Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые полупроводниковые приборы. Учебно-методическое пособие
.pdf
i
F
R
разряда конденсатора фильтра
c
напряжение
ния силового ключа
u
на нем уменьшается, достигая к моменту размыка-
o
t
некоторой минимальной величины
1
(рис. 4.1, ж).
Силовой ключ S разомкнут
C
. По мере разряда конденсатора
o
U
)n(mio
В момент времени t1 отпирающий импульс
с управляющего
y
электрода силового ключа S снимается (рис. 4.1, г) и он выключается,
в результате чего эквивалентная схема замещения приобретает вид,
показанный на рис. 4.1, в.
Источник питания E разомкнутым ключом S отключен от осталь-
ной части схемы.
К накопительной индуктивности L через вступивший в работу диод
D
прикладывается в обратном направлении остаточное напряжение
o
на конденсаторе емкостного фильтра
без пульсаций в виде среднего значения
тромагнитной энергии, запасенной на предыдущем интервале, ток
C
(на рис. 4.1, д оно показано
o
U
). Однако благодаря элек-
o
i
L
через индуктивность продолжает протекать в том же самом направлении. При этом он замыкается через вступивший в работу диод
C
нагрузку и конденсатор емкостного фильтра
его и тем самым несколько увеличивая напряжение
, частично подзаряжая
o
u
на нагрузке
o
D
o
(рис. 4.1, ж).
По мере того как все большая часть энергии, запасенной в накопительном реакторе, передается в нагрузку
i
ток
уменьшается (рис. 4.1, е). К моменту t2 очередного замыкания
L
и емкость фильтра
o
C
o
силового ключа S он достигает своего минимального на периоде повторения значения
C
к этому же моменту времени достигает своего наибольшего значе-
o
ния
U (рис. 4.1, ж).
)x(mao
I Напряжение
n()mi.L
u
на конденсаторе фильтра
o
Далее рассмотренные выше процессы будут просто повторяться.
,
,
51
4.2. АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
s
s
f
F
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В задачу системы управления DC/DC-преобразователя входит
формирование и регулирование по длительности импульсов управления, осуществляющих переключение полностью управляемого силового ключа S, которым в нашем случае является MOSFET.
Алгоритм функционирования системы управления поясняют временные диаграммы (рис. 4.2). Речь в данном случае идет о системе,
реализующей так называемую широтно-импульсную модуляцию импульсов управления.
Рис. 4.2. Опорный сигнал и сигнал управления (а);
импульсы управления силовым ключом (б)
Опорный сигнал
нарастающего пилообразного напряжения (
одом повторения
u
в системе управления формируется в виде
оп
оп max оп
T
. Частота повторения этого сигнала
0Uu
) с пери-
1/
T
s
определяет частоту коммутации полностью управляемого ключа S в
силовой схеме.
Положительные импульсы управления
формируются системой
у
управления на интервале времени, в течение которого управляющий сиг-
U
нал
импульсов
превышает по величине опорный сигнал
y
t
, а следовательно, и время замкнутого состояния ключа S
оп
можно теоретически регулировать в пределах
чину сигнала управления в диапазоне значений
52
u
. Длительность этих
оп
0 stT
оп
0.UU
yопmax
, изменяя вели-
Связь между величиной сигнала управления и относительным временем включенного состояния D силового ключа S определяется соотношениями
TT
s
TU U
UU
s
оп max y
1
11
D
оп max оп max
U
y
,
откуда следует, что
.UDU
yопmax
(4.1)
4.3. ОПИСАНИЕ МАКЕТА ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ
Макет схемы силовых цепей
Модель схемы силовых цепей вентильного преобразователя, исследуемого в лабораторной работе № 4 с использованием программного обеспечения, приведена на рис. 4.3. Эта модель включает в себя помимо уже знакомых нам по предыдущим лабораторным работам элементов силовой схемы три новых элемента: источник постоянного
C
напряжения E, конденсатор
и MOSFET в качестве полностью
o
управляемого силового ключа S.
Модель конденсатора как модуля программного обеспечения создается точно так же, как и модели других пассивных элементов схе-
мы, например, уже знакомых нам резистора или индуктивности.
