Лаба 5 / Моделирование_в_ЭТ_Лабораторная_работа_№5_Токарев_0421

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РАПС

отчет

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Моделирование в электротехнике»

ТЕМА: «Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя с симметричным законом управления»

Студент гр. 0421		Токарев А.А.
Преподаватель		Армашев А.А.

Санкт-Петербург

2024

Цель работы: Исследование регулировочной и энергетических характеристик мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симметричным законом управления при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-эдс.

Основные теоретические сведения

Рисунок 1 – Схема установки

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) связывают источник постоянного тока с двигателем постоянного тока. Они должны обладать следующими свойствами:

• двусторонней проводимостью энергии между источником питания и исполнительным двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, для обеспечения его работы во всех квадрантах механической характеристики;

• малым и не зависящим от тока выходным сопротивлением для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и динамических характеристик электропривода;

• жесткой внешней характеристикой и малой инерционностью, высоким КПД, достаточной перегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода;

• высокой помехозащищенностью и надежностью, малой массой и габаритами, отсутствием влияния на сеть.

В области коммутируемых токов более 50 А основными приборами силовой электроники являются силовые модули на базе IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 1800 А и напряжении до 4,5 кВ.

Упрощенная принципиальная схема ШИП представлена на рисунке 1. Она содержит четыре транзисторных ключа TK1-ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена нагрузка, эквивалентная двигателю постоянного тока с регулированием по цепи якоря.

Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря - симметричный, когда в состоянии переключения находятся все четыре транзистора моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. Преимуществом симметричного метода управления является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. К недостаткам относят двухполярное напряжение на нагрузке и связанные с этим повышенные пульсации тока нагрузки.

Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления

При включении диагонали моста VT1, VT4 и выключении VT2, VT3, образуется цепь +U_п, VT1, R_н, L_н, E, VT4, −U_п для протекания тока нагрузки. К нагрузке в этом интервале прикладывается напряжение U_п, а ток увеличивается от I_min до I_max. На транзисторах VT2, VT3 напряжение равно U_п. Это напряжение является отрицательным для диодов VD2, VD3, и ток через них равен 0. При включении диагонали VT2, VT3 и выключении VT1, VT4 ток, поддерживаемый индуктивностью нагрузки, продолжает протекать в том же направлении по цепи −U_п, VD2, R_н, L_н, E, VD3, +U_п, в которой ток нагрузки протекает навстречу

э.д.с. и источнику питания. На этом интервале напряжение на нагрузке изменяет знак, а ток уменьшается.

Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП

Генератор пилообразного напряжения (ГПН), тактируемый генератором импульсов (Г), вырабатывает пилообразное напряжение. Схема сравнения (СС) представляет собой релейный элемент, который переключается с плюса на минус и обратно, в момент равенства U_упр = U_ГПН. Для управления ШИП распределитель импульсов (РИ) имеет прямой и инверсные выхода. Эти импульсы, усиленные усилителем (У), поступают на базы транзисторов диагоналей моста в противофазе (рисунок 4).

Рисунок 4 – Напряжение на ГПН и ключах

Соберем схему установки в Simulink. Схема установки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема установки в MATLAB Simulink

Параметры блоков DC Voltage Source, Universal Bridge, Series RLC Branch, Fourier I1, Fourier I0, Fourier V0, Fourier T0, RMS T представлены на рисунках 6-13.

Рисунок 6 – Параметры блока DC Voltage Source

Рисунок 7 – Параметры блока Universal Bridge

Рисунок 8 – Параметры блока Series RLC Branch

Рисунок 9 – Параметры блока Fourier I1

Рисунок 10 – Параметры блока Fourier I0

Рисунок 11 – Параметры блока Fourier V0

Рисунок 12 – Параметры блока Fourier T0

Рисунок 13 – Параметры блока RMS T

Система управления ШИП выполнена в блоке Control System. Его схема представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Блок Control System

Параметры блоков Repeating Sequence и Relay представлены на рисунках 15 и 16.

Рисунок 15 – Параметры блока Repeating Sequence

Рисунок 16 – Параметры блока Relay

Изменяя напряжение управления от -2 В до 2 В с шагом 0,5 В, измерим и рассчитаем основные характеристики преобразователя. Внешние характеристики снимем при трех значениях противо-эдс нагрузки (E = 0 В, 100 В, 200 В). Результаты моделирования занесем в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты моделирования

