Автор: Герман-Галкин С. Г.
Теги: электроэнергетика электротехника электроника силовая электроника издательство корона принт серия компьютерная лаборатория
ISBN: 5-7931-0087-3
Год: 2002
Текст
Компьютерная Лаборатория
С. Г. Герман-Галкин
СИЛОВАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
Лабораторные работы на ПК
Санкт-Петербург
Учитель и ученик
КОРОНА принт
2002
ББК 31.21
Г38
Серия «Компьютерная лаборатория»
Герман-Галкин С. Г.
Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. — СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА
принт, 2002. — 304 с., ил.
ISBN 5-7931-0087-3
ISBN 5-7931-0087-3
© Издательский центр «Учитель и ученик», 2002.
«КОРОНА ПРИНТ»
Оптовая торговля:
(812) 259-68-17; (095) 148-35-12
E-mail: coronapr@online.ru
Книга — почтой: 191119, Санкт-Петербург,
а/я 55. Для К. П.
Сергей Германович Герман-Галкин
Силовая электроника
Лабораторные работы на ПК
Ответственный за выпуск Зимина М. С. Верстка Барышникова Т. К.
Редактор Синельников В. С. Обложка Чикулаев А. А. Чертежи Барышникова О. А.
Издательский центр «Учитель и ученик»
ООО «КОРОНА принт» ЛР № 065007 от 18.02.1997
198005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.
Издание подготовлено при участии ЗАО Издательство «БИНОМ»
Подписано к печати 24.06.2002. Формат 70x100 '/1Й. Бумага газетная.
Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Объем 19 п. л. Тираж 3000 экз. Заказ № 699
Отпечатано с готовых диапозитивов в ФГУП ордена Трудового Красного Знамени «Техническая книга»
Министерства Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций
198005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29
Оглавление
Предисловие ........................................................... 7
Глава 1. Виртуальные блоки пакетов
Simulink и Power System Blockset
1.1. Введение ........................................................ 11
1.2. Пакет Simulink-4 [4, 5, 7, 8, 9, ll]............................. 11
1.2.1 Math — библиотека математических функций .................... 13
1.2.2. Nonlinear — нелинейные блоки ............................... 15
1.2.3. Sinks — виртуальные приборы для наблюдения и
регистрации процессов ............................................. 16
1.2.4. Sources — источники сигналов................................ 22
1.3. Пакет расширения Power System Blockset [7, 8, 9]................. 23
1.3.1. Electrical Sources —
источники электрической энергии.................................... 24
1.3.2 Library Power Elements —
библиотека пассивных элементов .................................... 25
1.3.3. Power Electronics — библиотека
силовых элементов.................................................. 28
1.3.4. Connector-блоки связи между входами и выходами
моделей библиотеки Power System Blockset .......................... 30
1.3.5. Measurement — блоки измерений............................... 30
1.3.6. Powerlib Extras — расширенные библиотеки.................... 31
1.4. Операции с блоками [11] ......................................... 38
1.5. Интерактивная оболочка SPTool [8, 11]............................ 44
Глава 2. Силовые полупроводниковые приборы
2.1. Введение [2, 10, 18] ........................................... 53
2.2. Силовые
полупроводниковые диоды [3, 10, 13, 18]............................... 57
4 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
2.3. Тиристоры ...................................................... 62
2.4. Полностью управляемые GTO-тиристоры [13, 18] ................... 68
2.5. Биполярные транзисторы [13, 14, 15, 16] ........................ 71
2.6. Полевые MOSFET (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) транзисторы [13, 18]........................ 75
2.7. Биполярные IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторы [13] .... 79
2.8. Интегрально-модульные конструкции............................... 81
2.9. Предельные режимы работы транзисторов [13, 14] ................. 84
Глава 3. Силовые полупроводниковые преобразователи
с коммутацией от сети
3.1. Введение ....................................................... 93
3.2. Однофазные управляемые выпрямители [10, 18]..................... 94
3.3. Коммутация тока и внешние характеристики
однофазных управляемых выпрямителей [10, 18] ........................ 99
3.4. Трехфазные управляемые выпрямители............................. 106
3.5. Энергетические характеристики
управляемых выпрямителей [1, 10] ................................... 109
3.6 Ведомые сетью инверторы [10, 18]................................ 111
3.7. Высшие гармонические первичного тока управляемых выпрямителей
и ведомых сетью инверторов.......................................... 116
3.8. Непосредственные преобразователи частоты [10, 18].............. 118
Глава 4. Преобразователи
постоянного напряжения
4.1. Одноплечевой ШИП
с симметричным законом управлением [1, 2] .......................... 127
4.2. Мостовой широтно-импульсный
преобразователь [1, 2].............................................. 134
4.3. Энергетические характеристики
широтно-импульсных преобразователей [1, 17] ........................ 140
4.4. Импульсные источники питания постоянного тока [13]............. 143
4.5. Энергетические характеристики импульсных источников питания.... 146
Глава 5. Автономные инверторы
5.1. Введение ..................................................... 151
5
5.2. Однофазные автономные инверторы [15] ............................ 151
5.3. Трехфазные автономные инверторы [1, 3, 17, 18]................... 160
5.4. Гармонический состав выходного напряжения
трехфазного инвертора [10, 17]........................................ 168
5.5. Трехфазные тиристорные
автономные инверторы [3] ............................................. 170
5.6. Многоуровневые инверторы......................................... 174
5.7. Выпрямительный режим работы
автономных инверторов ................................................ 176
5.8. Основные характеристики инверторов............................... 178
Глава 6. Лабораторные работы
Лабораторная работа № 1.
Исследование однофазного
двухполупериодного выпрямителя..................................... 183
Лабораторная работа № 2.
Исследование трехфазного
двухполупериодного (мостового) выпрямителя ........................ 195
Лабораторная работа № 3.
Исследование однофазного
двухполупериодного управляемого выпрямителя........................ 204
Лабораторная работа № 4.
Исследование трехфазного
двухполупериодного управляемого выпрямителя........................ 214
Лабораторная работа № 5.
Исследование трехфазного инвертора,
ведомого сетью..................................................... 224
Лабораторная работа № 6.
Исследование мостового широтно-импульсного
преобразователя с симметричным законом управления ................. 230
Лабораторная работа № 7.
Исследование мостового
широтно-импульсного преобразователя
с несимметричным законом управления ............................... 239
Лабораторная работа № 8.
Исследование понижающего регулятора
постоянного напряжения............................................. 245
Лабораторная работа № 9.
Исследование повышающего регулятора
постоянного напряжения............................................. 253
6
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Лабораторная работа № 10.
Исследование однофазного (мостового)
инвертора с симметричным управлением ................................ 257
Лабораторная работа №11.
Исследование однофазного (мостового)
инвертора с несимметричным управлением .............................. 269
Лабораторная работа № 12.
Исследование трехфазного (мостового)
инвертора с симметричным управлением ................................ 277
Лабораторная работа № 13.
Исследование трехфазного (мостового)
инверторного выпрямителя............................................. 285
Лабораторная работа № 14.
Исследование трехуровневого инвертора............................. 291
Приложение. Трансформаторы ............................................. 299
Литература.............................................................. 301
Предисловие
Силовая электроника относится к числу наиболее быстро развива-
ющихся научных и технических дисциплин. Знания основ силовой
электроники необходимы специалистам в области электромеханики,
электроэнергетики, электропривода, электротехнологий и др.
Вузовские программы технических дисциплин соответствующих
специальностей предусматривают в обязательном порядке проведение
практических и лабораторных занятий. Эти занятия позволяют закре-
пить теоретические разделы и выработать у учащегося определенные
практические навыки.
Лабораторные работы по силовой электронике, как правило, проводят-
ся на физических макетах. Их полезность и необходимость неоспоримы.
Однако реальные лабораторные установки имеют ряд ограничений.
Прежде всего, они недостаточно универсальны, количество их в лабо-
ратории ограничено, работа на них небезопасна для учащегося и для
самой установки. Кроме того, эти работы, как правило, осуществляет-
ся в подгруппе из нескольких человек при этом невозможно дать ин-
дивидуальное задание каждому.
В последние годы все большее распространение получает так на-
зываемое дистанционное обучение. При такой форме обучения уча-
щийся практически не имеет возможности работы на реальных уста-
новках.
Расширить возможности учащихся вузов при освоении теоретичес-
ких и практических проблем силовой электроники и помочь тем, кто
учится самостоятельно, используя дистанционное или иные формы
обучения, призвано данное пособие.
Книга содержит шесть глав.
В первой главе приводится описание пакетов MatLab-Simulink, па-
кетов расширения Power System Blockset, Signal Processing Toolbox;
даны способы построения моделей.
8
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Во второй главе дано описание и основные характеристики совре-
менных силовых полупроводниковых приборов.
В третьей главе дано описание и основы анализа силовых полупро-
водниковых преобразователей с коммутацией от сети.
В четвертой главе рассмотрены полупроводниковые преобразовате-
ли постоянного напряжения.
В пятой главе рассмотрены автономные инверторы.
В шестой главе приведены методические указания к лабораторным ра-
ботам по всем разделам силовой электроники, представленным в книге.
Содержание работ, формы их проведения и способы представле-
ния результатов аналогичны тем, которые используются в реальных
учебных лабораториях. Автор опирался на опыт проведения лабора-
торных работ в лабораториях высших учебных заведений соответству-
ющего профиля как в России, так и в Польше.
Модели всех лабораторных работ записаны на дискету, которая
прилагается к книге. Для работы с этими моделями в компьютере
должен быть инсталлирован пакет MatLab версии 6.0 или 6.1.
Наличие лабораторной базы не исключает использование виртуаль-
ных лабораторий. В этом случае последние можно рассматривать как
дополнительную возможность для более глубокого изучения материала.
Описание дискеты
К данной монографии прилагается дискета со следующими моделями виртуальных лабораторных
работ по силовой электронике:
1. Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя.
2. Исследование трехфазиого двухполупериодного (мостового) выпрямителя.
3. Исследование однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя.
4. Исследование трехфазного двухполупериодного управляемого выпрямителя.
5. Исследование трехфазного инвертора, ведомого сетью.
6. Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя с симметричным законом
управления.
7. Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя с несимметричным законом
управления.
8. Исследование понижающего регулятора постоянного напряжения.
9. Исследование повышающего регулятора постоянного напряжения.
10. Исследование однофазного (мостового) инвертора симметричным управлением.
И. Исследование однофазного (мостового) инвертора с несимметричным управлением.
12. Исследование трехфазного (мостового) инвертора с симметричным управлением. -
13. Исследование трехфазного (мостового) инверторного выпрямителя.
14. Исследование трехуровневых инверторов.
Название моделей соответствуют тем, которые помещены в шестую главу монографии.
Для работы в виртуальной лаборатории необходимо иметь в компьютере инсталированный пакет
MatLab-6.0 (6.1)-Simulink 4 с пакетами расширения Power System Blockset и Sygnal Processing Toolbox.
ВИРТУАЛЬНЫЕ
БЛОКИ ПАКЕТОВ SIMULINK
И POWER SYSTEM BLOCKSET
1.1. Введение
Данная монография представляет собой методические указания к
проведению виртуальных лабораторных работ по силовой электрони-
ки. «Приборной базой» проведения этих лабораторных работ являют-
ся пакеты расширения Simulink и Power System Blockset широко рас-
пространенного пакета MatLab.
В библиотеках этих пакетов имеются многочисленные виртуальные
элементы и многочисленные измерительные приборы, что позволяет
всесторонне исследовать электрическую цепь любой сложности.
В данной главе описывается содержание основных библиотек этих
пакетов расширения и рассматриваются основные приемы работы в
них. При этом основное внимание уделено тем библиотекам, которые
используются в дальнейшем при работе в виртуальной лаборатории по
силовой электронике.
Более подробные сведения по пакету MatLab читатель найдет в
литературе [4, 5, 6, 7, 8, 9, 11].
1.2. Пакет Simulink-4 [4, 5, 7, 8, 9, 11]
Первая версия пакета MatLab была разработана уже более 20 лет
тому назад. Развитие и совершенствование этого пакета происходило
одновременно с развитием средств вычислительной техники. Название
пакета происходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентиро-
ван в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векто-
ров). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость сме-
12
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ны поколений вычислительной техники, MatLab успевал впитывать
все наиболее ценное от каждого из них. В результате к настоящему
времени MatLab представляет собой богатейшую библиотеку функ-
ций, единственной проблемой работы с которыми заключается в уме-
нии быстро отыскать те из них, которые нужны для решения постав-
ленной задачи.
Для облегчения работы с пакетом специалистам различных облас-
тей науки и техники вся библиотека функций разбита на разделы. Те
из них, которые носят более общий характер, входят в состав ядра
MatLab. Те же функции, которые являются специфическими для кон-
кретной области, включены в состав пакетов расширения (Toolboxes).
В настоящее время появилась новая, существенно расширенная,
версия программы MatLab-6.1, с новым интерфейсом. Этой версии
ниже уделено основное внимание. Однако необходимо отметить, что
библиотеки старых версий с их интерфейсом сохранены.
|[“J Simubnk Library Browser
Ele Edit view Qalp
□ sS -W flnd I ~~~~~
Continuous: oinulink^Continuojo
M Simulin<
i --*й Crintin inns
.....&"l Discrete
I.....Ы Functions & Tames
Ы kah
- id Norlineer
i - Ш Signals & Systems
I ...Ш Sinks
.......Ы Sources
2DMA Refororce Block.sot
ф-Н Communications Dlockset
!••• SI Jcntrol bysterr lodbox
ф Hi DSPBbc<set
a-HI Dialc Л Gaugac Blockcot
Й-Hl “xed-Point Olcckset
> MPCtJIocks
Я-Н Motorola DSP 3lockset
ffl- И MOD Blockcat
ffl- .System Bl jixstfl
&-Ш Real-Time Workshop
‘- Hi ReportGeneraloi
Ф SimulincExtrac
I -H Stateflow
ф- M System IC Blocks
й-Н xPCTwgni
Ready . ’ xi
Рис. 1.1. Библиотека Simulink-4
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
13
Библиотека Simulink-4 представляет собой набор визуальных
объектов, используя которые можно исследовать практически любую
электрическую цепь. Практически для всех блоков существует воз-
можность настройки параметров. Параметры настройки отражаются в
полях настройки окна настройки выбранного блока. Кнопка Help в
окне настройки открывает подробную информацию о блоке и его па-
раметрах настройки.
Вся библиотека Simulink-4 в новой версии разбита на восемь раз-
делов (рис. 1.1). Содержание раздела находится в правом окне биб-
лиотеки. Для вызова привычного интерфейса библиотеки следует ус-
тановить курсор на соответствующий раздел в левом окне, правой
кнопкой мышки вызвать выпадающее меню и из этого меню от-
крыть библиотеку. Остановимся на тех разделах основной библиоте-
ки пакета Simulink, которые используются для моделирования схем
силовой электроники.
