Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Інститут енергозбереження та енергоменеджменту Кафедра автоматизації управління електротехнічними комплексами

Методичні вказівки до лабораторної роботи

Дослідження статичних характеристик системи нереверсивний транзисторний перетворювач напруги – двигун постійного струму з курсу: «Теорія електроприводу» для студентів спеціальності 8.092203 «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод»

ЗАТВЕРДЖЕНО на засіданні кафедри автоматизації  управління електротехнічними комплексами Протокол № 11 від « » ________ 2011

КИЇВ 2011

Дослідження статичних характеристик системи нереверсивний транзисторний перетворювач напруги – двигун постійного струму// Методичні вказівки до лабораторної роботи з дисципліни «Теорія електроприводу» для студентів спеціальності 8.092203 «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод». / Укл.: В.М. Пермяков, А.В. Торопов - К.: НТУУ «КПІ» ІЕЕ, 2011. - 22 с.

Укладачі: к.т.н. доц. В.М. Пермяков

к.т.н., ас. А.В. Торопов

Комп’ютерна підготовка: А.В. Торопов

Зміст

1.	Мета роботи……………………………………………...............	4
2.	Теоретичні відомості…................................................................	4
3.	Завдання………………………………………………………….	13
4.	Опис лабораторного стенду…………………...………………..	14
5.	Програмований логічний контролер Drive PLC EPL-10200…	15
6.	Запуск і порядок роботи з системою…………..........................	17
7.	Розрахункова частина лабораторної роботи.............................	19
8.	Зміст звіту…………………………………….............................	20
9.	Контрольні питання…………………………………..................	21
10.	Література……………….….........................................................	22

1. Мета роботи

Ознайомлення з принципом роботи широтно-імпульсного перетворювача та отримання механічних характеристик розімкненої та замкненої системи „Нереверсивний транзисторний перетворювач напруги – двигун постійного струму” (НТПН-ДПС).

2. Теоретичні відомості

Одним із способів регулювання напруги споживачів є метод імпульсного регулювання напруги. Існує два способи імпульсного регулювання: перший – широтно-імпульсна модуляція напруги (ШІМ) – зміна інтервалу провідності ключа при постійній частоті включення, другий – частотно-імпульсна модуляція напруги (ЧІМ) – зміна частоти перемикань при постійному інтервалі провідності. При цьому регулюється відносний час провідності ключа, від чого в свою чергу залежить велична середньої напруги на навантаженні.

Перетворювачі що дозволяють здійснювати широтно-імпульсне регулювання напруги на навантаженні називають широтно-імпульсним перетворювачем (ШІП)

Класифікація ШІП постійної напруги:

1) Залежно від можливості зміни полярності напруги на навантаженні ШІП поділяються на:

– реверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою, різною тривалістю й полярністю за один період;

– нереверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою й полярністю, але різною тривалістю.

Нереверсивні ШІП діляться на паралельні й послідовні.

У послідовних вентиль включається послідовно навантаженню, при цьому напругу на навантаженні одержують не вище вхідної. У паралельних ШІП робочий вентиль включається паралельно навантаженню. Характерною рисою паралельних ШІП є можливість одержання на навантаженні напруги вище напруги живлення, однак такі перетворювачі потребують встановлення накопичувачів енергії (дроселів).

2) Залежно від способів комутації ШІП розрізняються на:

– ШІП із залежними вузлами комутації (залежні);

– ШІП з автономними вузлами комутації (незалежні).

Функціональна схема та часові діаграми роботи нереверсивного послідовного широтно-імпульсного перетворювача представлені на рис. 1.

а)	б)

Рисунок 1 – Схема нереверсивного ШІП (а) та його часові діаграми роботи (б)

При аналізі широтно-імпульсних перетворювачів будемо вважати що: вентилі є ідеальними ключами із часом перемикання що наближається до нуля, внутрішній опір джерела дорівнює нулю.

Робота ШІП на активно-індуктивне навантаження. Для захисту вентиля від перенапруг на вході ШІП ставиться фільтр.

Середнє значення напруги на навантаженні:

, (1)

де - коефіцієнт заповнення імпульсів, – час включеного стану вентилю, – цикл роботи ШІП.

ШІП найбільшою мірою задовольняють основним вимогам, що пред'являються до напівпровідникових перетворювачів систем електроприводу:

– одержання хороших статичних і динамічних характеристик електропривода в цілому;

– практична відсутність зони переривчастих струмів;

– достатня перевантажувальна здатність для забезпечення форсування в перехідних режимах роботи електропривода;

– високий ККД;

– жорсткість зовнішньої характеристики і мала інерційність;

– висока перешкодозахищеність і надійність;

– мала маса і габарити;

– практична відсутність впливу на мережу живлення.

Силова частина перетворювача побудована на основі UltraFast IGBT транзисторного ключа. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – являє собою біполярний p-n-p транзистор, керований від порівняно низьковольтного MOSFET-транзистора (MOSFET – польові транзистори з ізольованим затвором) з індукованим каналом (рис. 2).

