Силовая электроника - Учебно-методическое пособие к лабораторным работам
.pdfиспользуется для обработки данных в пакете расширения Signal Processing Toolbox. При этом данные должны сохраняться построчно (array). Для активизации пакета расширения Signal Processing Toolbox необходимо в командной строке Matlab ввести команду sptool. При этом появится окно
SPTool пакета расширения Signal Processing Toolbox.
Для импорта вектора в среду SPTool необходимо в меню «File» выбрать команду «Import». После этого открывается окно Import to SPTool. В первой области этого окна «Source» (Источник) выбирается переключатель «From Workspace» (из рабочего пространства). Во второй области окна Import to SPTool Workspace Contents (содержимое рабочего пространства) высвечивается надпись Lab_6_3. Далее следует нажать кнопку со стрелкой, указывающей на поле ввода Data. После этого в третьей области окна в поле ввода данных Import As появится имя выбранной переменной (из блока Multimeter), в поле Sampling frequency (частота дискретизации) необходимо ввести значение частоты, равное обратной величине шага моделирования. В поле ввода Name (имя) указывается имя, под которым введенный вектор будет записан в среде SPTool. После нажатия кнопки OK импорт сигнала будет осуществлен. Станет доступной кнопка Create под областью Spectra, что позволяет оценить спектральную плотность выбранных сигналов. Нажатие этой кнопки вызовет появление окна просмотра спектра импортированного окна Signals Viewer. Для оценки и проведения вычислений спектральных свойств исследуемого сигнала требуется выбрать и отметить метод вычисления спектра в левой части окна, с последующим нажатием кнопки Apply.
Указания к выполнению работы
1.Ознакомиться с виртуальной установкой для исследования регулировочных характеристик однофазного управляемого выпрямителя при работе на активноиндуктивную нагрузку с противо-ЭДС и обратным диодом.
2.Исходные значения параметров источника питания, трансформатора, нагрузки выбираются по исходным данным лабораторной работы №1 (согласно номера бригады).
3.Исследование регулировочной характеристики управляемого однофазного выпрямителя осуществляется на модели (рис. 3.3) при нулевом значении противо-ЭДС и изменении угла управления от 0 до 180 градусов с шагом 30 градусов. Результаты моделирования занести в табл.3.1 для каждого значения угла управления.
21
Таблица 3.1.
|
Измерения |
|
|
|
|
, град |
|
U H , В |
|
|
|
|
|
|
4. Исследование регулировочной характеристики управляемого однофазного выпрямителя осуществляется на модели (рис. 3.3) при ненулевом значении противо-ЭДС (задается преподавателем) и изменении угла управления от 0 до 180 градусов с шагом 30 градусов. Результаты моделирования занести в табл. 3.2 для каждого значения угла управления.
Таблица 3.2.
|
Измерения |
|
|
|
|
, град |
|
U H , В |
|
|
|
|
|
|
5. Исследование внешних характеристик однофазного управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС и обратным диодом осуществляется изменением величины противо-ЭДС нагрузки от 100 В до 0 В с шагом 20 В. Внешние характеристики снимаются для трех значений угла управления выпрямителем ( = 0°, 30°, 60°), при этом моделирование проводится для каждого значения противо-ЭДС и угла управления. Результаты моделирования заносятся в табл.3. 3
Таблица 3.3
Данные |
|
|
|
|
|
|
Измерения |
|
|
|
|
|
|
Вычисления |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
I |
H |
U |
H |
I |
1(1) max) |
|
IVS ср |
I |
VS д |
U |
VD max |
I |
VD max |
S |
P |
P |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1(1) |
1(1) |
H |
||||||
град |
В |
|
А |
|
В |
|
А |
град |
А |
|
А |
|
В |
|
А |
ВА |
Вт |
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.Определить амплитуду первой гармоники в источнике питания и начальную фазу тока по показаниям Display1, тока и напряжения на нагрузке - по показаниям Display2. Мгновенные значения этих величин наблюдать на экране осциллоскопа. Результаты занести в табл.3.3.
7.Пронаблюдать и определить максимальные значения напряжения и тока тиристора управляемого выпрямителя в графическом окне блока Multimeter. Результаты занести в табл.3.3.
22
8. Определить средний IVS ср и действующий IVS д ток тиристора по
показаниям Display2. Результаты занести в табл.3.3.