1.2.1. Math — библиотека математических функций
Библиотека математических функций показана на рис. 1.2. Она со-
держит следующие блоки:
Sum — аналоговый сумматор, позволяющий алгебраически сумми-
ровать любое число сигналов на входе.
Product — блок, формирующий на выходе результат умножения
или деления двух и более входных сигналов.
Dot Product — звено, осуществляющее перемножение двух вход-
ных величин, если они являются скалярами. Это звено вычисля-
ет также сумму поэлементных произведений двух входных век-
торов одинаковой длины.
Gain — аналоговый усилитель.
Slider Gain — аналоговый усилитель с интерактивной настройкой
параметра.
Matrix Gain — усилитель, на вход которого подается вектор.
Mat Function — блок, позволяющий выбрать одну из математичес-
ких функций в поле настройки и включить ее в модель.
Trigonometric Function — блок, формирующий на выходе триго-
нометрическую функцию входного сигнала. Выбор функции
обеспечивается в поле настройки.
MinMax — блок, входной сигнал на который задается числовым
вектором. Блок выбирает минимальное или максимальное значе-
ние вектора в соответствии с заданием поля настройки.
14
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Abs — блок, который формирует на выходе абсолютное значение
входного сигнала, в функциональных схемах играет роль выпря-
мителя.
Sing — блок-реле, реагирующий на знак входного сигнала. Значе-
ние выходного сигнала устанавливается в поле настройки.
Rounding Function — блок округления входного сигнала, функция
округления выбирается в поле настройки на ниспадающем меню.
Рис. 1.2. Math — библиотека математических функций '
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset 15
Combinatorial Logic — блок обеспечивает преобразование входно-
го сигнала в соответствии с сформированной в поле настройки
таблицей истинности. Этот блок представляет собой модель ко-
нечного автомата, состояния которого, как известно, описывает-
ся при помощи Булевой алгебры.
Logical Operation, Relation Operator — блоки известных логичес-
ких операций «и» и «или»; количество входов задается в поле
настройки.
Bitwise Logical Operator — универсальный блок, реализующий
любую логическую функцию.
Complex to Magnitude Angle — блок, позволяющий выделить мо-
дуль и фазу входной комплексной величины.
Magnitude-Angle to Complex — блок, преобразующий входную ве-
личину, заданную модулем и фазой, в комплексную выходную
величину.
Complex to Real-Imag, Real-Imag to Complex — блоки, преобразу-
ющие комплексные величины из показательной формы в алгеб-
раическую и обратно.
Algebraic Constraint — блок, позволяющий в структурную модель
включать систему алгебраических уравнений.
1.2.2. Nonlinear — нелинейные блоки
Библиотека нелинейных блоков показана на рис. 1.3.
Эта библиотека содержит:
Rate Limiter — блок, который обеспечивает различные коэффици-
енты передачи в зависимости от знака входного сигнала. В по-
лях настройки устанавливаются значения этих коэффициентов.
Saturation — усилитель с ограничением. Величина выходного сиг-
нала при положительном и отрицательном входном сигнале ус-
танавливается в полях настройки.
Quantizer — блок, обеспечивающий квантование входного сигнала
по уровню. Величина ступеньки задается в поле настройки.
Backlash — блок, реализующий люфт в механических редукторах.
Dead Zone — блок, реализующий зону нечувствительности.
Relay — реле с регулируемой зоной нечувствительности и устанав-
ливаемой величиной положительного и отрицательного выход-
ного сигнала.
16
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 1.3. Nonlinear — нелинейные блоки
Switch — ключ, который переключается, когда входной сигнал ста-
новится равным или большим заданного в поле настройки.
Manual Switch — ключ, который переключается вручную. При мо-
делировании при помощи этого ключа удобно менять параметры
и структуру модели.
Multiport Switch — блок переключателей, передающий на выход
один из входных сигналов.
Columb & Viscous Friction — блок, реализующий характеристику
трения в механических системах.
1.2.3. Sinks — виртуальные приборы для наблюдения и
регистрации процессов
Приборы для наблюдения и регистрации процессов в исследуемой
модели представлены на рис. 1.4.
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
17
[^Library: simuli...
File Edit View bormat
Help
Ш >[o]
_______ >
ScoPe__XY Graph
J I..........° I
Display
To File
Tо Workspace
Stop Simulation
Рис. 1.4. Библиотека Sinks — виртуальные приборы
для наблюдения и регистрации процессов
В состав виртуальных приборов входят:
Scope — осциллоскоп для наблюдения временных зависимостей.
XY Graph — графопостроитель в системе полярных координат.
Display — устройство для вывода на экран дисплея, измеряемых
величин в цифровой форме.
То file — блок, связывающий модель Simulink с системой MatLab.
Этот блок позволяет записать в файл MatLaba результаты моде-
лирования с целью дальнейшей обработкой и представления ре-
зультатов.
Workspace — блок для передачи результатов моделирования в ра-
бочее пространство с целью их дальнейшей обработки. Данные
сохраняются в виде матрицы, структура которой отличается от
структуры данных в МАТ-файле тем, что значения сохраняемых
величин расположены по строкам, а не по столбцам. Окно на-
стройки блока показано на рис. 1.5. В первом поле (Variable
18
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
name) вводится название переменной для записи в рабочее про-
странство. Во втором поле (Limit date points to last) вводится
предельное число шагов моделирования, для которых регистри-
руются данные. По умолчанию задается константа inf-, т. е. дан-
ные регистрируются на всем интервале моделирования. В тре-
тьем поле (Decimation — прореживание) вводится дискретность
регистрации данных. Цифра 1 означает, что регистрация проис-
ходит на каждом шаге моделирования. В поле Sample time вво-
дится величина шага — дискретность изменения модельного
времени. В поле Save format вводится формат, в котором будут
сохранены данные в рабочей области. Блок То Workspace в даль-
нейшем используется для обработки данных в пакете расшире-
ния Signal Processing Toolbox. При этом данные должны сохра-
няться построчно (array).
Stop Simulink — остановка симуляции.
Block Parameters: То Workspace
- То Workspace —---------------------:---------------------:-----
Write input to specified array or structure in MATLAB's main workspace. Data
is not available until the simulation is stopped or paused.
- ParameterS:fa~;WWBS^~'^
Variable name:
|l_ab
Limit data points to last:
poo ‘
Decimation:
|i
Sample time:
1 e-
Save format:
OK Cancel Help Apply
Рис. 1.5. Окно настройки блока То Workspace
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
19
Блок Scope
Этот блок позволяет в процессе моделирования наблюдать динамику
изменения интересующих исследователя процессов в системе. Создава-
емое с его помощью «смотровое окно» напоминает экран электронного
осциллографа. По оси ординат шкалы измерений откладываются значе-
ния наблюдаемой величины, по оси абсцисс — значение модельного
времени. В версии Simulink-4 пользователь может в одном окне создать
несколько осей координат для наблюдения нескольких процессов.
Для управления параметрами окна Scope в нем имеется панель
инструментов, содержащая переключатель из семи кнопок (рис. 1.6):
}Р Zoom — изменение масштаба осей графика;
Zoom X-axis — изменение масштаба по оси абсцисс;
Zoom Y-axis — изменение масштаба по оси ординат;
ль Autoscale — автоматическая установка оптимального масшта-
ба осей (автошкалирование);
Save current axes settings — сохранение установленного масш-
таба осей;
Properties — открытие окна настройки параметров (панели
свойств) блока Scope;
Print — печать содержимого окна Scope.
Некоторые настройки могут быть также выполнены с помощью
команд контекстного меню, которое вызывается на экран щелчком
правой кнопкой мыши.
При щелчке по кнопке Properties открывается окно Properties
Scope, содержащее две вкладки (рис. 1.6):
General (Общие свойства), содержащая элементы для управления
форматом вывода графиков;
Data history (Сохранение данных), позволяющая устанавливать па-
раметры записи данных, отображаемых на графиках, в рабочую
область MATLAB.
Вкладка General содержат следующие элементы:
□ текстовое поле Number of axes, предназначенное для ввода числа
подокон (графиков), создаваемых в окне Scope; по умолчанию
создается только одно подокно; оси Y всех создаваемых графи-
ков являются независимыми по отношению друг к другу, однако
для формирования координаты X используются одни и те же
20
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
значения модельного времени. На рис. 1.6 показано окно блока
Scope, содержащее два графика.
□ текстовое поле Time range, в котором указывается граничное
значение диапазона по оси времени (оси X). Это значение может
J 'Scope1 properties
? General | Data history | Tip: try right clicking on axes
; Axes.
. Number of axes:
Г floating scope
Time range: auto
Tick labels: | bottom axis only
Sampling
| Decimation j 1
б)
OK Cancel ’ Help ' " Apply
Рис. 1.6. Scope — осциллоскоп для наблюдения временных зависимостей
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
21
либо указываться явно, в единицах модельного времени, либо с
помощью ключевого слова auto, в последнем случае граничное
значение времени по оси X совпадает с конечным значением
модельного времени, установленного для сеанса моделирования;
□ раскрывающийся список Tick labels, используется в том случае,
если в окне Scope создано несколько графиков:
bottom axes only — значения времени по оси X выводятся
только для нижнего графика;
• all — значения времени по оси X выводятся для всех графиков;
• попе — значения по осям X и Y не выводятся;
□ раскрывающийся список Sampling, предназначенный для выбора
варианта’управления периодичностью отрисовки графиков:
• Decimation — значение этого параметра интерпретируется
как коэффициент «прореживания» выводимых значений; на-
пример, если Decimation=3, то значения наблюдаемой харак-
теристики отображаются в окне Scope только на каждом тре-
тьем шаге моделирования;
• Sample time — периодичность определяется величиной шага
модельного времени, установленного для сеанса моделирова-
ния;
□ флажок floating scope позволяет установить для блока Scope
свойство «плавающий»; такой блок не имеет ни одного входного
порта и обеспечивает отображение сигнала, передаваемого по
выбранной в блок-диаграмме линии связи.
Блок Display
Блок предназначен для вывода на экран численных значений величин,
фигурирующих в модели. Блок имеет 4 параметра настройки (рис. 1.7):
Format — задает формат вывода; формат выбирается с помощью
выпадающего списка, содержащего 5 пунктов: short, long,
short_e, long e, bank.
Decimation — определяет периодичность вывода значений в окне
Display.
Floating display — позволяет выбрать способ использования блока
Display в блок-диаграмме; если данный флажок установлен, то
блок Display используется как «плавающий» (т. е. не имеет вход-
ного порта); чтобы указать сигнал, отображенный в окне
22
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Block Parameters: Display
г~ Display---------------------
i Numeric display of input values.
I_________
-Parameters
Format: short
short
Decimauc
long
shoti_e
long_e
Г Floatirlbank
Sample time:
OK Cancel 1 Help I Apply
Рис. 1.7. Окно настройки блока Display
Display, следует выбрать соответствующую линию связи, щелк-
нув на ней левой кнопкой мыши.
Sample Time — задает дискретность вывода данных в окно Display.
Блок Display может использоваться для вывода как скалярных, так
и векторных данных. Если отображаемая величина является вектором,
то исходный формат блока изменяется автоматически. Об изменении
формата говорит маленький черный треугольник, появляющийся в
нижнем правом углу блока. Для каждого элемента вектора создается
свое мини-окно, но, чтобы они стали видимыми, необходимо «растя-
нуть» изображение блока.
1.2.4. Sources — источники сигналов
Содержание этого раздела показано на рис. 1.8.
Набор блоков содержит практически все необходимые источники
сигналов для исследования электрических цепей. Возможно задание
произвольного воздействия из файла (блок From File).
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
23
Library: simulink3/... JHISipi
File Edit View Format Help
□□□□
DO
Sequence
Wo lisp ace
Random
Number
Uniform Random Band-Limited
Number White Noise
Рис. 1.8. Библиотека Sources — источники сигналов
Кроме источников детерминированных воздействий с различной
функциональной и временной зависимостью, имеются источники слу-
чайных воздействий с различными законами распределения. С каж-
дым графическим блоком связано окно настройки.
1.3. Пакет расширения Power System Blockset [7, 8, 9]
Библиотека Powerlib пакета расширения Power System Blockset
(рис. 1.9) содержит 7 разделов, последний из которых, Extras, включа-
ет подразделы.
24
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
j/j Library powerlibZ
£ile Edit View Format Help
Рис. 1.9. Библиотека Powerlib
1.3.1. Electrical Sources —
источники электрической энергии
Эта библиотека содержат неуправляемые и управляемые источники
постоянного и переменного напряжения и тока (рис. 1.10). Окно на-
стройки блока AC Voltage Source показано на рис. 1.11. В полях пара-
метров окна устанавливаются значения амплитуды напряжения, на-
чальной фазы и частоты.
Поле Measurements позволяет подключать блок Multimeter для из-
мерения и наблюдения выходных параметров источника.
["’’I Library: powerlib2/Electrical ... ЯПЗЕЗ
File Edit View Format Help
"^“DC Voltage Source
> signal
AC Voltage Source
AC Current Source
Controlled Voltage Source
> signal
Controlled Current Source
Рис. 1.10. Библиотека Electrical Sources
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
25
iRInrk PftfflnriRtprs AC Vnltagp Snurcp Д|
pACVolf&ge Source (mask) (link) ——-------------------------- ,
ideal sir,usoidalACVoltagesource. i
-Parameters—^———----------;—:---------------------------------,
Peak amplitude (V): \
[Too
' Riass^deg)? P ; ' <:
1“ ' ’ ‘ "
Frequency (Hz): :
a-
•rSample time:<: ;-
/1° '
Measurements [None • ’
OK ' J ' • . Cancel , - j .. Help j Apply
Pmc. 1.11. Окно настройки блока AC Voltage Source
Блоки управляемых источников позволяют связать структурные или
функциональные схемы основных библиотек Simulink Blok Library
с элементами библиотеки Power System Blockset.
1.3.2 Library Power Elements —
библиотека пассивных элементов
На рис. 1.12 представлен состав этой библиотеки, она содержит:
□ Последовательные и параллельные пассивные элементы R, L, С,
которые могут быть заданы в параметрах этих элементов (Ом,
Генри, Фарада RLC Branch), а могут быть заданы значениями
активной, реактивной индуктивной, либо реактивной емкостной
мощностей (RLC Load).
□ Линейный трансформатор (Linear Transformer) и трансформатор
с реальным магнитным сердечником, учитывающим его насы-
щение (Saturable Transformer).
26
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
□ Магнитосвязанные цепи (Mutual Inductance).
□ Нелинейный элемент (Surge Arrester), позволяющий сформировать
требуемую нелинейную зависимость между входным и выход-
ным сигналами.
□ Ключ (Breaker), параметры (сопротивление, индуктивность) кото-
рого в открытом состоянии задаются в полях настройки. Там же
задается состояние ключа (открыт, закрыт) при нулевом входном
сигнале.
□ Трехфазный двухобмоточный и трехобмоточный трансформаторы
(Three-Phase Transformer, Two windings и Three windings).