а)	б)

Рисунок 2 –Еквівалентна схема ІGBT транзистора (а) та його умовно-графічні позначення (б)

Узагальнена функциональна схема системи керування швидкістю ДПС з НЗ за структурою з підсумовуючим підсилювачем представлена на рис.3.

Рисунок 3 - Функціональна схема системи керування електроприводом

Якірна обмотка двигуна М живиться від нереверсивного транзисторного перетворювача напруги UZ. – напруга на виході випрямляча, – вхідна напруга випрямляча (напруга завдання випрямляча). Характерною особливістю структури з підсумовуючим підсилювачем є те, що формується як вихідний сигнал підсилювача з коефіцієнтом підсилення , на вхід якого подається сумарний сигнал напруг завдання швидкості та зворотних зв’язків за струмом якоря і швидкості . формується за допомогою шунта RS. Використовується або додатний, або від’ємний зворотний зв’язок за струмом (додатному на рис.3 відповідає знак „+”, від’ємному – „-”). формується за допомогою тахогенератора. Використовують, як правило, лише від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю.

Робоча характеристика перетворювача в статичному режимі апроксимується прямою

, (2)

де I – струм перетворювача (якоря двигуна); RП – внутрішній опір перетворювача; KПР – коефіцієнт передачі перетворювача без навантаження ( ).

В динаміці перетворювач апроксимується аперіодичною ланкою першого порядку.

, (3)

де Tμ – мала стала часу, яка визначається інерційністю фільтрів перетворювача та запізненням при відкриванні тиристорів.

Структурна схема системи керування на основі структурної схеми ДПС з НЗ та функціональної схеми рис.3 представлена на рис.4.

Рисунок 4 - Структурна схема системи керування

На рис.4 введені наступні позначення: KI, Kω – коефіцієнти зворотних зв’язків за струмом якоря та швидкістю. J – сумарний приведений до валу двигуна момент інерції установки; M – момент на валу двигуна; – момент опору на валу двигуна; – добуток конструктивної сталої двигуна і номінального потоку збудження; – сумарний активний опір якірного кола; – стала часу якірного кола.

На основі структурної схеми при p=0 можна отримати рівняння статичних характеристик

, (4)

де ω – швидкість обертання двигуна; верхній знак відповідає додатному зворотному зв’язку, нижній – від’ємному.

Розглянемо найбільш характерні випадки.

1. Розімкнена система керування (KI = 0, Kω = 0).

Рівняння (4) прийме вигляд

, (5)

де - швидкість холостого ходу; - жорсткість електромеханічної характеристики.

Вигляд статичних характеристик представлено на рис.5.

Рисунок 5 - Статичні характеристики розімкненої системи керування

2. Система керування з додатним зворотним зв’язком за струмом ( ≠ 0, Kω = 0).

Рівняння (4) прийме вигляд:

, (6)

де ; .

. (7)

Швидкість холостого ходу двигуна при організації додатного зворотного зв’язку за струмом якоря не змінюється. Жорсткість в залежності від величини KI може бути від’ємною або додатною.

Умови абсолютної жорсткості електромеханічної характеристики ( ):

. (8)

При , - характеристики абсолютно м’які.

Статичні характеристики системи керування представлено на рис.6.

При = const і < 0 система керування є нестійкою, тому на практиці обмежується граничною величиною (8).

Розглянемо фізику процесів. Нехай на валу двигуна збільшився момент опору . Тоді відповідно збільшився струм якоря I і зменшились швидкість ω і напруга перетворювача . Напруга зросте, що викличе зростання і швидкості ω. В залежності від величини буде компенсовано якусь частину просідання швидкості, швидкість повернеться до попереднього значення або перевищить його (рознос).

Рисунок 6 - Статичні характеристики системи керування з додатним зворотним зв’язком за струмом

3. Система керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю ( = 0, Kω ≠ 0)

Рівняння (4) прийме вигляд

, (9)

де ; .

Звідси можна зробити висновок, що:

. (10)

. (11)

При введенні від’ємного зворотного зв’язку за швидкістю швидкість холостого ходу двигуна зменшується, а жорсткість електромеханічної характеристики збільшується.

Гранична жорсткість характеристики

. (12)

Статичні характеристики представлені на рис.7.

Рисунок 7 - Статичні характеристики системи з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю

4. Система керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю та додатним за струмом ( ≠ 0, Kω ≠ 0)

Рівняння (4) прийме вигляд

, (13)

де ; .

. (14)

. (15)

Швидкість холостого ходу двигуна знижується за рахунок введення від’ємного зворотного зв’язку за швидкістю.

Абсолютна жорсткість досягається при

. (16)

Статичні характеристики представлені на рис.8.

Рисунок 8 - Статичні характеристики системи керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю та додатним за струмом

Напруги вибрані такими, щоб усі характеристики виходили з однієї точки (0, ).