Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники
Автор: Гельман Морис Владимирович, Хусаинов Рустам Зайнагеддинович, Дудкин Максим Михайлович, Терещина Олеся Геннадьевна
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Теплоэнергетика
Статья в выпуске: 12 (84), 2007 года.
Бесплатный доступ
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.
Короткий адрес: https://sciup.org/147158012
IDR: 147158012
Текст научной статьи 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 NvNT...Nn, длительности tA,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» (7Вых ~ /(^ип)I б> внешние ( Um = 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.
Список литературы Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники
- Анализ тенденций развития лабораторных стендов по электротехнике и электронике/Р.З. Хусаинов, В.Н. Бородянко, М.В. Гельман и др.//Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: тр. XI междунар. конф. -Крым, Алушта, 2006. -Ч. 2. -С. 303-304.
- Электротехника: Учебное пособие для вузов. В 3-х книгах. Кн. 2. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления/под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. -711 с.
- Андреев А.Н. Распределенные модели устройств автоматического управления/А.Н. Андреев//Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». -2006. -Вып. 6. -№ 9. -С. 27-28.