□ Блоки, реализующие параметры однофазной и трехфазной линии
передачи (PI Section Line, Distributed Parameters Line).
Рис. 1.12. Библиотека Power Elements
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset 27
На рис. 1.13 в качестве примера показано окно настройки блока
трехфазного трансформатора (Three-Phase Transformer). В полях на-
стройки задаются параметры трансформатора (power and frequency),
параметры первичной и вторичной обмоток (Winding parameters), схе-
мы соединения первичных и вторичных обмоток (окна Winding 1
(ABC) Connection, Winding 2 (abc) Connection). Флажок Suturable core
позволяет учесть насыщение трансформатора. В выпадающем меню
поля (Measurements) устанавливаются переменные состояния транс-
форматора, которые подлежат измерению при моделировании блоком
Multimeter.
Block Parameters: Three-phase Transformer (Two Windings)
r Three-Phase Transform er (Two Windings) (mask) (link) " -.- -..-
| This block implements a three-phase transformer by using three single-phase
I transformers. Set the winding connection to ’Yn1 when you want to access the
i neutral point of the Wye.
:i— Param
Nominal power and frequency [ Pn(VA). fn(Hz) ]
:. |[250e6,60]| “ ‘ ‘ ‘ “
Winding 1 (ABC) connection: [yVj
Winding parameters [V1 Ph-Ph(Yrms), R1(pu), L1(pu)]
|[424.35e3 0.002,0.08]
Winding 2 (abc) connection: (Delta (D1) ~^|
Winding parameters [V2Ph-Ph(Vrms),R2(pu),L2(pu)]
|[315e3,0.002.0.08]
Г“ Saturable core
Magnetization resistance Rm (pu)
;|||poo SI
Magnetization reactance Lm(pu)
[500 ’ :
Measurements None ▼ ]
OK Cancel J Help j Apply j
Рис. 1.13. Окно настройки блока Three-Phase Transformer
28
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
1.3.3. Power Electronics — библиотека
силовых элементов
Эта библиотека (рис. 1.14) содержит семь типов одиночных сило-
вых элементов и модели различных полупроводниковых преобразова-
телей, представленных одним универсальным блоком (Universal
Рис. 1.14. Библиотека Power Electronics
Bridge). Этот блок и его панель настройки показаны на рис. 1.15. В
полях окна настройки задаются:
□ количество плеч универсального моста (Numbers of bridge
arms);
□ конфигурация входных и выходных портов (Port configuration). В
выпадающем меню этого поля задаются входные и выходные
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
29
порты. Входными могут быть порты АВС, а выходными — пор-
ты +-, или наоборот;
□ тип силового полупроводникового элемента (Power Electronic
device), в выпадающем меню этого поля задается тип силового
полупроводникового элемента;
□ параметры цепей формирования траектории переключения зада-
ются в полях Snubber Resistance, Snubber Capacitance. Парамет-
ры силового полупроводникового элемента в режиме насыщения
задаются в полях Ron, Lon, Forward voltage. Поле Measurement
предназначено для выбора измеряемых переменных состояний
универсального полупроводникового моста.
Block Parameters: Universal Bridge
-Universal Bridge (mask) (link)-------------—-------—-----------;-----------
This block implement a bridge of selected power electronics devices; Series
RC snubber circuits are connected in parallel with each switch device; For "
most applications the internal inductance should be setter zero.
г Parameters -----------------------------
Number of bridge arms: [з
: Port configuration |ABC as input terminals
Snubber resistance Rs (Ohms) ;
Snubber capacitance Cs (F)
Power Electronic device
Ron (Ohms)
Universal Bridge
а)
IGBT /Diodes
Diodes
Thyristors
GTO/Diodes
MOSFET/Diodes
Forward voltages [ Devici
|r-Q q’i [ideal Switches
IGBT/biodi
Tf (s). Tt (s) ]
[1e-6.2e-6]
Measurements [None
б)
OK m | Cancel Help I Apply
Рис. 1.15. Окно настройки блока Universal Bridge
30
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Следует отметить, что каждый единичный полупроводниковый эле-
мент содержит выход ш, на котором с помощью измерительных при-
боров можно посмотреть форму напряжения и тока на элементе и
измерить их значения. Все блоки имеют управляющие входы. Для
единичных элементов эти входы имеют обозначение g, для универ-
сального моста pulses.
1.3.4. Connector-блоки связи между входами и выходами
моделей библиотеки Power System Blockset
Эти блоки показаны на рис. 1.16, назначение блоков раскрывает их
графическое представление. В окнах настройки блоков Bus Ваг указы-
вается количество входов и выходов.
Рис. 1.16. Библиотека Connector
1.3.5. Measurement — блоки измерений
Эти блоки показаны на рис. 1.17. Блоки Voltage Measurement,
Current Measurement предназначены для измерения напряжения и
тока, а также для соединения измерительных блоков главной биб-
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
31
^Library: powerlib2/Measurements
File Edit View Format Help
Current Measurement
0 >
Multimeter
> 1
zco
>[2______
Impedance Measurement
Рис. 1.17. Библиотека Connector
лиотеки Simulink с блоками библиотеки Power System BlocKsets.
Блок Impedance Measurement позволяет измерить частотную зависи-
мость полного сопротивления между двумя точками исследуемой
схемы.
Особый интерес представляет блок Multimeter. Этот блок позволяет
измерить электрические переменные, выбранные в окне Measurement
соответствующих элементов (см. например рис. 1.11, 1.13, 1.15). Окно
настройки блока Multimeter (рис. 1.18) содержит два поля. В первом
(Available) после нажатия кнопки Refresh появляются соответствую-
щие измеряемые переменные. Все или часть из них могут быть с
помощью кнопки Select переведены во второе окно для измерения и
регистрации результатов. Флажок Display signals at simulation stop по-
зволяет вывести измеряемые сигналы в отдельное графическое окно в
виде временных зависимостей. Этот блок очень удобен при исследова-
нии и в дальнейшем часто применяется.
Блок Multimeter своим выходом может быть подключен и к внешним
измерителям.
1.3.6. Powerlib Extras — расширенные библиотеки
Библиотека Powerlib Extras представлена на рис. 1.19. Эта библио-
тека содержит шесть дополнительных разделов.
32
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
«yk untitled/Multimeter
—V u Iti m et e r--—----~:—p-------
This block measure the voltages and currents specified in
measurement popup of Power System Blockset blocks. The left so
listbox shows the available measurement in the multimeter. Use the
Cancel
Help
Ок
Рис. 1.18. Окно настройки блока Multimeter
В Library: powerlib_extras
File Edit View Format Help
M easu remen is M Discrete asuremer its Control Blocks C Discrete jntrol Bloc T ks iree-Phas Library e Additional Machines
Рис. 1.19. Библиотека Powerlib Extras
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset 33
1.3.6.1. Measurement — библиотека
дополнительных блоков измерения
Расширенная библиотека Measurement показана на рис. 1.20. Биб-
лиотека содержит блок разложения несинусоидального периодическо-
го сигнала на гармонические составляющие (блок Fourier), блок изме-
рения эффективного (действующего) значения несинусоидального пе-
риодического напряжения или тока (блок RMS), блок измерения
активной и реактивной мощности (блок Active & Reactive Power).
j, Library; powerlib_exlras/Meastjrements
File Edit Yiew
Formal Help
magnitude >
> signal
angle >
Fourier
№g >
> abc
Phase >
3-Phase
Sequence Analyzer
> signal THD ?
Total Harmonic
Distortion
> signal rms >
RMS
>V
PQ >
>1
Active & Reactive
Power
>abc
dqO >
> sm_cos
abc_to_jiqO
Transformation
>dqO
abo >
> sin.ccs
dqO_to_abc
Transformation
) A A *
В >
) В С >
Vbbc >
' C labofr
Three-Phase
V-l Measurement
Рис. 1.20. Библиотека Extras Measurement
Имеются- три блока преобразования трехфазных сигналов. Блок
3-Phase Sequence Analyzer вычисляет симметричные составляющие
прямой, обратной и нулевой последовательностей. Блоки abc to dqO
Transformation и dqO to abc Transformation осуществляют преобразова-
ние трехфазной системы к двухфазной и наоборот.
Блок Total Harmonic Distorsion измеряет коэффициент гармоник.
Блок Three-Phase V-I Measurement предназначен для измерений на-
пряжений и токов в трехфазных цепях.
На рис. 1.21 в качестве примера показано окно настройки блока
Fourier. В полях настройки блока отмечается основная частота и по-
рядковый номер исследуемой гармоники.
2 Зиг. 699
34
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Block Parameters: Fourier
-Fourier analyser (mask) (link)-1----------—-——-------------------------------------
The Fourier block performs a Fourier analysis of the input signal over a running
window of one cycle of the fundamental frequency. First and second outputs
return respectively the magnitude and phase (degrees) of the harmonic
component specified.
'• p Parameters -—----H—•--------:——------------i
Fundamental frequency fl (Hz):
'• Jso
Harmonic rl (0=DC; 1 “fundamental; 2»2nd harm; ...):
II
OK I Cancel I Help Apply
Рис. 1.21. Окно настройки блока Fourier
В поле окна настройки блока Total Harmonic Distorsion (рис. 1.22)
устанавливается основная частота исследуемого сигнала.
Block Parameters: Total Harmonic Distorsion
-THD (mask) (link)-----------x--------Чг1—-p -
This block measures the total harmonic distortion (THD) of a periodic
instantaneous voltage or current connected to the input.
The THD is defined as:
THD“Uh/U1 •
where:
Uh “rms value of the harmonics
- “8д|Ци2Л2 + иЗЛ2+ ....+ипЛ2*...)
U1 “ims-value of the fundamental component ..
- Parameters —:-------------г
Fundamental frequency. (Hz):
OK " f * Cancel Г Help . I ' Apply
Рис. 1.22. Окно настройки блока Total Harmonic Distorsion
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
35
Block Parameters: Active & Reactive Power
а
-Active i&'Reactive Power (mask) (link)--;—— ------------------------
This block measures the active power P and reactive power Q associated
with a periodic set of voltage and current which may contain harmonics. P and
Q are calculated by averaging the V.l product with a running window over one
cycle of the fundamental frequency so that the powers are evaluated at
fundamental frequency.
input 1: Instantaneous voltage (V) -
input 2: Instantaneous current (A)
Output: PQ measurement vector [P(W) Q (var)]. Current flowing into an RL
circuit will produce positive active and reactive powers.
- Parameters —;----r---------
Fundamental frequency (Hz):
|50T
..‘ OK I , Cancel. I Help., I, < ,&pply
Рис. 1.23. Окно настройки блока измерения мощности
Для измерения мощности в однофазных и трехфазных цепях слу-
жит блок Active & Reactive Power, окно настройки которого показано
на рис. 1.23. В поле настройки задается частота, на которой произво-
дится измерение.
1.3.6.2. Control Blocks-блоки управления
Библиотека этих блоков (рис. 1.24) включает:
□ Таймер (Timer) — блок, задающий частоту работы системы уп-
равления;
□ Программируемый источник трехфазного напряжения (3-phase
Programmable Source);
□ Блок управления трехфазным мостовым управляемым выпрями-
телем (Sychronized 6-Pulse Generator);
□ Блок управления трехфазным реверсивным мостовым управляе-
мым выпрямителем (Sychronized 12-Pulse Generator);
□ Универсальный блок управления автономным инвертором (PWM
Generator).
36
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 1.24. Библиотека блоков управления силовыми преобразователями
1.3.6.3. Three-Phase Library —
библиотека трехфазных цепей
Расширенная библиотека Three-Phase Library содержит трехфазные
цепи различного назначения (рис. 1.25). В этой библиотеке имеется
набор последовательных и параллельных трехфазных нагрузок, задан-
ных либо пассивными параметрами, либо значениями активной и ре-
активной мощности, блок источника питания, трехфазная индуктивно-
связанная цепь, трехфазный трансформатор, трехфазный ключ и блок,
моделирующий повреждения в трехфазной сети.
Особый интерес при моделировании электрических цепей пред-
ставляет блок Powergui основной библиотеки Power System Blockset
(рис. 1.9). Этот блок, будучи установленным в исследуемую модель
электрической цепи, позволяет измерить токи, напряжения и их на-
чальные фазы на любом участке электрической цепи. Для связи блока
с электрической схемой служат блоки измерений Multimeter, Voltage
Mesurement, Current Mesurement. Кроме того, блок Powergui позволяет
связать пакет расширения Power System Blockset с пакетом расшире-
ния Control System. Это позволяет исследовать частотные характерис-
тики и переходные процессы в электрических цепях. Окно настройки
блока показано на рис. 1.26. В левом поле отражаются измеряемые
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
37
Д Library powerlib extras/Three Phase Library
file Edit' yieiy Format 'Help
All these 3-phase elements are masked blocks built with single-phase elements of the powerlib library
Look under mask to see how they are built.
___________c >
Inductive source
with neutral
КШг-А>
> в —0 *
; с—''ПР—с >
Z1-ZD
> А ... ___ ,, А >
3- Phase Series RLC
3- Phase RLC
Series Load
3-Phase RLC
Parallel Load
>A A >
>BSW^‘B ,
) c C >
3-Phase Breaker
>A
>B Fau,t
; “ Afi-0
) C
3-Phase Fault
Рис. 1.25. Библиотека Three-Phase Library
величины. Справа кнопки и флажки позволяют выбрать величины для
измерения. В выпадающем меню первого поля задаются измеряемые
значения (амплитудное или действующее). В выпадающем меню вто-
рого поля задается частота. Включенный флажок States позволяет
Рис. 1.26. Окно настройки блока Powergui
38
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
измерить переменные состояния (токи в индуктивностях, напряжения
на конденсаторах). Включенный флажок Measurer позволяет измерить
все величины, выбранные в окне блока Multimeter и зарегистрирован-
ные блоками Voltage Measurement, Current Measurement. Включенный
флажок Sources позволяет измерить токи и напряжения источников, а
включенный флажок Nonlinear — токи и напряжения в нелинейных
элементах.
1.4. Операции с блоками [11]
Копирование блоков из одного окна в другое проводится следую-
щим образом: открывается нужная библиотека или окно модели-про-
тотипа и перетаскивается мышью нужный блок в окно создаваемой
(редактируемой) модели.
Блоки можно копировать и при помощи команд меню. Последова-
тельность действий при этом такова:
1 — в окне библиотеки или модели выделяется блок (блоки), под-
лежащий копированию;
2 — выбирается в меню Edit (Правка) активного окна команда
Сору (Копировать);
3 — сделать активным окно, в которое нужно скопировать блок, и
выбрать в нем команду Paste (Вставить) из меню Edit (Правка).
Каждому скопированному блоку Simulink присваивает имя.
Первый скопированный блок будет иметь то же имя, что и блок в
библиотеке. Каждый следующий блок того же типа будет иметь такое
же имя с добавлением порядкового номера. Пользователь может пере-
именовать блок. При копировании блок получает те же значения на-
страиваемых параметров, что и блок-оригинал.
