Laboratorium Podstaw Energoelektroniki
dla studentów WIP
Temat:
Badanie przekształtnika podwyższającego napięcie
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW 2007
1
Wstęp
W wielu przypadkach istnieje konieczność przekazywania energii elektrycznej ze źródła o niskim
napięciu stałym do odbiornika wymagającego wyższego napięciu. Sytuacja taka ma na przykład
miejsce w obwodach głównych pojazdów elektrycznych z możliwością zwrotu energii wytracanej w
trakcie hamowania (rekuperacji) do układu zasilania (lub układu magazynowania energii).
Problem ten można rozwiązać za pomocą przekształtnika podwyższającego napięcie, zwanego
potocznie czoperem podwyższającym.
Przekształtniki podwyższające napięcie stałe stosowane są również w celu zapewnienia stałego
napięcia wyjściowego przy zmieniającym się napięciu wejściowym. Jest to więc forma stabilizatorów
dla układów zasilania, silników, przekształtników pracujących przy zmiennym napięciu zasilającym.
Stabilizację napięcia wyjściowego uzyskuje się przez regulację współczynnika wypełnienia-
γ, w
zależności od napięcia wyjściowego i prądu obciążenia.
1. Zasada działania czopera podwyższającego napięcie
Rysunek 1 przedstawia schemat obwodu przekształtnika podwyższającego napięcie, przy czym
stycznik „S” jest faktycznie zaworem sterowanym ("T") i
realizowany jest za pomocą tranzystora lub
tyrystora z układem wyłączającym.
Rys. 1. Schemat obwodu czopera podwyższające napięcie
Czoper wykorzystuje cykliczne ładowanie i rozładowanie cewki w celu przekształcenia energii
elektrycznej o niskim napięciu na energię o napięciu wyższym (U
wy
>U
we
). Układ pracuje dwustanowo:
Chwila zwarcia oznaczona indeksem "o" a otwarcia indeksem”1”.
a) Stan zwarcia stycznika (zawór sterowany przewodzi)
Gdy stycznik jest zwarty, schemat zastępczy układu można przedstawić jak na rysunku 2. W
przedziałach czasu, w których przewodzi zawór sterowany T, prąd i
we
dławika zwiększa się pod
wpływem napięcia źródła zasilania U
we
.
2
Rys.2 Schemat zastępczy dla stanu zwarcia stycznika
Oczywiście w tej fazie pracy czopera spełnione jest:
we
L
u
u
=
Cewka (dławik) L podłączona jest bezpośrednio do zasilania. Jej prąd narasta i opisany jest
wyrażeniem:
)
o
t
-
t
(
L
we
u
o
I
(t)
we
i
+
=
(1)
gdzie: I
o
– prąd w chwili zwarcia stycznika S.
Cewka ładuje się energią zgodnie ze wzrostem prądu:
2
l
2
i
L
e
⋅
=
(2)
Kondensator rozładowuje się przez obciążenie:
o
c
wy
R
u
i =
(3)
Prąd w cewce w chwili otwarcia stycznika S osiągnie wartość maksymalną I
1
.
b) Stan otwarcia stycznika S
Po wyłączeniu zaworu T prąd i
d
płynie nadal przez dławik L, przekazując nagromadzoną energię
poprzez diodę D do obwodu odbiornika CR
0
. W czasie przewodzenia diody prąd dławika zmniejsza
się pod wpływem napięcia równego U
wy
-U
we
. Dzięki diodzie D
kondensator C, pełniący rolę filtru,
może rozładowywać się tylko w obwodzie odbiornika.
Po otwarciu stycznika S układ redukuje się do połączenia szeregowego cewki z równoległą grupą R
0
C,
jak na z rysunku 3 (pomijając spadek napięcia na diodzie), dlatego:
wy
L
we
U
U
U
+
=
(4)
3
Rys.3 Schemat zastępczy dla stanu otwarcia stycznika S
Zgodnie z podstawowym prawem elektrotechniki, prąd płynący przez cewkę nie może przestać płynąć
natychmiastowo. Energia nagromadzona w cewce (w fazie pracy czopera z załączonym stycznikiem),
zgodnie ze wzorem (2), oddawana jest do obciążenia Ro i doładowuje kondensator C. Zmiana napięcia
na cewce wywołana jest zmianą pochodnej prądu. Cewka oddaje energię i następuje zmniejszenie
prądu.
dt
di
L
-
u
L
⋅
=
(5)
Wartość prądu nie może opaść poniżej 0 ze względu na zabezpieczenie diodą D (rys.1).
