработанных модулей стенда и всего автоматизированного информационно-измерительного комплекса были сняты вольт-амперные, регулировочные, внешние и энергетические характеристики, а также временные диаграммы сигналов исследуемых объектов. Функциональная схема эксперимента представлена на рис. 2.

Она состоит из системы управления и информационно-измерительной системы, представляющих собой программное обеспечение (ПО) [3]; платы L-780M, обеспечивающей преобразование аналоговых сигналов, поступающих с модуля «Ввод-вывод», в цифровую форму для персонального компьютера (ПК) и обратное преобразование; модуль «Ввод-вывод», предназначенный для гальванической развязки и согласования уровней входных и выходных сигналов между платой L-780M и внешними исследуемыми модулями.

Рис. 2. Функциональная схема эксперимента

Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники

Регулировочные и энергетические характеристики исследуемых модулей были сняты в ручном и автоматическом режиме. С этой целью в системе управления программным путем было сформировано управляющее воздействие в цифровой форме по закону ступенчатой функции (рис. 3). Уровни N_vN_T...N_n, длительности t_A,t₂...t„ и количество дискретно изменяющихся ступенек управляющего воздействия выбиралось из условия конкретного эксперимента. При помощи платы L-780M цифровой управляющий сигнал преобразуется в аналоговый и через модуль «Ввод-вывод» поступает на управляющий вход исследуемого модуля (см. рис. 2).

Измерение средних и действующих напряжений, а также токов производилось информационно-измерительной системой. С этой целью измеряемые сигналы с выходов исследуемых модулей через датчики напряжения и тока или непосредственно (в низковольтных схемах) были подключены к модулю «Ввод-вывод».

Во время эксперимента измеряемые значения напряжений, токов, мощностей отображались на экране дисплея в окне виртуального измерительного прибора (рис. 4) с учетом масштабного коэффициента измерительных датчиков и цепей модуля «Ввод-вывод».

Регистрация входных сигналов и построение зависимостей между значениями входных (выходных) сигналов осуществлялось при помощи «Регистратора сигналов», который входит в состав ПО информационно-измерительной системы. По окончании эксперимента (после останова регистратора) загружается окно «Просмотр измерений», которое отображает снятую экспериментальную зависимость. Кнопка «Сохранить как ...» в окне просмотра измерений позволяет сохранить полученные результаты в файл с расширением .dat для программы Mathcad или с расширением .xls для программы Excel.

Вольтметр N?1

Рис. 4. Окно виртуального измерительного прибора

Экспериментальные характеристики были построены с использованием программы Microsoft Excel. Временные диаграммы сигналов были записаны при помощи программы L-Graph, входящей в состав базового программного обеспечения платы L-780M.

Ниже приведены некоторые результаты, полученные при испытании модулей.

На рис. 5, а приведены регулировочные характеристики для трехфазной мостовой и трехфазной нулевой схем, снятые в автоматическом режиме, а на рис. 5, б приведены внешние характеристики трехфазной мостовой схемы, снятые при работе информационно-измерительной системы, но с «ручным» изменением нагрузки.

На рис. 6, а приведена регулировочная характеристика преобразователя постоянного напряжения, снятая в автоматическом режиме, а на рисунке 6, б внешние характеристики преобразователя постоянного напряжения, снятые при работе информационно-измерительной системы, но с «ручным» изменением нагрузки.

На рис. 7, а приведены зависимости напряжения на выходе импульсного стабилизатора постоянного напряжения от напряжения источника питания (7ВЫХ = /(^ип)> снятые в автоматическом режиме, а на рис. 7, б приведены внешние характеристики импульсного стабилизатора по-

Рис. 5. Экспериментальные регулировочные и внешние характеристики трехфазных управляемых выпрямителей тока

Рис. 6. Экспериментальные характеристики преобразователя постоянного напряжения: а) регулировочная; б) внешние (C/m = 25 В, /шим = 10 кГц

Ток нагрузки

б)

Рис. 7. Экспериментальные характеристики импульсного стабилизатора постоянного напряжения: а) «вход-выход» (7_Вых ~ /(^ип)I ^б> внешние ( U_m = 25 В, /_шим = 10 кГц

стоянного напряжения, снятые при работе информационно-измерительной системы, но с «ручным» изменением нагрузки.

На рис. 8 приведены временные диаграммы напряжений и токов в двухзвенном преобразователе частоты: напряжение и ток, потребляемый из сети; первая гармоника фазного напряжения нагрузки и ток нагрузки, снятые при помощи программы L-Graph.

На рис. 9 приведены внешние характеристики двухзвенного преобразователя частоты, снятые при работе информационно-измерительной системы, но с «ручным» изменением нагрузки.

Энергетические характеристики двухзвенного преобразователя частоты, снятые в автоматическом режиме, представлены на рис. 10, 11.

При проведении лабораторных работ обеспечивается преемственность с лабораторными работами по физической электронике и согласование с последующими работами по спецкурсам.

Методическое обеспечение позволяет проводить физическое и виртуальное моделирование как совместно, так и раздельно. Такое построение лабораторного практикума будет способствовать более глубокому изучению курса, развитию интереса учащихся, а также облегчит самостоятельную

Рис. 8. Временные диаграммы двухзвенного преобразователя частоты: а) напряжение и ток, потребляемый из сети; б) первая гармоника фазного напряжения на нагрузке и ток нагрузки

Рис. 10. Активная и полная мощности, потребляемые из сети двухзвенным преобразователем частоты при частотном регулировании Кн = 6000м, Lh = 80мГн

Рис. 11. Коэффициент мощности на входе двухзвенного преобразователя частоты при частотном регулировании

работу студентов, что особенно актуально для студентов-заочников.

Разработка автоматизированного лабораторного комплекса по преобразовательной технике выполняется совместно Южно-Уральским государственным университетом и РНПО «Росучпри-бор» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», а также при финансовой поддержке Правительства Челябинской области.