Перестановка блоков модели
Перестановка блока внутри модели осуществляется путем перетас-
кивания его мышью. При этом Simulink автоматически перерисовывает
линии, связывающие этот блок с другими блоками. Чтобы переставить
несколько блоков вместе с соединительными линиями и сохранением
относительных расстояний, необходимо их выделить и перетащить
мышью один из блоков. Все другие выделенные блоки также займут
новые места.
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset
39
Копирование блоков одной модели
Его можно выполнить двумя способами:
□ перетащить блок в нужное положение, удерживая при этом кла-
вишу [Ctrl];
□ перетащить блок, удерживая нажатой правую кнопку мыши,
при этом к новому блоку добавляется очередной порядковый
номер.
На рис. 1.27 представлен результат копирования блоков Scope u XY
Graph.
Рис. 1.27. Копирование блоков
Установка параметров блока
Функции, которые выполняет блок, зависят от значений параметров
блока. Установка этих значений осуществляется в окне настройки,
которое вызывается после двойного щелчка на изображении блока в
блок-схеме.
Удаление блоков
Для удаления ненужных блоков из блок-схемы достаточно выде-
лить эти блоки так, как было указано ранее, и нажать клавишу [Del]
40
Силовая электронике. Лабораторные работы на ПК
или [Backspace]. Можно также вызвать команду Clear (Очистить) или
Cut (Вырезать) из меню Edit (Правка) окна блок-схемы. Если исполь-
зована команда Cut, то в дальнейшем удаленные блоки можно скопи-
ровать в модель при помощи команды Paste (Вставить) того же меню.
Отсоединение блока
Чтобы отсоединить блок от линий, достаточно нажать клавишу
[Shift] и, не отпуская ее, перетащить блок в другое место.
Изменение угловой ориентации блока
В начальном состоянии сигнал проходит через блок слева направо
(по левую сторону располагаются входы блока, а по правую сторону —
выходы). Чтобы изменить угловую ориентацию блока надо:
□ выделить блок, который нужно повернуть;
□ выбрать в меню Format (Формат) окна блок-схемы одну из
следующих команд: Flip Block (поворот блока на 180 граду-
сов) или Rotate Block (поворот блока по часовой стрелке на
90 градусов).
Изменение размеров блока
Изменение размеров блока выполняется следующим образом. Вы-
деляется блок и устанавливается указатель мыши на одну из угловых
меток блока. Форма указателя при этом изменится — он примет вид
двунаправленной стрелки. Надо захватить мышью эту метку и перетя-
нуть ее в новое положение.
Изменение и перемещение имеин блока
Все имена блоков в модели должны быть уникальными и состоять
хотя бы из одного символа. Чтобы изменить имя блока, нужно выпол-
нить щелчок на имени, а затем, используя обычные приемы редакти-
рования, внести необходимые изменения.
Для изменения шрифта следует выделить блок, вызвать команду
Font (Шрифт) из меню Format (Формат) окна модели и затем выбрать
шрифт в открывшемся диалоговом окне.
По умолчанию имя блока располагается следующим образом. Если
блок ориентирован слева направо, то имя находится под блоком; если
справа налево — над блоком; если же сверху вниз или снизу вверх —
по правой стороне блока.
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Blickset 41
Изменить местоположение имени выделенного блока можно двумя
способами:
□ перетащить имя мышью на противоположную сторону блока;
О воспользоваться командой Flip Name из меню Format окна мо-
дели — она также переносит имя на противоположную сторону
блока.
Скрыть имя блока можно, используя команду Hide Name (Скрыть
имя) в меню Format окна модели. Чтобы восстановить отображение
имени, следует воспользоваться командой Show Name (Показать имя)
того же меню.
Создание соединительных линий
Сигналы в модели передаются по линиям. Каждая линия может
передавать или скалярный, или векторный сигнал. Линия соединяет
выходной порт одного блока с входным портом другого блока. Линия
может также разветвляться и соединять выходной порт одного блока с
входными портами нескольких блоков.
Создание линии между блоками
Чтобы соединить выходной порт одного баока с входным портом
другого, нужно выполнить следующие действия:
□ установить указатель мыши на выходной порт первого блока
(при этом курсор должен принять форму перекрестия);
□ нажать левую кнопку мыши и, удерживая ее в этом положении,
передвинуть указатель к входному порту второго блока;
□ отпустить кнопку мыши.
Simulink заменит символы портов соединительной линией с
указанием направления передачи сигнала. Именно таким образом
(рис. 1. 28) выход блока Save Wave соединен с входом блока XY
Graph.
Линии можно рисовать как от входного порта к выходному, так и
наоборот.
По умолчанию Simulink рисует соединительные линии, состоящие
из горизонтальных и вертикальных сегментов. Чтобы построить ли-
нию под углом 45 градусов, необходимо в процессе рисования удер-
живать клавишу [Shift].
42
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Создание разветвления линии
Линия, которая ответвляется, начинается с существующей и пере-
дает ее сигнал к входному порту другого блока. Как существующая,
так и ответвленная линии передают один сигнал. Разветвленная линия
дает возможность передать один и тот же сигнал к нескольким бло-
кам. Чтобы образовать ответвление от существующей линии, необхо-
димо выполнить следующие действия:
□ установить курсор в точку ответвления;
Q нажать правую кнопку мыши, удерживая ее нажатой;
□ провести линию к входному порту нужного блока, отпустить
правую кнопку мыши.
Создание сегмента линии
Блоки можно соединять ломаными линиями, состоящими из не-
скольких сегментов. Для создания следующего сегмента необходимо
установить курсор в конец предыдущего сегмента и нарисовать, удер-
живая левую клавишу мыши, следующий сегмент.
Рис, 1.29. Деление линии на сегменты
Виртуальные блоки пакетов Simulink я Power System Blickset 43
Перемещение сегмента линии
Чтобы переместить отдельный сегмент линии, необходимо выпол-
нить следующие действия:
□ установить указатель на перемещаемом сегменте;
□ нажать и удерживать левую кнопку мыши (курсор при этом дол-
жен принять форму креста);
□ переместить указатель в новое положение сегмента и отпустить
кнопку мыши.
Сегмент, непосредственно прилегающий к порту блока, перемес-
тить невозможно.
Деление линии на сегменты
При необходимости линию можно разделить на два сегмента. Для
этого следует выполнить следующие действия:
□ выделить линию и установить курсор в точку излома линии;
□ нажать клавишу [Shift] и левую кнопку мыши; курсор при этом
примет форму окружности, а на линии образуется излом;
□ переместить курсор (излом) в новое положение;
□ отпустить клавишу [Shift] и кнопку мыши.
Результат этих действий представлен на рис. 1.29, где линия, соединяю-
щая блоки Sine Wave u XY Graph!, разделена на несколько сегментов.
Перемещение излома линии
Чтобы переместить излом линии, достаточно перетянуть мышью
точку излома в новое положение.
Проставление меток сигналов и комментариев
Для наглядности и удобства блок-схемы линии можно снабдить
метками, указывающими, какие сигналы по ним проходят. Метки раз-
мещают под или над горизонтальной линией, по левую или по правую
сторону от вертикальной линии. Метка может быть расположена в
начале, в конце или по середине линии.
Создание н манипулирование метками сигналов
Чтобы создать метку сигналов, нужно дважды щелкнуть на сегмен-
те линии и затем ввести текст метки. Причем двойной щелчок следует
44
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
выполнять точно на линии, т. к. в противном случае будет создан
комментарий к модели.
Перемещение метки осуществляется путем перетаскивания ее мы-
шью на новое место. Если при этом удерживать нажатой клавишу
[Ctrl], то метка будет скопирована в новое место. Скопировать метку
можно также, выполнив двойной щелчок на другом сегменте линии.
Чтобы отредактировать метку, следует щелкнуть на ней и затем
внести соответствующие изменения в ее текст.
Чтобы удалить метку, надо выделить ее, ударживая клавишу [Shift],
и нажать клавишу [Del] или [Backspace]. При этом будут удалены все
метки этой линии.
Создание н манипулирование комментарием
Комментарии дают возможность сопровождать блок-схемы тексто-
вой информацией о модели и отдельных ее составляющих. Коммента-
рии можно проставлять в любом свободном месте блок-схемы. После
двойного щелчка в любом свободном месте блок-схемы появляется
прямоугольная рамка, в которую можно ввести текст комментария.
Перемещение комментария осуществляется путем перетаскивания
его с помощью мыши.
Если при этом удерживать нажатой клавишу [Ctrl], комментарий
будет скопирован в новое место.
Созданный комментарий можно отредактировать. Для этого нужно
выполнить на нем щелчок, а потом внести соответствующие изменения.
Чтобы изменить при этом параметры шрифта комментария, необходимо
выделить текст комментария и выбрать команду Font (Шрифт) из меню
Format (Формат) окна блок-схемы. После этого появится диалоговое
окно, в котором следует выбрать название шрифта, его размер, атрибу-
ты и стиль и нажать кнопку ОК.
Комментарий можно удалить. Для этого выделите его, удерживая
клавишу [Shift], и нажмите клавишу [Del] или [Backspace].
1.5. Интерактивная оболочке SPTool [8, 11]
Процедура SPTool активизирует графическую интерактивную обо-
лочку пакета расширения Signal Processing Toolbox, включающую:
□ средство поиска и просмотра сигналов — Signal Browser;
□ проектировщик фильтров — Filter Designer;
Виртуальные блоки пакетов Simvlink и Power System Blickset
45
□ средство просмотра характеристик фильтров — Filter Viewer;
□ средство просмотра спектра — Spectrum Viewer.
Оболочка активизируется путем ввода в командном окне MatLAB
команды sptool.
В результате на экране появляется окно, представленное на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Окно SPTool пакета расширения
Signal Processing Toolbox
Как видим, окно SPTool состоит из трех областей — Signals (Сиг-
налы), Filters (Фильтры) и Spectra (Спектры), под каждой из которых
имеются кнопки, указывающие на то, что можно сделать с объектами,
расположенными а этих областях. Так, под областью Signals находит-
ся лишь кнопка View. Это означает; что объекты (сигналы), имена
которых расположены в этой области, могут быть только просмотре-
ны. Под областью Filters находятся четыре кнопки, которые указыва-
ют на то, что объекты (фильтры), имена которых размещаются внутри
него, могу быть созданы (кнопка New Design), отредактированы
(кнопка Edit Design), просмотрены (кнопка View).
Аналогично, с объектами области Spectra (спектрами) можно про-
изводить такие действия:
□ создавать (кнопка Create);
46
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
□ просматривать (кнопка View);
□ обновлять, т. е. создавать заново под тем же именем (кнопка
Update).
Внутри областей обычно размещаются имена (идентификаторы)
соответствующих переменных или процедур, входящих в открытый в
SPTool файл с расширением .spt (имя этого файла указывается в заго-
ловке окна SPTool).
При первом обращении в заголовке окна все три области — пус-
тые, а из кнопок, расположенных ниже, активной является только
одна — New Design. Таким образом, после вхождения в оболочку
SPTool доступной является только операция создания нового фильт-
ра. Чтобы активизировать остальные кнопки, необходимо откуда-то
импортировать данные о каком-то (или каких-то) сигнале (сигналах).
Такие данные должны быть сформированы другими средствами по-
мимо оболочки SPTool (например, они могут являться результатом
выполнения некоторой программы MatLab или результатом модели-
рования в среде Simulink) и записаны как некоторые переменные
либо в рабочем пространстве (Workspace), либо на диске в файле с
расширением .mat.
Импорт сигналов
Чтобы обрабатывать сигналы с модели с помощью SPTool, прежде
всего необходимо сформировать эти сигналы с помощью блока То
Worspace (рис. 1.4), а зятем импортировать полученные векторы значе-
ний этих сигналов в среду SPTool.
Для импорта вектора в среду SPTool необходимо в меню File (Файл)
выбрать команду Import (Импорт). После этого откроется окно Import to
SPTool, представленное на рис. 1.31.
В области Source (Источник) этого окна выбран переключатель
From Workspace (Из рабочего пространства). Поэтому все имена пе-
ременных рабочего пространства представлены во второй области —
Workspace Contents (содержимое рабочего пространства). Выбрав
при помощи мыши необходимую переменную, следует нажать кноп-
ку со стрелкой, указывающей на поле ввода Data. После этого в поле
ввода данных (Data) появится имя выбранной переменной.
Затем в поле Sampling frequency (частота дискретизации) нужно вве-
сти желаемое значение частоты дискретизации. Значение этого парамет-
ра следует задавать равным обратной величине шага моделирования.
В поле ввода Name (Имя) необходимо указать имя, под которым
введенный вектор будет записан в среде SPTool.
Виртуальные блоки пакетов Simulink к Power System Blickset
47
После этого следует нажать кнопку ОК, и импорт сигнала в среду
SPTool будет произведен. Окно Import to SPTool исчезнет, а окно
SPTool изменит свой вид (рис. 1.32).
В области Signals появится запись имени вектора сигнала, и кнопка
View под этой областью станет доступной. Это означает, что можно
просмотреть исследуемый сигнал. Кроме того, станет доступной кноп-
ка Create под областью Spectra. Это означает, что можно находить
спектральные характеристики импортированного сигнала.
Если векторы процесса записаны в МАТ-файл, то для их импорта
нужно после вызова окна Import to SPTool выбрать в нем переключа-
тель From disk. В результате станут доступными поле ввода MAT-file
Name и кнопка Browse. Введя имя необходимого МАТ-файла или
отыскав МАТ-файл при помощи кнопки Browse, вновь вызываем в
окно SPTool его содержимое. Последующие действия аналогичны ра-
нее рассмотренным.
Прасмотр сигналов
После импорта вектора сигнала можно воспользоваться средствами
его просмотра. Для этого достаточно выделить в области Signals нуж-
ные сигналы и нажать на кнопку View под областью. В результате
должно появиться окно Signal Browser.
48
Силовая электроника- Лабораторные работы на ПК
Рис. 1.32. Окно SPTool с импортированным сигналом
В нашем случае, выбрав сигнал sigl, получим окно, изображенное
на рис. 1.33.
Центральную часть окна занимает изображение кривой зависимос-
ти выделенного процесса от времени. В заголовке графика указаны
имена сигналов, изображенных на графике, размерность соответству-
ющих векторов и частота дискретизации.
Снизу графического поля окна размещается панель инструментов,
обеспечивающих точный отсчет показании значений аргумента и про-
цесса в двух точках графика.
Эти точки графика определяются пересечением графика процесса с
двумя вертикальными линиями розового цвета, расположенными в
паче графиков. Изменение положения этих линий по шкале времени
выполняется с помощью мыши. При подведении курсора к одной из
вертикальных линий он примет вид руки. Нажав левую кнопку мыши
и не отпуская ее, можно переместить курсор вправо или влево. При
этом в области Marker будут отображаться координаты X и Y точек
пересечения обеих вертикальных прямых с графиком процесса, а так-
Виртуальные блоки пакетов Simulink и Power System Biickset 49
.50 ——1—.—-J-------i-----1---------------1-'-:-1———।—
0. ! 001 ...;. 0 02- .‘\Q.03 ... 0.04- 005- . 006 : 607 : 0-08 .-0.09.
d>c0 0S4
же разности между ними. Координата X соответствует времени, а
Y — значению переменной.
