Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя с симметричным законом управления.

1. Цель работы

Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симметричным законом управления при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с.

2. Содержание работы

2.1. Исследование регулировочных и энергетических характеристик мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симметричным законом управления при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с.

3. Описание виртуальной лабораторной установки

Виртуальная лабораторная установка для исследований по п.2.1 показана на рис. 6.6.1. Она содержит:

• источник постоянного напряжения (240 В);

• активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (R, L), (Е);

• измерители мгновенных токов в источнике питания (I1) и нагрузке

(I Load);

• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);

• блок для измерения среднего значения тока питания (Fourier I1);

• блок для измерения среднего значения тока нагрузки (Fourier I0);

• блок для измерения среднего значения напряжения на нагрузке

(Fourier U0);

• блок для измерения среднего значения тока силового полупровод-

никового модуля (FourierТ0);

• блок для измерения действующего значения тока силового полу-

проводникового модуля (RMS Т);

• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в

цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);

• Multimeter блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений

величин, которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков;

• блок для измерения величины среднего значения тока в цепи питания (Display 1):

• блок для измерения величин средних значений тока и напряжения

на нагрузке, а также среднего и действующего тока в силовом полупроводниковом модуле (Display);

• однофазный мостовой транзисторный ШИП (Universal Bridge 2

arms);

• блок управления ШИП (Control system);

• блоки Mux и Demux для собирания и разделения сигналов.

Рис 6.6.1 Модель широтно-импульсного преобразователя

Окно настройки параметров источника питания показано на рис. 6.6.2.

Рис. 6.6.2 Окно настройки параметров источника питания

В поле настройки задается величина напряжения в вольтах (Amplitude, V).

Окно настройки параметров транзисторного ШИП показано на рис. 6.6.3.

Рис. 6.6.3 Окно настройки параметров транзисторного ШИП

В полях настойки заданы:

• количество ветвей моста (2) в поле Number of bridge arms;

• конфигурация входных и выходных портов (Port configuration);

• параметры демпфирующих цепей (Snubber resistance, Snubber capacitance);

• тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power

Electronic device);

• динамическое сопротивление полупроводникового модуля открытом состоянии в Омах (Ron, Ohms);

• пороговое напряжение на транзисторе и диоде модуля в открытом

состоянии в вольтах (Forward voltage, V);

• время спада и время затягивания (хвоста) выключения (Tf, Tt) в

секундах.

В поле Measurement выбраны величины, которые измеряются блоком Multimeter.

Модель блока управления (Control system) показана на рис. 6.6.4.

Блок Repeating Sequence из главной библиотеки Simulink/Sources является генератором пилообразного напряжения (ГПН). Параметры этого генератора задаются в окне параметров (рис. 6.6.5).

В исследуемой модели установлены следующие параметры ГПН:

• амплитуда пилообразного напряжения - 2 В;

• период пилообразного напряжения Т₀ = 0,002 с. (частота f₀ - 500 Гц).

На вход блока управления (порт In1, рис. 6.6.1) подается постоянный сигнал задания управления.

Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 6.6.6. Для реализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R, L, С цепи в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавливается значение активного сопротивления в Омах и индуктивности в генри, в третьем поле (Capacitance С, F) - бесконечность (inf).

В окнах настройки параметров блоков Fourier I1, Fourier I0, Fourier U0, Fourier ТО (рис. 6.6.1) устанавливается частота равная частоте напряжения ГПН (500 Гц) и номер нулевой гармоники. Окно блока для измерения действующего тока в полупроводниковом модуле (RMS Т) показано на рис. 6.6.7. В поле окна вводится частота, на которой производится измерение (в данном случае - это частота ГПН).

Рис. 6.6.4 Модель блока управления (Control System)

Рис. 6.6.5. Окно задания параметров ГПН

Рис. 6.6.6 Окно задания параметров нагрузки

Рис. 6.6.7 Окно блока для измерения действующего тока

4. Порядок проведения лабораторной работы

Исследование регулировочных и энергетических характеристик мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симметричным законом управления при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. проводится на виртуальной установке (рис. 6.6.1), подробное описание которой приведено выше.

Параметры источника питания, нагрузки и транзисторного моста задаются преподавателем. При самостоятельном изучении их целесообразно задать такими же, как на рис. 6.6.2, 6.6.3, 6.6.6. Параметры моделирования задаются на вкладке Simulation/Configuration parameters (рис. 6.6.8).

Рис. 6.6.8 Параметры моделирования

При снятии характеристик параметры R, L нагрузки остаются без изменений, изменяется напряжение управления от -2В до 2В с шагом 0,5 В. Характеристики снимаются для трех значений э.д.с. нагрузки 0, 100, 200 В.

При этом моделирование проводится для каждого значения напряжения управления и э.д.с. Результаты моделирования и последующих вычислений заносятся в табл. 6.6.1.

Табл. 6.6.1

Данные

Измерения

Вычисления

град

Вт

Средний ток в источнике питания определяется по показаниям Display 1. На блоке Display (рис. 6.6.1) измеряемые величины представлены в следующей последовательности:

(1) Средний ток нагрузки. (2) Среднее напряжение на нагрузке. (3) Средний ток в силовом полупроводниковом модуле. (4) Действующий ток в силовом полупроводниковом модуле. Мгновенные значения тока питания, нагрузки и напряжения на нагрузке можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 6.6.9.)

Рис. 6.6.9 Ток питания, ток нагрузки и напряжение на нагрузки ШИП

В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.6.10) наблюдаются и определяются максимальные напряжение и ток силового полупроводникового модуля.

Рис. 6.6.10 Напряжение и ток силового транзистора

Окно настройки параметров блока Multimeter показано на рис. 6.6.11. В правое поле помещены переменные, подлежащие измерению. При этом существенна последовательность, в которой эти переменные помещены в правом поле. В такой же последовательности они представлены на выходе блока Demux (рис. 6.6.1). Включенный флажок Plot selected measurements обеспечивает появление графического окна (рис. 6.6.10) по окончании моделирования.

Относительная продолжительность импульса напряжения на нагрузке определяется по формуле:

, где - период напряжения ГПН, определяется по осциллограмме Load Voltage (рис. 6.6.9) на оси абсцисс (т. е. при напряжении 0В).

Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выражению: , (Вт), где - напряжение питания.

Квазистатические потери в силовом полупроводниковом модуле рассчитываются по уравнению:

где , , ,- параметры силового модуля (рис. 6.6.3), а I_VT, I_VT(RMS)- его средний и действующий ток (табл. 6.6.1).

Мощность в нагрузке определяется по выражению:

, (Вт).

По результатам табл. 6.6.1 строятся:

• регулировочные характеристики ШИП ;

• энергетические характеристики ШИП , , , , , .

Рис. 6.6.11 Окно настройки параметров блока Multimeter

5. Содержание отчета

5.1. Схема виртуальной установки.

5.2. Выражения для расчета основных характеристик.

5.3. Регулировочные характеристики при трех заданных э.д.с. нагрузки.

5.4. Энергетические характеристики при трех заданных э.д.с. нагрузки.

5.5. Выводы по работе.