Рис. 4.3. Модель схемы силовых цепей Buck-Boost
53
Макет системы управления
s
F
Используемый в лабораторной работе № 4 вариант модели системы
управления показан на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Модель системы управления
В модели:
U
блок
с периодом повторения
оп
формирует нарастающий пилообразный опорный сиг-
оп
T
и амплитудой
s
U
оп max
= 10 B от-
нал
1)
U
носительно оси времени, как это показано на рис. 4.2, а;
блок источник постоянного напряжения GC формирует задание
2)
на величину сигнала управления;
блок ограничения LIM ограничивает подаваемый на его вход
3)
сигнал сверху и снизу на заданных уровнях 0,5 B и 9,5 B. Выходной
сигнал этого блока используется в качестве сигнала управления
U
y
(рис. 4.2, а);
компаратор COMP, сравнивая два сигнала, вырабатывает поло-
4)
жительные прямоугольные импульсы на интервалах времени, когда
сигнал управления
U
превышает по величине опорный сигнал
y
u
оп
(рис. 4.2, б);
блок, обозначенный как ON, – это драйвер силового ключа
5)
MOSFET;
порт с именем
6)
передает импульсы с выхода драйвера ON на
затвор MOSFET в качестве отпирающих импульсов управления.
54
4.4. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОМУ ЗАНЯТИЮ
D
D
L
E
Индивидуальные исходные данные
Набор индивидуальных исходных данных для выполнения лабораторной работы № 4 представляется в таблице.
R
,
U
,
Номер
варианта
E, B Io, A fs,
Гц
D
ном ΔIL
*
ΔU
DS(on)
*
o
Ом
F(TO)
B
r
T
Ом
,
D2
D
1
Алгоритм расчета параметров макета моделируемой системы
Приведенные ниже расчетные соотношения позволяют определить
параметры моделируемой системы в предположении, что все элементы силовой схемы идеальные.
1. Среднее значение напряжения на нагрузке
D
UE
o
1
(4.2)
.
2. Величина сопротивления нагрузки
U
RI (4.3)
o
o
.
o
3. Среднее значение тока силового ключа (тока источника питания)
D
(4.4)
II
So
1
.
4. Среднее значение тока в накопительной индуктивности
III
LSo
.
(4.5)
5. Размах пульсаций тока в накопительной индуктивности
*
III
LLL
.
(4.6)
6. Величина накопительной индуктивности
L
If
55
D
.
(4.7)
s
7. Размах пульсаций напряжения на нагрузке
D
R
R
s
F
*
UUU
ooo
.
(4.8)
8. Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра
I
o
C
o
.
(4.9)
Uf
os
Задания
1. Используя приведенные выше соотношения (4.2)–(4.9), определить параметры макета моделируемой системы при номинальной относительной длительности включенного состояния силового ключа
DD
напряжения на нагрузке
.
н
2.
Определить, используя (4.2), величину среднего значения
U
1o
и
U
при значениях
2o
DD
1
и
DD
2
соответственно.
3.
Определить, используя (4.3), величину сопротивлений нагрузки
и
1o
номинальному, если
, при которых среднее значение тока в нагрузке будет равно
2o
U
соответствует значениям
o
DD
1
и
DD
2
.
4.5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Этап предварительной подготовки
1. Запустить программное обеспечение в своей рабочей папке.
2. Составить имитационную модель системы.
3. Задать параметры элементов в модели силовой схемы в соответствии с индивидуальными исходными данными.
4. Задать в блоке GC модели системы управления величину задания
на номинальный сигнал управления, соответствующую заданному значению относительной длительности включенного состояния силового
D
ключа
ном
.
6. Задать в блоке «Часы» величину шага счета не более чем
T
s
t
1
.
100 100
56
Эксперимент при номинальном сигнале управления,
D
D
R
D
R
соответствующем
DD
ном
1. Запустить процесс моделирования.
2. Документировать графическую информацию о напряжении ис-
u
точника питания E и напряжения на нагрузке
. В установившемся
o
режиме работы зафиксировать средние значения указанных переменных. Проанализировать полученные результаты.
3. Документировать графическую информацию о токе силового
ключа
i
, анодном токе
S
i
диода D и тока
i
в накопительной индук-
L
тивности. В установившемся режиме определить интегральные параметры этих переменных (амплитудные, средние и действующие зна-
чения). Проанализировать полученные результаты.
