Введение
Методические указания для выполнения лабораторных работ разработаны в соответствии с программой дисциплины "Силовая преобразовательная техника" для студентов специальности 140604 очной, очно-заочной и заочной формы обучения.
Целью настоящих методических указаний является развитие у студентов навыков самостоятельного компьютерного моделирования электрических схем с использованием элементов силовой электроники. Компьютерное моделирование осуществляется на основе программного продукта MATLAB 6.5.
Использование данного программного продукта позволяет компьютерное моделирование практически любых электрических схем, с выводом результатов моделирования на принтер, высокую скорость и точность моделирования.
Данные методические указания представлены в восьми лабораторных работах. Каждая лабораторная работа содержит краткие теоретические сведения, программу работы, задания для самостоятельного выполнения, в которых подробно рассмотрены следующие элементы силовой электроники диоды; тиристоры; IGBT - транзисторы, что охватывает весь спектр современной силовой электроники.
Методические указания могут быть использованы в качестве лабораторного практикума для студентов других специальностей, которым кафедра "Электрификация и энергоэффективность горных предприятий" читает дисциплины электротехнического профиля.
Автор выражает особую благодарность профессорско- преподавательскому составу кафедры "Электрификация и энергоэффективность горных предприятий" Московского государственного горного университета за методическую помощь при написании данных указаний.
Лабораторная работа №3 Исследование трехфазного однополупериодного выпрямителя
Цель работы: Ознакомится с работой трехфазного однополупериодного выпрямителя переменного тока с помощью компьютерного пакета MATLAB.
Краткие теоретические сведения: На промышленные предприятия в большинстве случаев поступает трехфазное переменное напряжение. Однако, помимо потребителей переменного напряжения существует ряд потребителей большой мощности постоянного напряжения. К таким потребителям можно отнести двигатель постоянного тока (ДПТ). Ввиду этого требует рассмотрения схема трехфазного однополупериодного выпрямителя. Данный выпрямитель состоит из трех полупроводниковых выпрямительных диодов, включенных по одному в каждую фазу источника трехфазного напряжения с одной стороны и совместно соединенных с другой. В результате чего при положительном полупериоде переменного напряжения соответствующий полупроводниковый прибор открывается, и через него начинает протекать ток. Процесс выпрямления является идентичным, как и в однофазном однополупериодном выпрямителе. Ввиду того, что в трехфазном переменном напряжении сдвиг между фазами является постоянным и составляет 120 , происходит выпрямление переменного напряжения с незначительной величиной искажения. Применение многофазных схем выпрямителей снижает загрузку полупроводниковых приборов по току, уменьшает коэффициент пульсаций и повышает частоту пульсаций выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания.
Программа лабораторной работы: Моделирование трехфазною однополупериодного выпрямителя при помощи программы MATLAB заключается в следующем:
7. Сборка соответствующей схемы выпрямителя при помощи программного продукта MATLAB;
8. Изменяя параметры элементов схемы выпрямителя согласно указаниям по проведению лабораторной работы, получаем соответствующие осциллограммы;
9. Анализ полученных результатов компьютерного моделирования.
Выполнение лабораторной работы: На рис.12 представлена схема трехфазного однополупериодного выпрямителя. Данный выпрямитель состоит из следующих элементов: источника трехфазного переменного напряжения (Programmable Voltage Source), трехфазного универсального
Рисунок 12 Функциональная схема однополупериодного трехфазного
выпрямителя выполненная с использованием программного продукта
MATLAB
измерителя (Three-Phase V-I Measurement), трех полупроводниковых диодов (Diode), измерителей напряжения и тока (Voltage Measurement, Current Measurement), нагрузки (Series RLC Load), осциллографа (Scope).
Ввиду того, что некоторые из элементов схемы были рассмотрены в предыдущих работах, остановимся лишь на ранее не рассмотренных элементах.
Источник трехфазного переменного напряжения (Programmable Voltage Source) — расположен в библиотеке SimPowerSystem в разделе Electrical Sources. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на элемент, открывается окно с параметрами (рис. 13). В данном окне задаются параметры источника переменного напряжения, в частности, величина напряжения (Amplitude), сдвиг между фазами (Phase), частота источника питания (Frequency). Кроме того, возможны различные изменения данных величин относительно временных параметров, для этого служит окошко Time variation. По окончании задания параметров необходимо нажать клавишу ОК.
Трехфазный измеритель (Three-Phase V-l Measurement) расположен в библиотеке SimPowerSystem в разделе Measurements. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.14). Данный элемент имеет возможность для измерения следующих величин: межфазное напряжение (phase - to - phase), напряжение фаза — земля (phase — to - ground), кроме того имеется возможность для измерения величины трехфазного тока.