Rys.4 Przebiegi napięć i prądu czopera podwyższającego
4
(W obwodach elektrycznych z indukcyjnościami i stycznikami z przerwą powietrzną, próżniową,
rozładowanie energii cewki przejawia się występowaniem łuku elektrycznego i przepięć).
Stosunek czasów t
p
(czas załączenia stycznika) do T
i
(okres pracy układu) określany jest jako
współczynnik wypełnienia
γ:
i
p
T
t
=
γ
(6)
we
L
wy
U
U
U
+
=
(7)
Pomijając rezystancję elementów składowych układu oraz zakładając, że napięcie odbiornika u0 nie
zawiera tętnień, można napisać:
i
w
wy
we
T
t
U
U
=
(8)
Stąd:
i
p
we
w
p
we
i
w
we
wy
T
t
U
t
t
U
T
t
U
U
−
=
+
=
=
1
1
(9)
Z powyższego równania widać, że średnia wartość napięcia odbiornika U
wy
jest zawsze większa niż
napięcie źródła zasilania U
we
i może być regulowana tylko w górę poprzez zmianę względnego czasu
przewodzenia stycznika (zaworu sterowanego). Zmieniając
γ możemy zatem uzyskać zmianę napięcia
wyjściowego.
W układzie idealnym może nastąpić dowolne podwyższenie napięcia, jeżeli układ nie ma dołączonej
rezystancji wyjściowej Ro. W rzeczywistych układach napięcie wyjściowe jest jednak ograniczone ze
względu na straty występujące w rzeczywistych elementach układu L, C, D, S.
W praktyce zakres zmian
γ przyjmuje się w granicach od 0 do 0,5, ograniczając szczytową wartość
napięcia blokowania zaworu sterowanego i napięcia wstecznego diody do wartości 2U
we
. Tętnienia
prądu dławika (a więc również prądu źródła zasilania) ∆I
we
są największe dla
γ =0,5.
Należy zauważyć, że w omawianym układzie obwód zasilania ma charakter prądowy (obecność
dławika L), natomiast obwód odbiornika ma charakter pojemnościowy (obecność kondensatora C).
Czoper pobiera prąd z zasilania o dużej zmienności.. Dla zmniejszenia tętnień prądu wejściowego i napięcia
wyjściowego stosuje się połączenie kilku czoperów pracujących równolegle.
5
Rys. 5 Oscylogramy napięcia wyjściowego i odpowiadające napięcia sterujące o różnym wypełnieniu
2. Czoper tranzystorowy
W przypadku tranzystorowego przekształtnika prądu stałego podwyższającego napięcie, jak na
rysunku 6, odbiornikiem może być hamowana prądnicowo maszyna prądu stałego, o zastępczym
schemacie R
0
L
0
E
0
. Prąd maszyny kontrolowany jest za pomocą układu zawierającego człon pomiaru
prądu i
0
oraz regulator prądu RI
0
. Zadaniem układu regulacji jest generowanie impulsów
sterujących
tranzystora T tak, aby wartość średnia prądu maszyny była utrzymywana na poziomie wartości
zadanej I
0z
. Funkcję indukcyjności magazynującej energię przy przewodzącym tranzystorze pełni
indukcyjność obwodu twornika maszyny L
0
. Przy załączonym tranzystorze pod wpływem napięcia
wewnętrznego E
0
prąd maszyny zwiększa się od wartości I
0z1
do I
0z2.
6
Rys.6 Tranzystory przekształtnik prądu stałego podwyższający napięcie
Po włączeniu tranzystora prąd i
0
płynie przez diodę D do źródła napięcia U
d
, czyli zmniejsza się pod
wpływem napięcia U
d
-E ponownie do wartości I
0z1.
Napięcie odbiornika, który w tym przypadku jest
źródłem energii, wyraża się wzorem:
−
=
i
p
d
T
t
U
U
1
0
(10)
Przepływ energii od odbiornika do źródła Ud oznacza, że charakterystyki zewnętrzne odbiornika
znajdują się w drugim kwadrancie układu współrzędnych, wyznaczonym przez wartości średnie prądu
i napięcia odbiornika.