9. Исследовать спектральный состав тока, потребляемого управляемым выпрямителем при ненулевом значении угла управления (задается каждой бригаде преподавателем) в пакете расширения Signal Processing Toolbox. Записать в рабочую область исследуемый сигнал под именем Lab_6_3, учитывая, что используется Matlab_6, а лабораторная работа №3. Используя описанные выше средства просмотра сигнала, можно просмотреть спектр исследуемого сигнала. По результатам измерений заполняется правая часть таблицы 3.4. При этом y1 , y - значения, определенные из полученного
спектра (рис.3.9), I1 (1)max |
- ток, считывается с дисплея в амперах. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.4 |
|
Измерения |
|
|
|
Вычисления |
|
|
y2 .....y |
|
I1 (1)max (А) |
I1 (2)max |
…… |
I1 ( )max |
|
|
|
|
|
|
|
Расчетная часть
1. Вычислить значения полной и активной мощности, потребляемой выпрямителем от источника питания по первой гармонике и значение мощности в нагрузке по выражениям:
|
S |
|
|
U1MAX I1(1)MAX |
|
(ВА), |
P |
|
S |
|
|
cos |
. P |
U |
|
I |
|
. |
||||
|
1(1) |
|
|
1(1) |
H |
H |
||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
1(1) |
|
|
|
1 |
H |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2. |
Рассчитать потери в тиристоре по выражению: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
P |
U |
VS |
I |
VSñð |
I |
VSä |
R . |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
VS |
|
|
|
|
VS |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3. |
Рассчитать |
абсолютные |
значения |
|
гармонических |
|
|
составляющих |
||||||||||||||
потребляемого тока в амперах по формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
I1 ( )max y I1 (1)max ,
y
1
где - номер гармоники, I1 () - амплитуда тока –ой гармоники в амперах, y1 , y - значения, определенные из полученного спектра (рис.3.9), I1 (1)max - ток, считанный с дисплея в амперах.
Содержание отчета
1.Схемы установки (электрическая и виртуальная).
2.Выражения для расчета основных характеристик.
3.Построенная по результатам табл.3.3 внешняя характеристика управляемого выпрямителя U H f (I H ) .
4. Построенные энергетические характеристики |
S |
, P |
, P |
f (P ) ; |
|
1(1) |
1(1) |
VS |
H |
23
I1(1) max, IVS ср , IVS д f (IH ) |
на одном рисунке. |
5. Построенная |
регулировочная характеристика U H f ( ) (по |
таблицам 3.1, 3.2). |
|
6.Спектральный состав тока потребления (по таблице 3.4).
7.Сравнение полученных результатов с теоретическими зависимостями.
8.Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Какими основными параметрами характеризуется управляемый выпрямитель?
2.Что такое угол управления?
3.Какой диапазон регулирования допустим для однофазного мостового управляемого выпрямителя?
4.Какова длительность проводящего состояния тиристора?
5.В чем отличие работы управляемого выпрямителя на противо-ЭДС?
6.Какие высшие гармонические составляющие присутствуют в спектре тока, потребляемого из сети?
7.От каких факторов зависит фазовый сдвиг первой гармоники сетевого тока?
Литература
1.Воскобович В.Ю., Королева Т.Н., Павлова В.А. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств. Учебник. Л.: Элмор, 2000.
2.Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК. СПб.: Корона принт, 2002.
3.Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005
24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИСЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО РЕВЕРСИВНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Цель работы
Исследование реверсивного трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на различные виды нагрузки:
Схема моделирования
Влабораторной работе используется виртуальная установка (рис. 4.1) для исследования реверсивного трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на различные виды нагрузки.
Вее состав входят:
-Источник трехфазного синусоидального напряжения (Three-Phase Source).
-Трехфазный тиристорный мост (Universal Bridge).
-Активно-индуктивная нагрузка (R, L).
-Измерители мгновенных токов в источнике питания (I1) и нагрузке (ILoad), мгновенного напряжения на нагрузке (ULoad).
-Блок для измерения гармонических составляющих тока питания (FourierI1), постоянной составляющей (среднего значения) тока нагрузки
(FourierI0), напряжения на нагрузке (FourierU0).
-Блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope).
-Блок для наблюдения и измерения мгновенных значений величин, выбранных в поле Measurement соответствующих блоков (Multimeter).
-Блок для измерения амплитудного значения первой гармоники тока и фазы в цепи питания (Display), средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display 1), среднего и действующего тока тиристора (Display 2).
Влабораторной работе в качестве источника используется источник трехфазного синусоидального напряжения (Three-Phase Source). В полях настройки задается действующее значение линейного напряжения (Phase-to- phase rms voltage (V)) в вольтах, начальная фаза напряжения (Phase angle of phase A (Degrees)) в градусах, частота напряжения (Frequency, Hz) в герцах, соединение фаз источника (Internal connection), внутренние параметры источника (сопротивление в Омах и индуктивность в Генри).