В верхней части окна располагаются средства управления окном и
масштабами внутри графического поля.
Создание спектров сигналов
После ввода сигналов SPTool можно найти оценки спектральных
свойств этих сигналов. Для этого достаточно в области сигналов окна
SPTool (рис. 1.32) отметить сигнал, оценку спектральной плотности
которого вы хотите получить, и нажать кнопку Create в нижней части
окна Spectra. После этого на экране появится окно Spectrum Viewer
(рис. 1.34). Оно напоминает окно Signal Browser. В левой части окна
располагается область, элементы которой позволяют:
□ выбрать метод нахождения спектральной характеристики сигнала;
□ установить количество обрабатываемых точек сигнала.
Метод вычисления спектра выбирается при помощи списка
Method, который содержит следующие элементы: Burg, FFT, МЕМ,
МТМ, MUSIC, Welch, YuleAR. Каждому из них соответствует метод
(процедура) вычисления спектра сигнала.
50
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Для проведения вычислении после выбора метода следует нажать
кнопку Apply внизу левого поля. После нажатия кнопки Apply окно
Spectrum Viewer примет вид, представленный на рнс. 1.34.
шоовм
File Oofois - Mekers sSBhto* 7
Иа-их 5„ о IM*] *
Signcl sigl *
SOQ-by-l '«al
Fs-SJOC 1
|lnlttg« kyril v|
1 I
Рис. 1.34. Окно просмотра спектра импортированного сигнала
СИЛОВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ
2.1. Введение [2, 10, 18]
Краткие сведения по истории развития
в современному состоянию преобразовательной техники
Первые преобразователи электрической энергии появились в 20-х
годах прошлого столетия (XX века). Силовыми элементами этих пре-
образователей служили мощные ламповые тиратроны и игнитроны.
Эти преобразователи имели значительный вес и габариты, имели
сложные и громоздкие системы охлаждения, были крайне ненадежны.
Несмотря на все недостатки, уже тогда они нашли практическое при-
менение в городском и железнодорожном транспорте.
Существенный скачок в развитии преобразовательной техники про-
изошел в шестидесятых годах, когда были созданы первые неуправля-
емые (диолы) и управляемые (тиристоры) силовые полупроводнико-
вые элементы. Эти элементы позволили создать силовые полупровод-
никовые неуправляемые и управляемые выпрямители, которые
получили широкое распространение на железнодорожном транспорте,
в электроприводах постоянного тока и электротермии.
Третий, самый значительный, этап в развитии преобразователь-
ной техники наступил с появлением на рынке первоначально бипо-
лярных высоковольтных транзисторов и полностью управляемых
(GTO) тиристоров, а затем биполярных транзисторов с изолирован-
ной базой IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) и мощных полевых
транзисторов MOSFET (Metal Oxide Semicondactor Field Effect
Transistor).
Основной особенностью этого этапа является, можно сказать, рево-
люционное изменение техники преобразования энергии. Это измене-
ние базируется на значительном увеличении быстродействия полупро-
водниковых преобразователей, что в свою очередь позволяет суще-
ственно уменьшить массы и габариты, повысить КПД и надежность,
реализовать широтно-импульсную модуляцию и микропроцессорное
управление
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Использование силовых полупроводниковых преобразователей в
электроэнергетике, на транспорте, в металлургии и других отраслях
дает громадный экономический эффект. Например, в США на сегод-
няшний день преобразовывается до 70% всей вырабатываемой энергии.
Преобразовательная техника — наука сравнительно молодая. Ог-
ромный теоретический вклад в эту науку внесли советские ученые.
Учеными Москвы, Ленинграда (Санкт-Петербурга), Клева, Минска,
Харькова, Новосибирска, Свердловска (Екатеринбурга), Таллина, Таш-
кента, Алма-Аты и других городов были созданы научные школы,
много давшие развитию преобразовательной техники.
Однако жизнь выдвигает все новые и новые задачи и решение этих
задач вызывает необходимость дальнейшего развития теории и практики
преобразовательной техники. Несомненно, что в этой отрасли ожидаются
новые открытия, интересные научные и техшгческие разработки.
Основные задачи преобразовательной техники
Преобразовательная техника, которая последние годы стала имено-
ваться силовой электроникой, является областью электротехники, в
которой изучаются свойства полупроводниковых преобразователей,
построенных на силовых полупроводниковых приборах (диоды, тири-
сторы, мощные транзисторы).
Полупроводниковые преобразователи, построенные на силовых полу-
проводниковых приборах, служат для преобразования параметров, харак-
теризующих электрическую энерппо. К этим параметрам относятся:
□ тип и форма напряжения и тока (например, постоянные, пере-
менные, синусоидальные, несинусоидальные периодические,
импульсные и т, д.);
□ величина (значение) напряжения и тока (среднее для постоян-
ных, действующее и амплитудное для переменных);
□ частота;
□ число фаз.
Блок-схема полупроводникового преобразователя изображена на
рис. 2.1).
Полупроводниковый преобразователь преобразует электрическую
энергию с параметрами в электрическую энергию с параметрами
и2, f при воздействии сигналов управления.
Кроме силовых полупроводниковых элементов в состав полупро-
водникового преобразователя, как правило, входят н другие элементы.
К ним, в первую очередь, относятся:
Силовые полупроводниковые приборы
55
Рис. 2.1. Блок-схема силового полупроводникового преобразователя
О реактивные элементы-конденсаторы, катушки индуктивности, дрос-
сели;
О электромагнитные преобразующие элементы — силовые транс-
форматоры, измерительные трансформаторы;
□ система управления, которая в общем случае представляет собой
сложное электронное устройство, реализованное либо на эле-
ментах интегральной микросхемотехники, либо на микроконт-
роллере;
Q система защиты и сигнализации аварийных режимов.
Необходимость преобразования электрической энергии возникает
при управлении электрическими машинами, в системах зарядки акку-
муляторов, в электротермии, в системах регулирования освещением в
энергосетях и др.
Силовые полупроводниковые элементы
Тип силовых полупроводниковых элементов определяют тип полу-
проводникового преобразователя, а параметры силового полупровод-
никового элемента определяют его статические и динамические харак-
теристики.
Силовые полупроводниковые элементы в преобразователях, как
правило, работают в ключевом режиме. Этот режим работы характе-
ризуется двумя состояниями:
• открыт для диода и тиристора, насыщен для транзистора;
• закрыт
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
В первом состоянии силовой полупроводниковый элемент имеет
практически нулевое сопротивление для протекания тока, во вто-
ром — практически бесконечное сопротивление. Благодаря такому ре-
жиму работы потери в силовом полупроводниковом элементе очень
малы по сравнению с преобразуемой мощностью. Эти потери склады-
ваются из потерь при протекании прямого тока, когда силовой полу-
проводниковый элемент открыт или насыщен, потерь при протекании
обратного тока, когда силовой полупроводниковый элемент закрыт и
потерь при переключении из одного состояния в другое.
Параметры, приводимые в справочных данных, определяют эти
потери.
Классификация силовых полупроводниковых элементов представ-
лена на рис. 2.2.
В качестве первого критерия классификации выбран тип элемента.
По этому критерию все силовые полупроводниковые элементы разде-
лены на диоды, тиристоры и транзисторы.
В качестве второго критерия классификации выбраны физические
свойства элемента.
Рис. 2.2. Классификация силовых полупроводниковых элементов
яловые полупроводниковые приборы
57
!.2. Силовые
полупроводниковые диоды [3, 10, 13, 18]
Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два
электрода и содержит один (или несколько) р-л-переходов. Силовые
полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрями-
тельные в быстродействующие. Выпрямительные диоды предназначе-
ны для выпрямления переменного тока. Быстродействующие диоды в
схемах полупроводниковых преобразователей служат в качестве обрат-
ных диодов. Они создают пути протекания тока нагрузки при запира-
нии транзисторов.
ыпрямнтелъные диоды
Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные
и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузи-
онные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды, благодаря большой
площади р-л-перехода, используются для выпрямления больших
токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и предназ-
начены для выпрямления малых токов. Эти диоды применяются в
основном для построения выпрямителей в промышленных сетях
переменного тока частоты 50-60 Гц. Электрод диода, подключен-
ный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к
области N, — катодом.
Строение диода видно из рис. 2.3 а, его изображение на принципи-
альной схеме показано на рис. 2.3 6, а его вольт-амперная характери-
стика — из рис. 2.3 в.
Вольт-амперную характеристику диода в открытом состоянии мож-
но аппроксимировать двумя отрезками прямых (рис. 2.3 в), что позво-
ляет определить необходимые параметры — пороговое напряже-
дг/
ине, rd =------динамическое сопротивление) для анализа, расчета и
моделирования.
При прямом напряжении на диоде н UD < Uop ток через диод равен
нулю. Для Ud>Udo диод аппроксимируется сопротивлением
Дг/д „
rd ----—, Таким образом, модель диодв в открытом состояния опн-
Д/4
сывается линейным уравнением
58
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
J±
р
&
"ПГ
Рис. 2.3. Структура, графическое изображение
и вольт-амперная характеристика диода
ив=иро+Мо. (2.1)
В закрытом состоянии сопротивление диода принимается бесконеч-
ным, а ток через диод равным нулю.
Силовые диоды обычно характеризуются набором статических,
предельно допустимых и динамических параметров. К статическим
параметрам диода относятся рассмотренные выше пороговое напряже-
ние и динамическое сопротивление, а также:
□ падение напряжения Uv на диоде при некотором значении пря-
мого тока;
□ обратный ток при некотором значении обратного напряже-
ния;
□ среднее значение прямого тока cf.
В качестве предельно допустимых параметров в паспортных дан-
ных на диоды приводятся следующие:
□ максимальный прямой ток ;
□ максимальное обратное напряжение ma;
□ импульсное обратное напряжение ;
уговые полупроводниковые приборы
59
□ прямой импульсный ток , при оговоренной длительности
импульса.
К динамическим параметрам диода относятся его временные и ча-
стотные характеристики:
а время восстановления обратного напряжения;
□ время нарастания прямого тока;
□ предельная частота без снижения режимов диода
Динамические параметры определяются при переключении диода
Графики такого переключения приведены на рис. 2.4 а. Схема испыта-
ния, приведенная на рис. 2.4 б, представляет собой однополупериод-
ный выпрямитель, работающий на резисторную нагрузку RH и питае-
мый от источника напряжения прямоугольной формы.
Напряжение на входе схемы в момент времени t = 0 скачком при-
обретает положительное значение U„. Из-за инерционности диффузи-
онного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в
течение времени Совместно с нарастанием тока в диоде снижает-
ся напряжение на диоде, которое после 1шр становится равным U^. В
момент времени в цепи устанавливается стационарный режим, при
котором ток диода i= IH RH.
Такое положение сохраняется вплоть до момента времени когда
полярность напряжения питания меняется на противоположную. Од-
нако заряды, накопленные на границе р-л-перехода, некоторое время
поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в
диоде меняется на противоположное. По существу, происходит расса-
сывание зарядов на границе р-л-перехода, т. е. разряд эквивалентной
емкости. После интервала времени рассасывания начинается про-
цесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих
свойств.
К моменту времени г3 напряжение на диоде становится равным
нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс
восстановления запирающих свойств диода продолжается до мо-
мента времени f4, после чего диод оказывается запертым. К этому
времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение дости-
гает значения -Um. Таким образом, время можно отсчитывать
от перехода UD через нуль до достижения током диода нулевого
значения ID = 0.
Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительно-
го диода показывает, что он не является идеальным ключом и в опре-
деленных условиях обладает проводимостью в обратном направлении.
60
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 2.4. Динамические процессы переключения диода (а) и
схема испытания (б)
Следует отметить, что при RH= 0 (что соответствует работе диода
на емкостную нагрузку, либо при включении диода в качестве обрат-
ного) обратный ток через диод в момент его запирания может во мно-
го раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.
Из рассмотрения графиков (рис. 2-4 а) следует, что мощность потерь в
диоде разко повышается при его включении и, особенно, при выключе-
нии. Для снижения этих потерь и обеспечения надежной работы диода
ювые полупроводниковые приборы
61
применяются специальные схемы формирования динамических процес-
сов — снабберы (snubbers). Простейшей схемой сиабера является цепь,
состоящая из последовательно включенных сопротивления и конденса-
тора. Эта схема подключается параллельно аноду и катоду диода (пун-
ктир на рис. 2.4 б). Более подробно о схемах формирования будет ска-
зано при описании динамических режимов работы транзистора.
При моделировании выпрямительных диодных схем используются
виртуальные блоки из библиотеки Power System Blockset (рис. 1.9).
Окно настройки параметров диода показано на рис. 2.5.
В верхнем поле окна (Resistance Ron) задается значение динамическо-
го сопротивления д иода в открытом состоянии в омах, а в третьем поле
(Forward voltage) задается значение порогового напряжения UOT в воль-
тах. В двух последних полях (Snubber resistance, Snubber capacitance) за-
даются параметры цепей формирования (демпфирующих цепей).
rOiode
implements a diode in parallel wrth a senes RC snubber circuit in on-state .the
Diode model has an internal resistance Pon) end inductance (Lon). Few most
e^JplicattonstiejBiem^inductaftceshouidbfrs^to^efaTtieDtoda •
4m₽edance t%m6rute in ofi-state mode, i
1 ...„................- ................. ................z_________._и
- Parameters--------—--------------------- ..........— ----------1
Re$istanceRon(Ohms) ।
Inductan celon (H)~
I5
Forward voltage VI (V)
- |08 ' ' '
Initial current lc{A) , ь
f s
Snubberresistance Rs(Ohms) I
f"
'Snubber capacitance Cs(F): - *
•jo Ole-6 ’ : :
OK " j Cancel [ Неф | £pply j
a. 2.5, Окно настройки параметров диода
(Л
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
2.3. Тиристоры [4, 10, 13, 18]
Тиристор является элементом с четырехслойнон полупроводнико-
вой структурой (рис. 2.6 а). В статическом режиме тиристор может
находиться в трех состояниях:
О запертое состояние при отрицательном напряжении на аноде от-
носительно катода;
□ запертое состояние при положительном напряжении на аноде от-
носительно катода;
□ открытое состояние.
Переход из второго состояния в третье называется включением ти-
ристора. Переход из открытого состояния в запертое называется вык-
лючением тиристора. Вольт-амперная характеристика тиристора при-
ведена на рис. 2.6 в). При увеличении тока управления снижается на-
пряжение включения. Таким образом, тиристор является прибором с
управляемым напряжением включения.