3. Czoper dwupulsowy
Przekształtnik ten zbudowany jest z dwóch czoperów połączonych równolegle i pracujących na ten
sam odbiornik z kondensatorem. Poszczególne obwody pracują identycznie. Otwieranie i zwieranie
tranzystora T
2
następuje z opóźnieniem 0,5 T (pół okresu) w stosunku do T
1
. Pozwala to na
zmniejszenie tętnień prądu wejściowego jak również tętnień napięcia wyjściowego. W celu
ograniczenia gabarytów indukcyjności L oraz pojemności C stosuje się możliwie dużą częstotliwość
pracy - kilkaset Hz dla układów tyrystorowych oraz do kilkudziesięciu kHz dla układów
tranzystorowych.
T
1
T
2
L
1
L
2
D
1
D
2
we
wy
0,5 T
Uster
Uster
Rys.7 Schemat czopera dwupulsowego z tranzystorami jako stycznikami.
7
4. Realizacja ćwiczenia
Schemat ideowy stanowiska pomiarowego przedstawia rysunek 8 a wygląd aparatury – rys.9 i 10.
Rys.8 Schemat połączeń pomiarowych
Rys.9 Wygląd czopera na stanowisku pomiarowym
8
Rys.10 Wygląd płyty czołowej źródła zasilania dla czopera. Uwaga: nie zmieniać nastawy prądu (2A).
1).
Ustawić indukcyjność 2L. Pomierzyć charakterystyki czopera 1 pulsowego i 2 pulsowego dla
napięcia zasilającego 10,1V i 20,1V. Rezystancje: jeden rezystor 250
Ω dwa szeregowo 500Ω. Podczas
pomiaru z rezystancją „
∞” należy od wyjścia odłączyć woltomierz i korzystać z woltomierza
wewnętrznego. Napięcie wyjściowe z czopera jest ograniczone do 230V.
Pomiary
Obliczenia
γ
Uwej
Uwyj
Iwej
Iwyj
Ro
Pwej
Pwyj
η
[V]
[V]
[mA]
[mA]
Ω
[W] [W]
Pwy/Pw
e
1p
0,1...0,7
250
1p
0,1...0,7
500
1p
0,02..0,3
∞
2p
0,1...0,7
250
2p
0,1...0,7
500
2p
0,02..0,3
∞
2).
Zmierzyć charakterystykę wymaganego współczynnika wypełnienia (za pomocą oscyloskopu na
wyjściu K2) przy zmianie napięcia wejściowego.
Regulować
γ tak, aby utrzymywać stałe napięcie wyjściowe przy różnych wartościach napięcia
wejściowego.
γ=f(Uwej) dla R=250Ω, i Uwyj=const=28V dla czopera 1 i 2 pulsowego.
9
Uwej[V]
12,1
....
24,1
Iwej[mA]
Pwej[W]
η
γ
3).
Za pomocą oscyloskopu wyznaczyć amplitudy tętnień (w wartościach bezwzględnych i
procentowych) na wyjściu czopera: 1p i 2p, dla pojemności 1C i 2C przy napięciu zasilania 20,1 V dla
rezystancji R=250
Ω przy maksymalnym wysterowaniu (Uwyj około 50V). Narysować przebiegi dla
1p i 2p przy pojemności 2C.
Wykreślić wszystkie uzyskane charakterystyki. Wyjaśnić wpływ zmian pojemności wyjściowej,
liczby pulsów, rezystancji obciążenia na wartość tętnień.
Przykładowe pytania:
1. W jakich warunkach U
wyj
czopera będzie niższe od zasilającego
2. Narysować schemat ideowy czopera 1pulsowego i wyjaśnić zasadę działania.
3. Narysować układ czopera 3pulsowego, wskazać wady i zalety w stosunku do 1pulsowego.
4. Narysować przebiegi elektryczne napięcia i prądu na cewce czopera 1pulsowego, podać wzory je
opisujące dla przypadku idealnego łącznika.
Literatura
Kaźmierkowski M., Tunia H. Automatyka napędu przekształtnikowego. PN Warszawa 1987
Kacprzak J. , Koczara W. Podstawy napędu elektrycznych pojazdów trakcyjnych WKŁ
Warszawa 1960