25
|
|
|
|
rev_3f |
magnitude |
|
|
0.008081 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
signal |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-15.55 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
angle |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
To Workspace |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fourier I1 |
|
|
Display |
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
A |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
B |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
Load current |
|
|
|
Scope |
|
|
|
|
|
|
B |
|
+ |
|
|
|
||
Three-Phase Source |
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|||
|
|
|
- |
|
i |
|
- |
|
Load Voltage |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
C |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
V Load |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
magnitude |
|
|||
|
|
|
|
|
Universal Bridge |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I Load |
|
|
|
signal |
100 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
angle |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.0005402 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fourier V0 |
|
|
|
|
|
alpha_deg |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
magnitude |
Display1 |
|
v |
|
AB |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
- |
|
|
|
|
|
RL |
|
|
|
signal |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
angle |
|
|
|
|
|
BC |
pulses |
|
|
|
|
|
Fourier I0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
v |
|
|
|
CA |
|
|
|
|
|
|||
- |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Block |
|
|
|
Conn1 |
||||
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Synchronized |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
v |
|
1 |
|
|
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Conn2 |
||||||
- |
|
|
6-Pulse Generator |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Switching system |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ideal Switch4 |
|
magnitude |
|
|
|
|
signal |
|
|
|
|
angle |
3.469e-017 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Fourier T0 |
0.002524 |
NOT |
g |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Multimeter |
|
|
|
1 |
signal rms |
Display2 |
|
Ideal Switch5 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
RMS T |
|
|
|
Рис. 4.1. Модель реверсивного трехфазного мостового преобразователя
Посмотрите в окно настройки параметров выпрямителя, в его полях задано количество ветвей моста (Number of bridge arms), параметры цепей переключения тиристоров (Snubber resistance, Snubber capacitance), тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power Electronic device); динамическое сопротивление (Ron, Ohms), индуктивность (Lon, H) и начальное напряжение (Forward voltage, V) на диоде в открытом состоянии. В поле Measurement выбираются величины, измеряемые блоком Multimeter.
Посмотрите в окно настройки параметров нагрузки. Для реализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R- L-C цепи в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавливается значение активного сопротивления в Омах, индуктивности в генри, в третьем поле (Capacitance C, F) устанавливается бесконечность (inf).
В окне настройки параметров блока Fourier I1 устанавливается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.
Блоки FourierI0, FourierU0 измеряют постоянные составляющие выходного тока и напряжения. Основная частота выходного напряжения (тока) в мостовом трехфазном выпрямлении равна трем удвоенным частотам источника (f = 300 Гц). В поле (Harmonic n) задается номер гармоники. При измерении постоянной составляющей устанавливается n = 0.
Окно приборов Display для измерения значений исследуемых процессов показано на рис. 4.6. В первом поле задается формат представления измеряемых значений. Второе поле (Decimation) определяет периодичность вывода измеряемых значений в окне Display. Параметр Sample time задает дискретность вывода измеряемых значений. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.
Посмотрите в окно настройки блока Multimeter, в левом поле (Available) высвечиваются все напряжения и токи универсального моста. В правом поле (Selected) отражены те переменные, которые измеряет блок (эти значения перенесены из левого поля в правое кнопкой «>>»). Переменные правого поля можно измерить на выходе блока внешними приборами.
Посмотрите в окно настройки блока Ideal Switch. Модель ключа Ideal Switch состоит из последовательно соединенных резистора Ron и ключа SW. Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если на управляющий вход подан единичный положительный сигнал (g > 1). Выключение прибора происходит при уменьшении управляющего сигнала до нуля (g = 0). В поле Internal Resistance Ron (Ohms) задается сопротивление во включенном состоянии (Ом). В поле Initial state (0 for 'open', 1 for 'closed') устанавливается начальное состояние: параметр задается
27
равным 0 для открытого состояния ключа и 1 для закрытого состояния. В поле Snubber resistance Rs (Ohm) задается сопротивление демпфирующей цепи (Ом). В поле Snubber capacitance Cs (F) задается емкость демпфирующей цепи (Ф). Show measurement port (Показать измерительный порт): при установленном флажке на пиктограмме блока появляется выходной порт m, на котором формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент - ток ключа, второй - напряжение ключа.
Switching system – система ключей, меняющих полярность ЭДС.
Блок То Workspace предназначен для передачи исследуемого сигнала в рабочее пространство среды Matlab с последующей обработкой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармонического спектра тока потребления.
В первое поле окна настройки (Variable name) введено название переменной для записи измеренного вектора в рабочее пространство. Во втором поле (Limit date points to last) вводится предельное число шагов моделирования, то есть определена длина вектора (количество записанных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и со временем поля Sample time. Частота исследуемого сигнала в рассматриваемом случае равна 50 Гц (период 0,02 с). При времени считывания сигнала 2е-4 на периоде считывается 100 точек. Из этого следует, что в рабочую область при длине вектора 200 будут записаны два последних периода исследуемого сигнала.