Данные		Измерения
E	Uу	Iн	U­н	I1	IT	IT(RMS)	UTmax	ITmax	tи
В	В	А	В	А	А	А	В	А	с
0	-2	-19,67	-196,7	19,67	0	0	242	0	0,002
	-1,5	-14,37	-147,3	11,06	1,84	5,19	242	14,94	0,00138
	-1	-9,71	-97,37	4,88	2,42	4,84	242	10,13	0,00125
	-0,5	-4,73	-47,39	1,21	1,76	2,88	242	5,26	0,00112
	0	0,001	0,03	0,03	0,02	0,245	242,6	1,12	0,001
	0,5	4,73	47,37	1,21	2,97	3,77	247,3	5,31	0,0008
	1	9,72	96,56	4,88	7,30	8,43	252,1	10,18	0,00075
	1,5	14,72	147,3	11,06	12,89	13,78	256,9	14,98	0,00062
	2	19,67	196,7	19,67	19,67	19,67	120	19,67	0
100	-2	-28	-180	28	0	0	242	0	0,002
	-1,5	-23,07	-130,7	17,31	2,88	8,14	242	23,28	0,00138
	-1	-18,05	-80,7	9,05	4,50	9,00	242	18,47	0,00125
	-0,5	-13,06	-30,69	3,29	4,88	7,97	242	13,58	0,00112
	0	-8,06	-20,11	0,03	4,01	5,68	242	8,63	0,001
	0,5	3,04	69,3	0,73	1,82	2,41	242	3,60	0,0008
	1	1,38	114	0,71	1,05	1,23	243,8	1,84	0,00075
	1,5	6,38	163,9	4,79	5,59	5,98	248,6	6,64	0,00062
	2	11,33	213,3	11,33	11,33	11,33	70	11,33	0
200	-2	-36,33	-163,3	36,33	0	0	242	0	0,002
	-1,5	-31,37	-114,0	23,54	3,92	11,07	242	31,6	0,00138
	-1	-26,38	-63,94	13,21	6,58	13,17	242	26,79	0,00125
	-0,5	-21,38	-13,94	5,32	8,00	13,07	242	21,91	0,00112
	0	-16,38	-36,76	0,03	8,18	11,56	242	16,96	0,001
	0,5	11,38	85,97	2,82	7,10	8,98	242	11,93	0,0008
	1	6,38	136,1	3,17	4,77	5,52	242	6,84	0,00075
	1,5	1,357	186,2	1,02	1,19	1,29	242	1,63	0,00062
	2	3	230	3	3	3	20	3	0

Относительная продолжительность импульса напряжения на нагрузке определяется по формуле:

где T₀ = 0,002 с – период напряжения ГПН, а t_и – определяется по осциллограмме напряжения на нагрузке на оси абсцисс (при напряжении 0 В).

Мощность в цепи источника питания рассчитывается по формуле:

где U_п = 240 В – напряжение питания.

Квазистатические потери в силовом модуле рассчитываются по формуле:

где U_f = 2 В, U_fd = 2 В, R_on = 1 Ом – параметры силового модуля.

Мощность в нагрузке определяется по выражению:

Рассчитаем относительную продолжительность импульса напряжения на нагрузке, мощность в цепи источника питания, а также квазистатические потери в силовом модуле и мощность в нагрузке, согласно формулам (1) – (4). В качестве примера расчета приведем первое измерение.

Рассчитаем относительную продолжительность импульса напряжения на нагрузке, мощность в цепи источника питания, а также квазистатические потери в силовом модуле и мощность в нагрузке для остальных измерений. Полученные результаты занесем в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты вычислений

Данные		Вычисления
E	Uу	γ	P1	PT	Pн
В	В	-	Вт	Вт	Вт
0	-2	1	4720,8	0	3869,09
	-1,5	0,69	2654,4	30,6161	2116,7
	-1	0,625	1171,2	28,2656	945,463
	-0,5	0,56	290,4	11,8144	224,155
	0	0,5	7,2	0,10003	0,00003
	0,5	0,4	290,4	20,1529	224,06
	1	0,375	1171,2	85,6649	938,563
	1,5	0,31	2654,4	215,668	2168,26
	2	0	4720,8	426,249	3869,09
100	-2	1	6720	0	5040
	-1,5	0,69	4154,4	72,0196	3015,25
	-1	0,625	2172	90	1456,64
	-0,5	0,56	789,6	73,2809	400,811
	0	0,5	7,2	40,2824	162,087
	0,5	0,4	175,2	9,4481	210,672
	1	0,375	170,4	3,6129	157,32
	1,5	0,31	1149,6	46,9404	1045,68
	2	0	2719,2	151,029	2416,69
200	-2	1	8719,2	0	5932,69
	-1,5	0,69	5649,6	130,385	3576,18
	-1	0,625	3170,4	186,609	1686,74
	-0,5	0,56	1276,8	186,825	298,037
	0	0,5	7,2	149,994	602,129
	0,5	0,4	676,8	94,8404	978,339
	1	0,375	760,8	40,0104	868,318
	1,5	0,31	244,8	4,0441	252,673
	2	0	720	15	690

По данным таблиц 1и 2 построим регулировочные характеристики ШИП U_н = f(γ), а также энергетические характеристики ШИП P₁ = f(P_н), P_T = f(P_н), I_1max = f(I_н), I_TRMS = f(I_н), I_T = f(I_н), I_Tmax = f(I_н) при различных значениях противо-эдс. Характеристики представлены на рисунках 17-23.

Рисунок 17 – Регулировочные характеристики ШИП

Рисунок 18 – Энергетические характеристики ШИП P₁ = f(P_н)

Рисунок 19 – Энергетические характеристики ШИП P_T = f(P_н)

Рисунок 20 – Энергетические характеристики ШИП I_1max = f(I_н)

Рисунок 21 – Энергетические характеристики ШИП I_TRMS = f(I_н)

Рисунок 22 – Энергетические характеристики ШИП I_T = f(I_н)

Рисунок 23 – Энергетические характеристики ШИП I_Tmax = f(I_н­)

Осциллограммы тока питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке при U_у = 1 В, R_н = 10 Ом, E = 0 В представлены на рисунке 24.

Рисунок 24 – Осциллограммы тока питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке

Осциллограммы напряжения на транзисторе и тока через транзистор представлены на рисунке 25.

Рисунок 25 – Осциллограммы напряжения на транзисторе и тока через транзистор

Выводы