После задания всех параметров моделирования на рабочей панели нажимаем клавишу start, после окончания моделирования левой клавишей мышки нажимаем на "осциллограф" и фиксируем результат моделирования (рис.15).
Лабораторная работа №4
Исследование трехфазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя
Цель работы: Ознакомится с работой трехфазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя переменного тока с помощью компьютерного пакета MATLAB.
Краткие теоретические сведения: Мостовой трехфазный, двухполупериодиый выпрямитель представляет собой схему, состоящую из шести полупроводниковых диодов, включенных параллельно-последовательным способом. Данное соединение принято назвать диодным мостом. Электронный прибор (диодный мост) может быть выполнен как непосредственным соединением отдельных шести полупроводниковых диодов, так и в качестве единого целого полупроводникового прибора (диодная сборка). В настоящее время существует широкий выбор диодных сборок, рассчитанных на широкий диапазон токов и напряжений. Ввиду того, что выходные характеристики мостового трехфазного выпрямителя значительно лучше, нежели у однополупериодного выпрямителя, данная разновидность выпрямителей, выполненных на полупроводниковых диодах занимает ведущую позицию в качестве трехфазных, неуправляемых выпрямителей, что делает данное устройство весьма популярным в использовании. Кроме того, преимуществом мостовой схемы выпрямителя, по отношению к однополупериодной схеме, является наличие не трех, как у однополупериодной схемы, а шести полупроводниковых диодов, что позволяет уменьшить токовую нагрузку диода, а также уменьшить коэффициент пульсации и увеличить частоту пульсаций. Увеличенная частота пульсаций позволяет более простым способом обеспечить сглаживание выпрямленного напряжения.
Программа лабораторной работы: Моделирование трехфазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя при помощи программы MATLAB заключается в следующем:
10.Сборка соответствующей схемы выпрямителя при помощи
программного продукта MATLAB;
11.Изменяя параметры элементов схемы выпрямителя согласно указаниям по проведению лабораторной работы, получаем соответствующие осциллограммы; 12. Анализ полученных результатов компьютерного моделирования.
Выполнение лабораторной работы: На рис.16 представлена схема трехфазного однополупериодного выпрямителя. Данный выпрямитель состоит из следующих элементов: источника трехфазного переменного напряжения (Programmable Voltage Source), трехфазного универсального измерителя (Three-Phase V-I Measurement), шести полупроводниковых
19
диодов (Diode), измерителей напряжения и тока (Voltage Measurement, Current Measurement), нагрузки (Series RLC Load), осциллографа (Scope).
Ввиду того, что все элементы схемы были рассмотрены в предыдущих лабораторных работах, нет необходимости в повторном рассмотрении.
После задания всех параметров элементов и параметров моделирования на рабочей панели нажимаем клавишу start, после окончания моделирования левой клавишей мышки нажимаем на "'осциллограф'' и | / фиксируем результат моделирования (рис.17).
Задание по выполнению лабораторной работы:
13.Изменяя параметры источника переменного тока от 127В до 380В, рассмотреть поведение смоделированной системы и заполнить соответствующую таблицу 1.
Таблица 1 Данные компьютерного моделирования системы
16.По результатам выполненного задания сделать соответствующие выводы по изменению тока и напряжения в зависимости от изменяемой частоты источника переменного тока, по изменению активной и реактивной составляющей нагрузки.
21
Рисунок 17 Результаты моделирования трехфазного мостового выпрямителя
Лабораторная работа №5
Исследование трехфазного двухполупериодного (мостового) управляемого выпрямителя
Цель работы: Ознакомится с работой трехфазного двухполупериодного (мостового) управляемого выпрямителя переменного тока с помощью компьютерного пакета программ MATLAB.
Краткие теоретические сведения: Современный выпрямитель -регулируемый выпрямитель. Поскольку большинство сетей предприятия являются трехфазными, требует рассмотрения трехфазный двухполупериодный (мостовой) управляемый выпрямитель. Нагрузкой управляемого выпрямителя, в большинстве случаев, является двигатель постоянного тока (ДПТ). Использование данного вида преобразователя позволяет регулировать величину скорости вращения якоря двигателя в широких пределах. Мостовой трехфазный управляемый выпрямитель состоит из шести полупроводниковых тиристоров. В настоящее время существует несколько разновидностей тиристоров. Классическим тиристором (SCR - тиристор) считается однооперационный тиристор. Кроме этого, современным является двухоперациный тиристор (СТО - тиристор).
