Работа 8ml. Исследование импульсных регуляторов напряжения

Цель работы

Исследование понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения при работе на активно-емкостную нагрузку.

Методические указания

Изучите рекомендации по исследованию моделей электротехнических устройств в MatLab (см. Приложение).

Содержание работы

Исследование регулировочной и энергетических характеристик по-нижающего регулятора постоянного напряжения при работе на активно-емкостную нагрузку.

Описание модели

Откройте окно MatLab, нажмите File/Open, откройте папку work/8ML, найдите и откройте файл psb_8ml. Модель понижающего регулятора постоянного напряжения (рис. 8.1) содержит следующие блоки из библиотек Simulink и SimPowerSystem:

• источник постоянного напряжения DC Voltage Sourse (E) из SimPowerSystem/Electrical Sourses;

• активно-емкостную нагрузку Parallel RLC Branch (Load) из SimPowerSystem/Elements;

• промежуточный накопитель энергии Series RLC Branch (Filter) из SimPowerSystem/Elements;

• силовой транзисторный модуль (IGBT) из SimPowerSystem/Power Electronics;

• диод (Diode) из SimPowerSystem/Power Electronics;

• генератор импульсов (Pulse Generator) для управления модулем IGBT из Simulink/Sourses;

• мультиметр (Muitimeter) из SimPowerSystem/Mesurements;

• блоки для измерения средних значений тока источника питания (Fourier 1), напряжения нагрузки (Fourier 2), тока нагрузки (Fourier 4), амплитуды пульсаций напряжения нагрузки (Fourier 3) из SimPowerSystem /Extra library/Mesurements;

• блоки для наблюдения мгновенных значений тока и напряжения транзисторного модуля и диода (Scope1), напряжения на нагрузке и тока нагрузки (Scope2) из Simulink/Sinks;

Рис.8.1. Схема модели понижающего регулятора постоянного напряжения

• блоки для регистрации измеренных значений токов и напряжений (Display1 – Display4) из Simulink/Sinks;

• блоки для разделения сигналов (Demux1, Demux2) из Simulink/Signal routing.

Порядок проведения лабораторной работы

В окне настройки источника Е установить напряжение 100-10*N.

В окне настройки транзисторного модуля IGBT установите:

• сопротивление в открытом состоянии R_on =0.1;

• индуктивность в открытом состоянии L_on = 2e-6 );

• сопротивление обратного диода в открытом состоянии R_d =0.1;

• начальный ток коллектора I_c =0;

• параметры демпфирующей цепи (R_s = 10, C_s = 0.01e-6).

В окне настройки сглаживающего фильтра Filter установите активное сопротивление R=0.01, индуктивность L=0.02 и емкость С=inf).

В окне настройки нагрузки Load установить сопротивление нагрузки R=10+N, индуктивность параллельной цепи L = inf и емкость сглаживающего фильтра С =100e-6*N.

В окне настройки Diode установить:

• сопротивление в открытом состоянии R_on =0.1;

• индуктивность в открытом состоянии L_on= 5e-6 ;

• прямое падение напряжения V_f =0.8;

• начальный ток I_а =0;

• параметры демпфирующей цепи (R_s = 10 , C_s = 0.01e-6).

В окне настройки параметров генератора импульсов (Pulse Generator) установить:

Pulse type – Time based;

Amplitude 1;

Period T₀ =1e-3 (частота следования импульсов 1000 Гц);

Pulse width (%) γ=10

В окнах настройки параметров блоков Fourier 1, Fourier 2, Fourier 4, измеряющих средние значения токов и напряжений, установить основную частоту f₁=1000 и номер гармоники n=0.

В окне настройки параметров блока Fourier 3, измеряющего амплитуду напряжения пульсаций, установить основную частоту f₁=1000 и номер гармоники n=1.

В окне настройки параметров цифровых измерителей задайте формат short.

Регулировочная характеристика регулятора это зависимость напряжения нагрузки от относительной ширины импульсов при неизменных значениях напряжения источника питания и параметров нагрузки.

Откройте Simulation/Simulation parameter, задайте время моделирования 0.05, способ моделирования - с переменным шагом, метод расчета – ode 15s и запустите моделирование.

Результаты моделирования и последующих вычислений занесите в табл. 8.1.

Таблица 8.1. Исследование регулировочной характеристики.

Исходные данные модели E=200 B, R_L=10 Ом, С_L= 200е-6 Ф, L = 0.01 Гн

Пара-метр	Результаты измерений						Результаты вычислений
γ	ISourse, А	Uigbt.m В	Iigbt.max А	UL, В	IL, А	Upuls.m, B	PSourse Вт	PLoad Вт	η	КП

Средний ток источника питания I_Sourse равен среднему току модуля IGBT и определяется по показаниям Display I_IGBT, среднее напряжение на нагрузке - Display U_L, средний ток нагрузки - Display I_L, амплитуда пульсаций напряжения - Display U_puls.m .

Мгновенные значения тока i_L и напряжения u_L нагрузки можно наблюдать на экране осциллоскопа Scope 2(рис. 8.2,а).

Мгновенные значения тока транзисторного модуля i_IGBT, напряжения модуля u_IGBT, тока i_diod и напряжения u_diod диода можно наблюдать на экране осциллоскопа Scope (рис. 8.2,б). По этим же осциллограммам определяются максимальные значения напряжения на транзисторе U_IGBT.max и тока транзистора I_IGBT.max.

Рис.8.2. Результаты моделирования при Е=100 В, γ=20%, R_L =10 Ом, С_L=100e-6 Ф.

Измените относительную ширину импульсов и повторите моделирование для γ=20+5*N и γ=50+5*N.

Перерисуйте на бланк осциллограммы токов и напряжений модели для γ= 20+5*N.

Мощность источника питания P_Sourse, нагрузки P_Load, КПД регулятора η и коэффициент пульсаций К_П рассчитываются по выражениям:

P_Sourse = Е*I_Sourse, P_Load = U_Load*I_Load, η = P_Load /P_Sourse , К_П =U_П.m /U_Load.

Внешняя характеристика регулятора это зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки при неизменных значениях напряжения источника питания и относительной ширины импульсов.

В окне настройки параметров генератора импульсов (Pulse Generator) установите Pulse width (%) γ=90 -10*N.

В окне настройки параметров нагрузки (Load) установите R=10+N.

При снятии внешней характеристики относительная длительность импульсов генератора поддерживается неизменной, а активное сопротивление нагрузки уменьшается, например R = 8+N, R = 6+N и т.д. При этом моделирование проводится для каждого значения сопротивления нагрузки. Результаты моделирования и последующих вычислений заносятся в табл. 8.2.

Таблица 8.2. Исследование внешней характеристики

Исходные данные модели E=200 B, γ = 90%, С_L = 200е-6 Ф, L = 0.01 Гн

Пара-метр	Результаты измерений						Результаты вычислений
γ	ISourse, А	Uigbt.m В	Iigbt.max А	ULoad, В	ILoad, А	Upuls.m, B	PSourse Вт	PLoad Вт	η	КП

Перерисуйте на бланк осциллограммы токов и напряжений модели для γ=90 -10*N и максимальной мощности нагрузки.

По результатам исследований построить:

• регулировочную характеристики U_Load = f(γ);

• энергетическую характеристику регулятора η = f(γ)

• внешнюю характеристику U_Load = f(I_Load)

• энергетическую характеристику регулятора η = f(I_Load).