После включения управляющий электрод теряет управляющие
свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор
нельзя. Тиристор может выключиться самостоятельно в том случае,
когда анодный ток станет меньше тока удержания. Обычно считается,
что ток удержания равен нулю. Однако в некоторых случаях, для точ-
ных расчетов, его следует учитывать. Основные параметры тиристора
Рис. 2.6. Структура (а), графическое изображение (б)
и вольт-амперная характеристика (в} тиристора
иловые полупроводниковые приборы
63
во включенном состоянии повторяют параметры диода — порого-
вое напряжение, гт — динамическое сопротивление во включенном
состоянии (рис. 2.6 в). К предельно допустимым параметрам тиристо-
ра относятся:
О допустимое обратное напряжение 6^;
□ допустимый прямой ток 1пр.
К динамическим параметрам относятся время включения и вык-
лючения ?,ы„. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы
параметры импульса тока управления на начальном участке — его
амплитуда 1„
dl.
длительность и скорость нарастания —:----отвечали
dt
определенным требованиям, которые обеспечивают быстрое и надеж-
ное включение тиристора. При включении тиристора после подачи
импульса тока на управляющий электрод проходит некоторое время,
необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений
токов н напряжений в тиристоре при его включении на резистивную
нагрузку приведены на рис. 2.7.
Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое
время задержки которое зависит от амплитуды импульса тока уп-
равления /уюв на начальном участке. В течение времени задержки ток
в тиристоре нарастает до значения тока удержания 7^. Этот ток обыч-
но принимается равным 7^ = 0,17я. При достаточно большом токе уп-
равления время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до
1...2 мкс).
Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно
называют временем нарастания После включения тиристора амп-
литуда импульса тока управления может быть значительно уменьшена.
Процесс выключения тиристора складывается из трех фаз (рис
2.7):
□ фаза нарастания обратного тока через тиристор
□ фаза спада обратного тока до нуля (Гз);
□ фаза восстановления запирающих свойств тиристора (?3).
Только спустя время выключения = G + /2+13 к тиристору мож-
но повторно прикладывать прямое напряжение.
Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого
тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери
при протекании прямого тока рассчитываются так же, как в диодах.
64
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от спо-
соба включения и выключения тиристора.
Способы выключения тиристора (способы коммутации) можно раз-
делить на два:
□ коммутация от сети (естественная);
□ искусственная коммутация, которая, как правило, осуществляет-
ся от предварительно заряженной емкости.
Рис. 2.7. Динамические процессы переключения тиристора
юаые полупроводниковые приборы
«5
Естественная коммутация тлеет место в управляемых выпрямителях,
ведомых сетью инверторах н непосредственных преобразователях часто-
ты, которые описаны ниже. Способы искусственной коммутации и схе-
мы, реализующие эту коммутацию (коммутирующие устройства), доста-
точно разнообразны. На рис. 2.8,2.9 приведены в упрощенном виде наи-
более распространенные схемы коммутирующих устройств. В схемах
(рис. 2.8) процесс коммутации обуславливается образованием колебатель-
ного контура после включения вспомогательного тиристора Tt.
Время /и, предоставляемое на восстановление силового тиристора
Т в этом случае, равно продолжительности протекания тока через
встречно включенный диод Д- При этом к тиристору прикладывается
2.8. Схемы с •мягкой» коммутацией
66
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
небольшое обратное напряжение равное прямому падению напряже-
ния на диоде. Рассмотренная коммутация часто называется «мягкой».
В схемах (рис. 2.9) при включении вспомогательного тиристора Тк к
силовому тиристору сразу прикладывается большое обратное напря-
жение равное начальному напряжению на конденсаторе. Поэтому си-
ловой тиристор практически мгновенно запирается, а время, предос-
тавляемое силовому тиристору на восстановление, равно продолжи-
тельности действия отрицательного напряжения на тиристоре.
Рассмотренная коммутация часто называется «жесткой».
Тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быст-
ром изменении напряжения иа аноде. Это явление получило название
dU
эффекта . Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор
может включится при большой скорости его изменения.
Рис. 2.9. Схемы с "Жесткой- коммутацией
яые полупроводниковые приборы
67
Большие значения может также вывести тиристор из строя. К
такому же результату может привести большая скорость нарастания
тока при включении тиристора. Уменьшить потери при переключении
и защитить тиристор от самопроизвольного включения и выхода из
строя позволяют цепи формирования траектории (снабберы). При мо-
делировании тиристорных схем используются виртуальные блоки из
библиотеки Power System Blockset (рис, 1.9).
Окно настройки параметров тиристора показано на рис. 2.10. В по-
лях окна вводятся параметры тиристора во включенном состоянии и
параметры снабера аналогично тому, как это осуществлялось для диода.
2.10. Окно настройки параметров тиристора
ft
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
2.4. Полностью управляемые GTO-тмристоры [13, 18]
Структура GTO-тиристора в областях анода и катода состоит из
большого числа технологических элементов, представляющих отдель-
ные тиристоры, включенные параллельно, в результате чего он приоб-
ретает способность выключаться по управляющему электроду. Строе-
ние GTO-тирнстора показано на рис. 2.11 а, его изображение на прин-
ципиальной схеме на рис. 2.11 б.
Рис. 2.11. Строение GTO-тиристора. его графическое изображение
и вольт-амперная характеристика
Вольт-амперная характеристика GTO-тирнстора показана на рис.
2.11 а. Она повторяет характеристику обычного тиристора. Во вклю-
ченном состоянии GTO-тиристор характеризуется пераметрами:
Q U-& — пороговое напряжение;
□ динамическим сопротивлением гг.
Динамические процессы при переключении GTO-тиристора пред-
ставлены на рис. 2.12.
Процесс включения состоит из задержки включения в течение вре-
мени ijai и времени нарастания /inv, в течение которого напряжение на
тиристоре уменьшается до 0,1 от первоначального значения. Сумма
этих времен составляет аремя включения t„„ - Для обеспече-
ния малого времени включения и малых потерь при включении ток
»ые полупроводниковые приборы
69
управляющего электрода в начале должен обладать значительной ско-
di А
ростью нарастания Д'1* GTO-тирнсторов характерен до-
вольно медленный процесс выключения, состоящий из двух стадий
(рис. 2.12). На первой стадии ток тиристора спадает до 0,1*0,2 от
своего первоначального значения. На второй стадии происходит дос-
таточно медленное уменьшение тока. Время затягивания процесса
выключения (время «хвоста») обычно больше времени спада и его
необходимо учитывать.
Отрицательный ток управляющего электрода, выключающий тири-
2.12. Динамические процессы при переключении GTO-тирнстора
70
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Сипов
и значительную амплитуду. Для современных GTO-тирнсторов эта ам-
плитуда доходит до 30% от амплитуды тока анода. Для снижения ди-
намических потерь при переключении н обеспечения надежной рабо-
ты в схемах с GTG-тиристорами используются снабберм, аналогичные
рассмотренным выше.
Виртуальная модель GTO тиристора находятся в библиотеке Power
System Blockset (рис. 1.14). Окно настройки параметров модели пока-
зано на рис. 2.13. В отличие от диодов и обычных тиристоров здесь
добавлено два поля для ввода динамических параметров. В поле
Current 10% fall time вводится время спада в секундах, а в поле
Cunent tail time вводится время затягивания в секундах.
2.5.
-Ota (masRJ(lmk£’-— -----—-----------“—г—------1----—-------------------
ImplementsaGTOttynstorin parallel with asanes RCsnubbercucort.
omstete thaGTO model has iMemei.reeistance (Ron} ancfmductancs^Lonyin ,'
off-statetheGTOmodel hasinfindaimpedancs.Thaintemalinductance'ji.:
cannotbe setts zero > ,
Discretization ottheGTOis available ontythroughiri’eUnrversel'BndgebloGk. <
Resistance Ron (Ohms) « * r
. jo GT ...................................................... — , ,
1пЬиЛалсеЬоо(Н)' < i
ф е-б ui.-.i-
Forward voltage M M
=jo 8 .......... ' ............""
Currerrfl£l%'fafiiimeTf(s) (
. JToe? •
Current tail time 13(b) < -
- — • ——— ———— ——;
IriitntcarrMtflc^-r ' 4
1°.
Snubber resistance Rs (Ohms)' ' t"
ji ooo ' J
Snubbar capacrtanceCmfF) 1 'v1'
ii4 |?5emB ————-
1 OK 1 . Cancel j. Help'
Рис.
бипот
Рис. 2.13. Окно настройки параметров GTO-тиристора
Силовые полупроводниковые приборы
2.5. Биполярные транзисторы [13, 14, 15, 16]
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор,
имеющий два взаимодействующих между собой р-п-перехода. Техноло-
гия изготовления биполярных транзисторов может быть различной —
сплавливанне, диффузия, эпитаксия, — что в значительной мере опре-
деляет характеристики прибора.
В зависимости от последовательности чередования областей с раз-
личным типом проводимости различают л-р-л-транзисторы и р-п-р-
транзисторы.
Устройство плоскостного л-р-л-транзистора приведено на рис.
2. 14 о, его условное обозначение — на рис. 2.14 б. Аналогичные
Рис. 2.14. Устройство (а, в) и графические изображения (б, г)
биполярных транзисторов
Средняя часть рассматриваемых структур называется базой, одна
крайняя область — коллектором, а другая — эмиттером. Различают
следующие режимы работы транзистора: линейный (усилительный),
насыщения и отсечки В лиисниом режиме работы транзистора эмит-
терный нереход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в
обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом на-
правлении, а в режиме отсечки — в обратном. Работа транзистора
основана на управлении токами электродов в зависимости от прило-
женных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда пере-
72
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряже-
нию, через него протекает ток базы is. Протекание тока базы приводят
к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем
ток коллектора определяется как jt = Bi6, где В — коэффициент пере-
дачи тока базы. Входная и выходные вольт-амперные характеристики
транзистора показаны на рис. 2.15 а и рис. 2.15 б соответственно.
Рмс. 2.15. Вольт-амперные характеристики транзистора
Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в ли-
нейной области. Во-первых, приращение тока коллектора пропорцио-
нально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не за-
висит от напряжения на коллекторе. В-третьих, напряжение на базе не
зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы. Из
сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых
приращений тоха можно заменить источником тока коллектора, управ-
ляемого током базы. При этом если пренебречь падением напряжения
между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким
замыканием.
Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходи-
мо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе
не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание
коллекторного перехода. Условием насыщения транзистора является
равенство нулю напряжения = иь - и^, - 0. При глубоком насыще-
нии транзистора выполняется условие > 0. В любом случае при
переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е.
ток базы превышает значение, необходимое для получения данного
Силовые полупроводниковые приборы
73
тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выпол-
нение условия = 0 обычно называют граничным режимом, т. к. он
характеризует переход транзистора из линейного режима в режим на-
сыщения. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффици-
ентом насыщения, который определяют как отношение тока базы 1&цлс
транзистора в насыщенном режиме к току базы в граничном ре-
жиме. При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается
большое количество неосновных носителей, которые задерживают
выключение транзистора. Поскольку в режиме насыщения напряже-
ние между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом ре-
жиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором па-
дает небольшое напряжение.
В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение
напряжения на насыщенном ключе.
Другим ключевым режимом биполярного транзистора является ре-
жим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложе-
нием между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным
режимом в этом случае является выполнение условия и^= 0. В режи-
ме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом. Таким
образом, два ключевых режима транзистора — насыщения и отсеч-
ки — позволяют использовать транзистор, как замкнутый или разомк-
нутый ключ.
Транзисторные ключи находят широкое применение в различных
электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации
сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих
применениях транзистор попеременно переводится из режима насы-
щения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным
является скорость переключения такого ключа, которая обычно харак-
теризуется временем переключения или максимальной частотой ком-
мутации.
Процессы включения и выключения транзисторного ключа показа-
ны на (рис. 2.16).
При включении транзистора в его базу подается прямоугольный
импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установив-
шегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое
время задержки спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем
ток в коллекторе плавно нарастает и после времени достигает ус-
тановившегося значения.
При выключении транзистора на его базу подается обратное напря-
жение, в результате чего ток базы меняет свое направление я становит-
ся равным /5(ЫМ. Пока происходит рассасывание неосновных носителей
74
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 2.16. Динамические процессы при переключении биполярного транзистора
заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Время, в течение
которого ток базы сохраняется постоянным, называется временем рас-
сасывания После окончания процесса рассасывания происходит
спад тока базы, который продолжается в течение времени Таким
образом, время выключения транзистора равно ~ />шсг+ Следует
особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на измене-
ния тока базы, транзистор в течение времени остается включенным
и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора
начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они
практически одновременно.
Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзи-
стора перед его выключением. Минимально? время выключения полу-
чается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса
рассасывания в базу пропускают обратный ток, который зависит от
обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое
обратное напряжение нельзя, т. к. может произойти пробой перехода
база-эмитгер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не
превышает 5...7 В.
В справочных данных обычно привадят времена включения, спада и
рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов аремя рассасывания
имеет значение 0,1...0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов
Силовые полупроводниковые приборы
75
оно достигает 10 мкс. Для уменьшения динамических потерь при пере-
ключении и обеспечения надежной работы транзистора параллельно
ему подключаются цепи формирования траектории (снабберы).
2.6. Полевые MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor
Held Effect Transistor) трензисгоры [13, 18]
В полевых или униполярных транзисторах изменение проводимос-
ти проводящего канала осуществляется с помощью электрического
поля, перпендикулярного направлению тока. Электроды, подключен-
ные к проводящему каналу, называются стоком (Drain) и истоком
(Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напря-
жение управления, которое создает попе в канале, подключается меж-
ду затвором и истоком. В силовых транзисторах MOSFET использует-
ся конструктивно изолированный от проводящего канала затвор. Уст-
ройство транзистора показано на рис. 2.17 а. Графическое
представление транзистора на схеме показано на рис. 2.17 б.
ПолупрЭ™01’ И7°“ С’.°к
водтакХ^ тп~--'1-
Подложка |
б)
а)
Ъгс. 2.17. Устройство (а) и графическое представление (б) MOSFET-транзистора
Аналогично биполярному транзистору полевой транзистор имеет
две области работы: область линейного режима и область насыщения
(область малого сопротивления сток-и сток). В этих режимах
MOSFET-транзистор ведет себя аналогично биполярному транзистору.
Входная и выходные вольт-амперные характеристики MOSFET-тран-
зистора приведены на рис. 2.18 а, б.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Область
Актввваяобласт .
а) б)
Рис. 2.18. Вольт-амперные характеристики MOSFET-транэистора
Динамические характеристики нолевых транзисторов при ключе-
вом режиме работы рассмотрим на примере процессов включения и
выключения, пользуясь схемой, изображенной на рис. 2.19 а.
Для переключения транзистора на его затвор подается прямоуголь-
ный импульс напряжения Ua. При подаче прямоугольного импульса от
источника и„ вначале происходит заряд емкости Ся через сопротивле-
ние источника сигнала R№ До тех пор, пока напряжение на емкости
Сж не достигает порогового напряжения ток стока равен нулю и
напряжение на стоке равно напряжению источника питания Ед.