Классический тиристор имеет три устойчивых состояния: когда положительный потенциал подается на анод, отрицательный на катод, а на управляющий электрод ничего не подается - через тиристор ток не протекает (запертое состояние); положительный потенциал подается на катод, отрицательный - на анод, на управляющий электрод ничего не подается -через тиристор ток не протекает (запертое состояние); когда положительный потенциал подается на анод, отрицательный на катод, на управляющий электрод подается импульс управления - через тиристор начинает протекать ток (открытое состояние). Основной недостаток данного полупроводникового прибора в том, что невозможно подачей управляющего импульса прекратить прохождение тока (закрыть) через тиристор. Закрытие тиристора осуществляется изменением полярности на положительном и отрицательном электродах. Достоинством данного полупроводникового прибора являются: низкая стоимость; большая пропускная способность токов; низкие потери; возможность параллельной работы; высокая надежность.
ОТО - тиристор также имеет достоинства одно из таких - способность к управляемому запиранию. Недостатки данного прибора следует считать: высокая стоимость; сложную схему управления; большие потери на переключения.
Управляемый выпрямитель может быть выполнен, как из отдельных тиристоров, так и с помощью тиристорной сборки, в состав которой входит некоторое число тиристоров, соединенных между собой определенным образом и помещенных в единый корпус. Для управления выпрямителем предусмотрен генератор управляющих импульсов, который в определенной последовательности посылает сигнал на управляющий электрод конкретного тиристора. Изменяя частоту подаваемых импульсов управления, имеется возможность для регулирования величины напряжения на выходе тиристорного преобразователя.
Программа лабораторной работы: Моделирование трехфазного двухполупериодного (мостового) управляемого выпрямителя при помощи программы MATLAB заключается в следующем:
Сборка соответствующей схемы выпрямителя при помощи программного продукта MATLAB;
Изменяя параметры элементов схемы выпрямителя согласно указаниям по проведению лабораторной работы, получаем соответствующие осциллограммы;
Анализ полученных результатов компьютерного моделирования.
Выполнение лабораторной работы: на рис. 18 представлена схема трехфазного управляемого выпрямителя, выполненного при помощи компьютерного пакета программ MATLAB. Схема выпрямителя состоит из следующих элементов: трех источников переменного напряжения (АС Voltage Source), трехфазного тиристорного моста (6-pulse Thyristor bridge), генератора импульсов управления тиристорами (Discrete Synchronized 6-pulse generator), четырех измерителей напряжения (Voltage Measurement), измерителя тока (Current Measurement), нагрузки (Series RLC Load), осциллографа (Scope), двух констант (Constant).
Ввиду того, что некоторые из элементов были рассмотрены в предыдущих лабораторных работах, акцентируем внимание на ранее не рассмотренных.
Трехфазный тиристорный мост (6-pulse Thyristor bridge) расположен в библиотеке SimPowerSystem в разделе Extra Library. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.19). В данном окне присутствуют такие параметры, как: сопротивления тиристора во включенном состоянии (Thyristor on state resistance); индуктивность тиристора во включенном состоянии (Thyristor on state inductance); сопротивления и емкость в выключенном состоянии тиристора (Snubber resistance, Snubber capacitance).
Генератор импульсов управления тиристорами (Discrete Synchronized 6-pulse generator) расположен в библиотеке SimPowerSystem в разделе Extra Library. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.20). В данном окне присутствуют такие параметры как: длительность импульса управления в градусах (Pulse width); время шага импульса (time step). Кроме этих изменяемых параметров к данному элементу подсоединены изменяемые константы (Constant) (рис.21). Константа 1 регулирует частоту открывания тиристоров (изменяя тем самым величину напряжения на нагрузке), константа 2 служит для синхронизации преобразователя частоты с частотой источников переменного тока.
24
Рисунок 18 Функциональная схема трехфазного управляемого выпрямителя выполненная с использованием программного продукта MATLAB
После задания параметров моделирования и элементов, входящих в состав схемы, на рабочей панели нажимаем клавишу start, после окончания моделирования левой клавишей мышки нажимаем на "осциллограф' и \/ фиксируем результат моделирования (рис.22).
Задание по выполнению лабораторной работы:
1. Изменяя параметры блока управления тиристорами, рассмотреть поведение системы и заполнить соответствующую таблицу 1.
Таблица 1 Данные компьютерного моделирования системы
3. По результатам выполненного задания сделать соответствующие выводы по зависимости величины угла управления тиристоров, а также активной и реактивной составляющих нагрузки на величины напряжения и тока нагрузки.