4. Документировать графическую информацию о напряжениях на
силовом ключе S и на диоде D. В установившемся режиме определить
максимальную величину блокируемого этими приборами напряжения.
Проанализировать полученные результаты.
Эксперимент при сигнале управления,
D
соответствующем
1
1. Задать в блоке GC модели системы управления величину задания
на сигнал управления, соответствующую значению
D
.
1
2. Задать сопротивлению нагрузки ранее вычисленную величину
.
1o
3. Повторить численный эксперимент, описанный для номинальной
величины сигнала управления, с измененными исходными данными.
Эксперимент при сигнале управления,
D
соответствующем
2
1. Задать в блоке GC модели системы управления величину задания
D
на сигнал управления, соответствующую значению
.
2
2. Задать сопротивлению нагрузки ранее вычисленную величину
.
2o
3.Повторить численный эксперимент, описанный для номинальной
величины сигнала управления, с измененными исходными данными.
57
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Нарисуйте эквивалентную электрическую схему замещения
Buck-Boost-преобразователя.
2.
Поясните функциональное назначение индуктивности L в иссле-
дуемой схеме.
Поясните, в чем заключается отличие MOSFET от тиристора в
3.
качестве силового ключа.
Поясните функциональное назначение MOSFET в исследуемой
4.
схеме.
Доказательно подтвердите или опровергните утверждение: «При
5.
значении сигнала управления
U > 5 напряжение на нагрузке по абсо-
y
лютной величине меньше напряжения источника питания».
Поясните функциональное назначение диода в исследуемой схеме.
6.
Поясните функциональное назначение емкости C
7.
в исследуемой
o
схеме.
Доказательно подтвердите (или опровергните) утверждение:
8.
«Среднее значение тока диода равно среднему значению тока в
нагрузке».
Используя результаты численных экспериментов, поясните ха-
9.
рактер влияния величины сигнала управления на форму тока, протекающего через силовой ключ S.
Используя результаты численных экспериментов, поясните ха-
10.
рактер влияния величины сигнала управления на форму тока, протекающего через диод.
Используя результаты численных экспериментов, поясните ха-
11.
рактер различия в токовой загрузке силового ключа S в схеме при зна-
чениях
DD
ном
12.
Используя результаты численных экспериментов, поясните ха-
и
DD
.
2
рактер различия в токовой загрузке диода D в схеме при значениях
DD
13.
и
ном
Определите величину мощности основных потерь в силовом
ключе S и в диоде D при значении
.DD
2
DD
ном
.
58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие по специальности «Промышленная электроника» / Г.С. Зиновьев. – Новосибирск: Издво НГТУ, 2009. – 671 с.: ил., схемы.
2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов. – М.:
Высшая школа, 1982. – 496 с.
3. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники / В.С. Руденко,
В.И. Сенько, И.М. Чиженко. – М.: Высшая школа, 1980. – 424 с.
4. Полупроводниковые выпрямители / под ред. Ф.И. Ковалева и
Г.П. Мостковой. – М.: Энергия, 1978. – 448 с.
5. Тугов Н.М.. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов /
Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков и др. // под ред. В.А. Лабунцова. – М.:
Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
6. Заболев Р.Я. Многослойные силовые полупроводниковые приборы:
учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ. 1999. – Ч. 1. – 73 с.
7. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. – М.:
Энергия, 1974. – 256 с.
8. Конев Ю.И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами. – М.; Л.: Энергия, 1964. –
120 с.
9. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной
аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1981. – 224 с.
10. Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы: справочник. –
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
59
Решетников Александр Николаевич
Гейст Андрей Викторович
Дубкова Регина Юрьевна
Волков Александр Геннадьевич
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
Учебно-методическое пособие
Редактор И.Л. Кескевич
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
_________________________________________________________________________________
Подписано в печать 05.03.2018. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.
Уч.-изд. л. 3,48. Печ. л. 3,75. Изд. № 286/17. Заказ № 439. Цена договорная
_________________________________________________________________________________
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
СИЛОВЫЕ
ПРИБОРЫ
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]