Когда емкость Сж зарядится до Ua<v, транзистор некоторое время
будет находиться в области насыщения В этом случае входная ем-
кость транзистора резко увеличится.
Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьша-
ется обратно пропорционально увеличению емкости С„. По мере уве-
личения напряжения на затворе будет постепенно нарастать ток стока
и уменьшаться напряжение на стоке. Таким образом, процесс заряда
емкости С„ будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на стоке
не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в ли-
нейной области. При этом входная емкость станет равной С„ и ско-
рость ее заряда резко увеличится. В результате в конце процесса
включения транзистора иа затворе будет напряжение Ug.
Следует отметить, что в результате процесса включения выходной
импульс тока стока задерживается относительно поступления импуль-
са управления на время Аналогичный процесс происхо-
дит при выключении транзистора: имеется время задержки выключе-
Силовые полупроводникоеые приборы
Рис. 2.1 Я. Схема (а) и динамические процессы переключения
полевого транзистора (б)
ния /мами, время выключения в течение которого спадает им-
пульс тока стока, и время установления исходного состояния.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Виртуальная модель MOSFET-траязнстора находится в библиотеке
Power System Blockset (рис. 1.14). Окно настройки транзистора пока-
зано на рис. 2.20. В MOSFET-транзисторах параллельно транзистору
технологически встроен обратный диод. В поле Internal diode
resistance вводится его динамическое сопротивление в проводящем
состоянии.
Block Parameters Mosfet
-Mosfet(iwaH--------------------------------------------------------
, MOSFETirrparalfeiwrth^ senesROsnubber arcuft fn tfn-state.the MOSFET
modelhas'iritemaifesist^re(Ron)ar^induc!ancs(Lon)l[nbOt&e the‘-<;<
- MOSFETrnodef^psrnliriite impedance; TheinternalinductaBcacannotbeset
to zero'’’ ’•>, __________ e
• DiscrebzafionOfftrsMbSFETisavarlabJeonlythroijghlhaUnisrersalBndgs.,;
btodc? „ и - , » v f» r
........._____
-Parameters^-—;; --------- — .....—------------— --------:
MOSFEXbrpStete resistance Ron (Ohms)
i ,Ж||о ooi[ ’ ""
MOSFETcn-stateinductanceLcnfH)” fc
Internal diode resistance Rd (Ohms) *
(j 5K?i[ooi ' 1
1 " lnltal^lтent1c(Aj, ‘ ‘
' a
fXS^?berjBsTstonce Rs (Ohms) 1 ~ X ' & ». ’ ’
.a .
' , Snubber capacitance Cs(F) ‘ 7”
s MhjO.Ole-б ‘ Г
___________________i
< l‘ r Cancel j Help .] ^Rpi/ > |
Рис. 2.20. Окно настройки параметров MOSFET-транзистора
Силовые полупроводниковые приборы
2.7. Биполярные IGBT (Insulated Gate Bipolar
: Transistor) транзисторы [13]
Биполярные транзисторы с изолированным затвором выполнены
как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изоли-
рованным затвором и выходного биполярного л-/т-п-транзистора. Име-
ется много различных способов создания таких приборов, однако наи-
большее распространение получили приборы IGBT, в которых удачно
сочетаются особенности полевых транзисторов и дополнительного
биполярного транзистора.
При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затво-
ром образуется паразитный биполярный транзистор, который не нахо-
дил практического применения. Схематическое изображение такого
транзистора приведено на (рис. 2.21 а).
Рис. 2.21. Схематическое изображение IGBT-транзистора
На этой схеме VT-полевой транзистор с изолированным затвором,
VTl-паразитный биполярный транзистор, Я1 — последовательное со-
противление канала полевого транзистора, R2 — сопротивление, шун-
тирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора VT1. Благо-
даря сопротивлению R2 биполярный транзистор заперт и ие оказывает
существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Сгрукту-
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ра транзистора IGBT дополнена еще одним р-п-лереходом, благодаря
которому в схеме замещения (рис. 2.21 б) появляется еще один р-п-р-
транзистор VT2.
Образовавшаяся структура из двух транзисторов VT1 и VT2 имеет
глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток
коллектора транзистора VT2 влияет на ток базы. На рис. 2.22 б приве-
дены выходные вольт-амперные характеристики IGBT-транзистора.
Эта характеристики аналогичны характеристикам биполярного
транзистора. Условное схематическое изображение транзистора 1GBT
прнаедеио на рис. 2.22 а. Это обозначение подчеркивает его гибрид-
ность тем, что изолированный затвор изображается как в полевом
транзисторе, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у
биполярного транзистора.
Ряс. 2.22. Графическое изображение и
еольт-амперные характеристики !GBT-транзистора
Рис
2.1
Динамические процессы переключения IGBT-транзистора практи-
чески повторяют процессы GTO-тирнстора.
Виртуальная модель IGBT-транзистора находятся в библиотеке
Power System Blockset (рис. 1.14). Окно настройки параметров транзи-
стора показано на рис. 2.23. Статические и динамические параметры
IGBT-транзистора аналогичны параметрам GTO-тирнстора (рис. 2.13).
81
2.8. Интегрально-модульныа конструкции
Развитие технологии изготовления силовых полупроводниковых эле*
ментов привело к созданию модульных и интегральных силовых эле-
ментов. В модульных конструкциях, как правило, технологически со-
единены транзистор и, включенный ему встречно-параллельно, быстро-
действующий обратный диод. В интегральных конструкциях (Р1С —
Power Integrated Circuit) объединено несколько модулей, образующих
силовой полупроводниковый преобразователь. В пакете расширения
Power System Blockset реализован интегральный модуль (рис. 1.14), яв-
82
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ляющяйся универсальным силовым полупроводниковым преобразовате-
лем. Принципиальные схемы всех реализуемых преобразователей при-
ведены на рисунках 2.24, 225, 2.26. При этом могут быть реализованы
Diode bridges.
одноплечевые схемы, когда используются только одно плечо, мостовые
однофазные схемы и трехфазные мостовые схемы. В зависимости от
назначения преобразователя зажимы переменного тока АВС могут быть
входными (левые схемы рис. 2.24, 2.25, 2.26), либо выходными (правые
схемы рис. 2.24, 2.25, 2.26).
Окно настройки универсального преобразователя показано на рнс.
2.27. В полях окна задаются следующие параметры универсального
моста:
□ количество плеч моста;
□ параметры демпфирующих цепей;
□ полупроводниковые элементы моста;
□ статические параметры этих элементов в открытом (насыщен-
ном) состоянии;
□ динамические параметры полупроводниковых элементов;
□ в поле Measurement выбираются переменные состояния, которые
измеряются блоком Multimeter.
Силовые полупроводниковые приборы
83
MOSFET-ОЮМ ъмде$-
-----------в
Рис. 2.25. Мосты на GTO-тиристорах (а) и MOSFET-транзисторах (б)
ювт-01ий brtfges.
Рис. 2.26. Мосты на IGBT-транзисторах (а) и идеальных ключах (б)
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 2.27. Окно настройки блока Universal Bridge
2.9. Предельные режимы работы транзисторов [13, 14]
Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяют-
ся машинально допустимыми напряжениями и токами, максимальной
рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибо-
ра. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя
или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения ос-
новных параметров транзисторов, могут быть: слишком высокое об-
ратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при
увеличении тока через переходы.
В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются пре-
дельные эксплуатационные параметры:
□ максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-
эмиттер или сток-исток СЛ—„;
'яловые полупроводниковые приборы 85
□ максимально допустимое импульсное' напряжение коллектор-
эмиттер или сток-исток
□ постоянный или импульсный токи коллектора ItBax и ZtKMX и та-
лие же значения тока стока полевых транзисторов;
□ постоянный или импульсный токи базы /ьпихИ 7^.
□ постоянное или импульсное напряжение на затворе и1аяхи
и^->
□ постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора
Pkmn и Z’tKtmxt 1и1Я аналогичные мощности, рассеиваемые стока-
ми Р£ ИШ1 и Рси!Г„;
□ предельная температура перехода ТДП1Хили корпуса прибора Т^т.
Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены
развитием одного из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по
току — токового или теплового, по мощности — вызванного достиже-
нием максимальной температуры перехода.
1нды пробоя
Механизмы развития пробоев в транзисторах могут быть различными,
однако независимо от этого все виды пробоев можно условно разделить
на перанчные и вторичные. Первичные пробои транзистора отличаются
тем, что они являются обратимыми. Если транзистор попадает в режим
первичного пробоя, то его нормальная работа нарушается, однако при
выходе из режима пробоя его работоспособность восстанавливается.
Любой вторичный пробои необратим, т к. после него происходит дегра-
дация транзистора, обусловленная порчей переходов. Основными видами
первичных пробоев являются лавинный, тепловой и токовый.
Лавинный пробой иногда пятнают электрически*, т. к. он возника-
ет при высоком значении напряжения обратного смещенного перехода.
В справочных данных транзистора можно найти три различных
значения напряжений лавинного пробоя:
□ напряжение С7ьо— напряжение пробоя при отключенной базе
= 0);
□ напряжение Ub3> иы'— напряжение пробоя при включении
между базой н эмиттером сопротивления Rk (при R, = 0);
□ напряжение C7b.to— напряжение лавинного пробоя при базе, за-
тороченной с эмиттером (Я* = 0).
На рис. 2.28 показаны вольт-ампервде характеристики транзистора в
режиме лавинного пробоя при различных условиях в «и базе. Отсюда вид-
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
8S
но, что при использовании транзистора при напряжениях, близких к пробою,
можно существенно влиять на напряжение пробоя схемным путем.
Тепловой пробой транзистора возникает вследствие лавинообраз-
ного нарастания температуры р-л-перехода. С ростом температуры пе-
рехода возрастают токи утечки и полупроводник переходит в проводя-
щее состояние, а р-л-переход исчезает. В реальных условиях это явле-
ние пе всегда ограничивает рост температуры, г. к. уже при более
Рис. 2.28. Вольт-амперные характеристики транзистора в режиме лавинного
пробоя при различных условиях в его базе
низких температурах может наблюдаться резкая зависимость от тем-
пературы одного или нескольких из основных параметров, например,
коэффициента передачи тока или предельного рабочего напряжения.
Рассеяние мощности транзистором имеет место при любом режиме
работы, однако оно максимально, когда транзистор находится во
включенном состоянии или выключается. При высокой частоте комму-
тации потери растут пропорционально частоте. С увеличением по-
требляемой мощности растет и температура транзистора.
Для оценки теплового режииа транзистора используют понятие
теплового сопротивления, под которым понимают сопротивление эле-
ментов транзистора распространению теплового потока от коллектор-
ного перехода к корпусу или в окружающую среду.
В справочных данных на транзисторы обычно приводятся:
□ тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-среда) R№;
Лиловые полупровсдниковые приборы
87
□ предельно допустимая температура перехода Т^;
□ предельная средняя (или импульсная) мощность потерь в тран-
зисторе
□ предельно допустимая температура корпуса прибора Тжтм.
Температуру корпуса транзистора можно измерять непосредствен-
но. Для этого на мощных приборах может быть указана точка, в кото-
рой следует производить это измерение.
Вторичный пробой транзистора возникает или после развития од-
ного из видов первичного пробоя, или непосредственно, минуя разви-
тие первичного пробоя. Непосредственное развитие вторичного про-
боя происходит обычно в области сравнительно высоких напряжений
на коллекторе и саязано с развитием так называемого «токового шну-
ра». При это коллекторный ток концентрируется в очень малой обла-
сти коллектора, которая проплавляется и замыкает коллектор с базой.
Если транзистор работает в усилительном режиме, то развитие вто-
ричного пробоя и возникновение токового шнура связано с потерей
термической устойчивости, при которой увеличение тока в каком-либо
месте структуры приводит к повышению ее температуры, а повыше-
ние температуры увеличивает ток. Этот процесс нарастает лавинооб-
разно я приводит к проставлению структуры.
Для развития вторичного пробоя требуется определенное время,
которое может составлять 1... 100 мкс. Это время называют временем
задержки развития вторичного пробоя. Если время нахождения тран-
зистора в опасном режиме меньше времени развития вторичного про-
боя, то вторичный пробой не возникает. Поэтому при коротких дли-
тельностях импульсов тока в транзисторе вторичный пробой может и
не развиться. Исследования показали, что при развитии вторичного
пробоя (во время задержки), в цепи базы могут возникать автоколеба-
ния сравнительно большой частоты, которые могут быть использова-
ны для предсказания опасного значения тока и защиты транзистора.
Область безопасной работы транзистора определяет границы ин-
тервала надежной работы транзистора без захода в область одного из
видов пробоя. Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в
координатах /((/). Различают статическую и импульсную ОБР. Стати-
ческая ОБР (рис. 2.29) ограничивается участками: токового пробоя (1),
теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного пробоя (4).
При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки
имеют вид прямых линий.
Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током кол-
лектора и максимальным импульсным напряжением пробоя
u
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
При малых дяитез&иостях импульсов на ней могут отсутствовать участ-
ки, обусловленные тепловым пробоем. При длительности импульса ме-
нее 1 мкс импульсная ОБР имеет только д&е границы Z..»^ и При
увеличении длительности иьнтульса появляются участки, ограничиваю-
щие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2).
Яке. 2.2$. Области безопасной работы транзистора
Границы областей безопасной работы транзистора зависят от тем-
пературы его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзисто-
ра границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются
влево. Границы ОБР, обусловленные лавинным или вюричным пробо-
ем, [фактически от температуры не зависят.
Защита транзисторов от нробоя. При использовании транзистора
необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБР без
выхода за ее пределы. Даже кратковременный выход рабочей точга за
пределы соответствующей ОБР, влечет за собой попадание транзистора
в область пробоя. С целью защиты транзистора от возможного пробоя
обычно формируют траевторию его переключения при работе в ключе-
вом режиме. Для этого к транзистору подключают дополнительные
цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Пара-
метры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным
путем.
Примеры выполнения цепей формирования траектории (снабберов)
для силовой транзисторной стойки приведены на рис. 2.30.
Простая ЯС-ценочка (рис. 2.30 а) обычно не устраивает проекти-
ровщиков, т.к. допускает значительное превышение напряжения на
Силовые полупроводниковые приборы
«9
коллекторе транзистора в процессе запирания. Типовым решением яв-
ляется схема, приведенная на рис. 2.30 б.
Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК в
начальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим
разрядное сопротивление.
Рост коллекторного напряжения при запирании обеспечивается за счет
выбора достаточно большой емкости демпфирующего конденсатора.
Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзисто-
ра до полного напряжения источника питания, а при следующем
включении транзистора полностью разряжается через разрядное со-
противление. Это обстоятельство обуславливает достаточно большие
потери в демпфирующих цепях. Избежать их можно, применяв схему
(рис. 3.24 в), где конденсатор всегда находится под напряжением пита-
ния и стабилизирует напряжение иа коллекторе, срезая коммутацион-
ный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но не
исключает полностью возможность возникновения ВП.