Получение спектра описано в лабораторной работе № 3.
Указания к выполнению работы
1. Ознакомиться с виртуальной установкой для исследования регулировочных характеристик реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно - индуктивную нагрузку и нагрузку с противо-ЭДС.
Таблица 4.1
|
Измерения |
|
|
|
|
, град |
|
U H , В |
|
|
|
2. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме осуществляется на модели (рис. 4.1) при нулевом значении противо-ЭДС (на вход Ideal Switch4 подается «0») и изменении угла управления от 0 до 120 градусов с шагом 20
28
градусов. Результаты моделирования занести в табл. 4.1 для каждого значения угла управления.
3. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме осуществляется при ненулевом значении противо-ЭДС (задается преподавателем) (на вход Ideal Switch и Ideal Switch 4 подается «1») и изменении угла управления от 0 до 120 градусов с шагом 20 градусов. Результаты занести в табл. 4.2 для каждого значения угла управления.
Таблица 4.2
|
Измерения |
|
|
|
|
, град |
|
U H , В |
|
|
|
4. Исследование внешних характеристик реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо-ЭДС осуществляется изменением величины противо-ЭДС нагрузки от 100 В до 0 В с шагом 20 В. Внешние характеристики снимаются для трех значений угла управления выпрямителем ( = 0°, 30°, 60°), при этом моделирование проводится для каждого значения противо-ЭДС и угла управления. Результаты моделирования заносятся в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Данные |
|
|
|
|
Измерения |
|
|
|
Вычисления |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
E, |
Uн, |
Iн, |
I1(1)max, |
φ1, |
IVSср, |
IVSд, |
UVSmax, |
IVSmax, |
S1(1), |
P1(1), |
Pн, |
град |
В |
В |
А |
А |
град |
А |
А |
В |
А |
ВА |
Вт |
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в инверторном режиме осуществляется на модели (рис. 4.1) (на вход IdealSwitch подается «0», на вход IdealSwitch4 подается «1») при изменении угла управления от 90 до 110 градусов с шагом 10 градусов. Характеристики снимаются для трех значений ЭДС нагрузки 200, 300, 400 В. Результаты моделирования занести в табл. 4.4 для каждого значения угла управления.
Таблица 4.4.
Данные |
|
|
|
Измерения |
|
|
|
Вычисления |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
E, |
Uн, |
Iн, |
I1(1)max, |
φ1, |
UVSmax, |
IVSmax, |
S1(1), |
|
P1(1), |
Pн, |
град |
В |
В |
А |
А |
град |
В |
А |
ВА |
|
Вт |
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
29
Амплитуда первого тока в источнике питания и начальная фаза этого тока определяются по показаниям Display, ток и напряжение в цепи постоянного тока инвертора определяются по показаниям Display1. Следует обратить внимание, что при положительном токе, напряжение в цепи постоянного тока отрицательно. Кроме того, фаза тока в цепи питания сдвинута относительно напряжения питания на -110 градусов. Все это свидетельствует о том, что энергия передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока.
6. Исследование спектрального состава тока, генерируемого инвертором в сеть, осуществляется при одном значении угла управления (задается преподавателем) в пакете расширения Signal Processing Toolbox. В рабочую область записывается исследуемый сигнал под именем rev_3f. Используя описанные выше средства просмотра сигнала, можно просмотреть спектр исследуемого сигнала. По результатам измерений заполняется левая часть таблицы 4.5. При этом y1 , y - значения, определенные из полученного спектра, I1 (1)max - ток, считывается с дисплея в амперах.
|
|
|
|
|
Таблица 4.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измерения |
|
|
Вычисления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y1.....y |
I1 (1)max (А) |
I1 (2)max |
…… |
I1 ( )max |
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчетная часть
1. Вычислить значения полной и активной мощности, потребляемой выпрямителем в выпрямительном режиме от источника питания по первой гармонике и значение мощности по выражениям:
S |
|
|
3U1MAX I1(1)MAX |
(ВА), P |
S |
|
cos |
, |
P |
U |
|
I |
|
. |
1(1) |
|
1(1) |
Н |
Н |
||||||||||
|
|
2 |
1(1) |
|
1 |
|
Н |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Вычислить значения полной и активной мощности, генерируемой выпрямителем в инверторном режиме в сеть переменного тока по первой гармонике и значение мощности по выражениям:
S |
|
|
3U1MAX I1(1)MAX |
(ВА), P |
S |
|
cos |
, |
P |
U |
|
I |
|
. |
1(1) |
|
1(1) |
Н |
Н |
||||||||||
|
|
2 |
1(1) |
|
1 |
|
Н |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Рассчитать абсолютные значения гармонических составляющих тока в амперах по формуле:
I1 ( )max y I1 (1)max ,
y
1
30