Выбор демпфирующей пепотки зависят от условий работ транзистора.
Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо опреде-
ленное время, в течение которого коцдевсвтор разряжается через транзи-
стор, подготавливая условия для последующего его выключения. Отме-
ченное требование часто пе удается реализовать при щиротно-импульс-
ной модуляции, а именно такая модуляция чаще всего используется при
управлении транзисторным силовым преобразователем.
Для управления силовыми транзисторами разработаны и изготовле-
ны специальные интегральные схемы управления (ИС) (далее иа ри-
сунках пт. 3, 4, 5 они обозначены как усилители), получившие назва-
ние драйверов. Эти ИС преобразовывают стандартные сигналы от
микросхем или от микропроцессора в сигналы, которые управляют
силовым транзистором.
По выполняемым функциям ИС можно разделить на несколько групп:
О ИС усиления и согласования уровней;
О ИС усиления, согласования уровней и индикации аварийных ре-
жимов;
□ ИС усиления, согласования уровней и активного токоограниче-
ння путем снижения уровня управляющего сигнала и контроля
времени аврийного режима;
□ ИС усиления, согласования сигнала с активным токоограяичите-
лем и контроля напряжения коллектор-эмиттер на включенном
транзисторе.
90
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Практически асе ИС имеют гальваническую развязку со схемой управ-
ления (микропроцессором) и индикацию снижения напряжения питания.
В качестве примера на рис. 2.31 показана схема активного токоог-
раничения тока силового транзистора с использованием ИС IR2121
фирмы International Rectifier.
В ней использован гальванически изолированный датчик тока,
включенный в цепь эмиттера выходного транзистора. При достижении
током транзистора установленного уровня ИС обеспечивает гокоогра-
ничение и удержание тока коллектора на этом уровне в течение допу-
стимого интервала времени, после чего происходит выключение сило-
вого транзистора и сигнализация об аварии.
Существует большое количество различных схемных решений за-
щиты силового транзистора. Большинство из них в настоящее время
реализовано уже на технологическом уровне, как интеллектуальные
силовые интегральные схемы (Smart Rower IC).
Рис. 2.31. Схема управления и защиты силового
транзистора на ИС IR2121
СИЛОВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
С КОММУТАЦИЕЙ ОТ СЕТИ
3.1. Введение
К силовым полупроводниковым преобразователям с коммутацией
от сети относятся выпрямители, управляемые выпрямители, ведомые
сетью инверторы и непосредственные преобразователи частоты.
Выпрямители и управляемые выпрямители средней и большой
мощности находят применение для питания постоянным током раз-
личных промышленных объектов и установок. Их используют для
питания сети постоянного тока городсюго и железнодорожного транс-
порта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных
тиристорных преобразователях, предназначенных для работы на дви-
гатель постоянного тока.
Выпрямители и управляемые выпрямители, рассматриваемые в
этой и последующих главах, строятся с использованием диодов и ти-
ристоров. Выпрямительные установки средней и большой мощности
выполняются преимущественно по многофазным схемам. Применение
многофазных схем снижает загрузку полупроводниковых приборов по
току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульса-
ции выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглажива-
ния. Вместе с тем существуют потребители постоянного тока, которые
в силу тех или иных условий получают энергию от однофазных вып-
рямителей. Такие выпрямители применяют в электрифицированном
транспорте. Их используют также в некоторых видах сварочных уст-
ройств, электровибраторов и т. д.
В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и
большой мощности входит встречная эщ.с.- (двигатели постоянного
тока, электролитические ванны) и активное сопротивление. Встречная
э.д.с. и активное сопротивление обычно сочетаются с последователь-
ным соединением индуктивности, либо присущей самой' нагрузке,
днбо дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребля-
емого тока.
94
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Если учитывать достаточно большую величину индуктивности в
цепи нагрузки (что часто имеет место на практике), то независимо от
того, содержит ли потребитель встречную э.д.с. и индуктивность или
его сопротивление имеет активно-индуктивный характер, режим рабо-
ты выпрямителя остается одним и тем же. Это позволяет учитывать
более простые параметры Rhh Lh в цепи нагрузки.
3.2. Однофазные управляемые выпрямители [10, 18]
В большинстве случаев применения выпрямителей приходится ре-
шать задачу управления средним значением выпрямленного напряже-
ния иа нагрузке UH. Это обуславливается необходимостью стабилиза-
ция напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения пита-
ющей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на
нагрузке с целью обеспечения требуемого режима ее работы (напри-
мер, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с
нулевым выводом трансформатора н мостовой схеме. Принцип дей-
ствия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рас-
смотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы
укажем лишь ее особенности. При наличии значительной индуктивно-
сти нагрузки на выходе управляемого выпрямителя, как правило,
включается обратный диод (рис. 3.1 а).
В дальнейшем рассматриваются управляемые выпрямители, рабо-
тающие на нагрузку со значительной индуктивностью, при которой
можно считать ток нагрузки идеально сглаженным.
Рис. ЭЛ. Однофазный управляемый выпрямитель (начало)
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от cent 95
Рис. 3.1. Однофазный управляемый выпрямитель (продолжение)
96
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Временные диаграммы напряжении и токов, приведенные на рис.
3.1 б — з, поясняют режим работы схемы.
На интервале 0 - 0Х| тиристоры Т1 й Т2 закрыты, напряжение на
выходе выпрямителя ин = 0 (рис. 3.1 в).
В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя
поступает импульс не управляющий электрод тиристора Т1. В резуль-
тате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вто-
ричной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале ~ п
формируется напряжение ин (рис. 3.1 в), представляющее собой уча-
и. н*.
сток кривой напряжения Uj =— (п=—- — коэффициент трансфор-
п w2
мацин трансформатора). Через нагрузку н тиристор Т1 протекает один
и тот же ток (рис. 3.1 <3). При переходе напряжения питания через
нуль (ох = п) ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор
закрывается, а ток нагрузки поддерживаемый энергией, накопленной в
индуктивности, протекает через обратный диод. Вследствие этого ток
нагрузки, после перехода вторичного напряжения через нуль, перево-
дится в цепь диода Do. Из-за шунтирования диодом выходной цепи
выпрямителя в кривой выходного напряжения создаются нулевые па-
узы.
Очередной отпирающий имнульс подается на тиристор Т2. Отпира-
ние этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той
же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интер-
вале 2л - ох2 проводимости тиристора Т2 напряжения двух вторичных
обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие
чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует
обратное напряжение (рис. 3.1 з). Максимальное обратное напряжение
на тиристоре равно UT = 2-4211., где U2 =—Ц =— — действую-
», п
щее значение вторичного напряжения трансформатора. В последую-
щем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.
Потребляемый из сети ток i, является переменным с практически
прямоугольной формой н амплитудой равной , где ток на-
п
грузки. Первая гармоника потребляемого тока ^(1) отстает от напря-
жения сети по фазе (рис. 3.1 б). Это приводит к потреблению выпря-
мителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказыва-
ется на энергетических характеристиках.
Скяевые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 97
Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован
с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является
вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного
напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряже-
ния сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напря-
жений определяет фазу а, при которой схема вырабатывает импульс,
затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристо-
ра. Изменение фазы а управляющего импульса достигается изменени-
ем уровня входного напряжения управления и„. Функциональная схе-
ма такого управления приведена на рис. 3.2 а.
Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного
напряжения ГГТН и синхронизированное с напряжением сети с помо-
щью устройства синхронизации (УС), подается на схему сравнения
СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение
«„(сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на фор-
мирователь импульсов ФИ, затем на распределитель импульсов (РИ),
на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обла-
дающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается
на управляющий электрод. Обычно между распределителем импуль-
сов и оконечными усилителями используются схемы гальванической
развязки, что на рис. 3.2 а условно показано ломаной стрелкой.
Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя яв-
ляется его способность регулировать среднее значение выпрямленного
напряжения при изменении утла а (рис. 3.1).
При а = 0 кривая выходного напряжения «я соответствует случаю
неуправляемого выпрямителя и среднее напряжение на нагрузке
(/„ = = 0,9(Jj максимально. При угле управления Ct =п ,UH = О
я
Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла а от
О до 180° осуществляет регулирование напряжения ин в пределах от
максимального значения, равного 0,9f72 до нуля. Зависимость средне-
го напряжения Un от утла называется регулировочной характеристи-
кой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для
среднего значения напряжения на нагрузке. Это напряжение на интер-
вале а — я соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис.
3.1 а), т. е.
(3.1)
98
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.2. Функциональная схема вертикального управления
управляемого выпрямителя
Результат расчета дает
где иНлт = 0,9 U, — среднее значение напряжения на нагрузке при
а = 0.
На рис. 3.3 показана регулировочная характеристика управляемого
выпрямителя, построенная по выражению (3.2).
йге. 3.3. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя
Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя приведе-
на на рис. 3.4 а.
Режим работы и регулировочные характеристики мостового управ-
ляемого выпрямителя такие же, что и однофазного выпрямителя с
нулевой точкой. Отличие проявляется в форме кривой обратного на-
пряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется на-
пряжением и2, а в схеме с нулевым выводом — напряжением 2и2. По
указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на
напряжение -Лиг, вдвое меньшее, чем в схеме с нулевой точкой.
Формы кривых напряжений и токов в схеме однофазного мостового
выпрямителя представлены на рис. 3.4 6 — з. При а = 0 все получен-
ные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя.
3.3. Коммутация тока и внешние характеристики
однофазных управляемых выпрямителей [10, 18]
В выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние
эд.с., создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформато-
ра их магнитными потоками рассеяния.
100
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.4. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 101
Повышение роли индуктивностей рассеяния сказывается на про-
цессе перехода тока нагрузки с одного тиристора на другой (процесс
коммутации). В маломощных выпрямителях, ввиду относительной
малости индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, указан-
ный переход тока протекает за короткий интервал времени. Коммута-
цию тока в этих выпрямителях считают мгновенной и ие учитывают.
В выпрямителях же средней и большой мощности интервал комму-
тации, характеризуемый углом у, может занимать довольно значи-
тельную часть длительности рабочих процессов. Коммутационные
процессы здесь оказывают существенное влияние на работу, показа-
тели и характеристики выпрямителя. Влияние индуктивностей рассе-
яния обмоток трансформатора LSb Ln, а при более точных расче-
тах— н индуктивности питающей сети Lc, учитывается суммарной
индуктивностью
L. =A1+<t.1 + t,X—)'
(или суммарным индуктивным сопротивлением ха = 2nfLa), приведен-
ной к вторичной обмотке трансформатора.
Процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характе-
ристики выпрямителя рассмотрим вначале для однофазной схемы с
нулевым выводом. Поскольку неуправляемый выпрямитель является
частным случаем управляемого при a = 0, анализ проводится для уп-
равляемого выпрямителя. При a = 0 все полученные соотношения
действительны для неуправляемого выпрямителя. Нагрузка принима-
ется активно-индуктивной с LH—*
Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных
процессов в схеме выпрямителя, приведены на (рис. 3.5 б - е).
Влияние проявляется в том, что при подаче отпирающего им-
пульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления xat и хаг
затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводившего тирис-
тора и нарастания до значения 1Н тока тиристора, вступающего в
работу (рис. 3.5 д). В результате, на интервале коммутации у в про-
водящем состоянии одновременно находятся оба тиристора выпря-
мителя (тиристпры Т1 и Т2 на рис. 3.5 а}. Эти тиристоры создают
короткозамкнутый контур для последовательно соединенных вторич-
ных обмоток трансформатора с суммарным напряжением 2иг и со-
противлением + хй. Если считать хв1 = х^, то к каждому из этих
сопротивлений прикладывается напряжение иг. Напряжение на на-
грузке ин при учете угла коммутации у определяется выражением:
102
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.5. Электромагнитные процессы а схеме У8
полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
103
и =u tZzzZ±-Lii±
И И И mu о
2 Л
(3-3)
Уравнение (3.3) описывает внешние характеристики управляемого
выпрямителя. Для рахтичных значений угла управления они представ-
ляются семейством параллельных прямых (рис. 3.6). Наклон характе-
ристик зависит от величины приведенного к вторичной обмотке
трансформатора суммарного реактивного сопротивления хо. Выпрями-
телю, выполненному на диодах (неуправляемый выпрямитель), соот-
ветствует внешняя характеристика со значением а = 0. Здесь же пун-
ктиром показаны внешние характеристики управляемого выпрямителя
без учета коммутации, Эти характеристики построены по уравнению
3.2, они представляют собой прямые параллельные оси тока.
Коммутационные яаления в схеме управляемого выпрямителя
приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относи-
тельно напряжения питания. Фазовый сдвиг первой гармоники по-
требляемого тока ?|(1) растет пропорционально ушу коммутации и
составляет <р = а+-^.
Кривая напряжения па тиристоре (см. рис. 3.5 в) отличается от
аналогичной кривой (рис. 3.1 в) увеличением интервала его проводи-
мости на время коммутации. С учетом угла у к тиристору при запи-
рании прикладывается скачок обратного напряжения равный
2V2t72sin(a + y).
«с. 3.6. Внешние характеристики однофазного УВ
104
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Коммутационные процессы в однофазном мостовом управляе-
мом выпрямителе подобны процессам в однофазной схеме с нуле-
вой точкой. Особенность заключается в том, что на этапе коммута-
ции в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре
тиристора.
Уравнение внешних характеристик мостовой схемы записывается в
виде:
, _ 1 + coscc 2l„xa
Н ‘Him 2
Первая гармоника потребляемого из сети тока ^(1) в мостовой схе-
ме также сдвинута в сторону отставания относительно напряжения
питания на угол д» = а+у/2.
Виртуальные модели. Реализация силовых блоков УВ осуществ-
ляется с использованием виртуальных блоков из библиотеки Power
System Blockset (рис. 1.9). Схему с нулевым выводом необходимо
строить из отдельных тиристоров. Для мостовой схемы можно ис-
пользовать блок Universal Bridge. Окно настройки блока при этом
использовании показано на рис. 3.7. В первом поле Number of bridge
arms из выпадающего меню выбирается цифра 2, т. к. мост имеет
два плеча. В поле Port configuration из выпадающего меню выбирает-
ся конфигурация портов такая, при которой входными являются за-
жимы переменного тока. В двух последующих полях устанавливают-
ся параметры снабберов. В поле Power Electronic device из выпадаю-
щего меню выбирается тип силового полупроводникового элемента
(в данном случае тиристора). В последующих трех полях устанавли-
ваются значения параметров тиристора во включенном состоянии. В
последнем поле Measurement из выпадающего меню выбираются
величины, которые измеряются блоком Multimeter.
Схема управления мостовым управляемым выпрямителем показана на
рис. 3.8, она реализована на блоках основной библиотеки Simulink в соот-
ветствии с функциональной схемой, рассмотренной выше (рис. 3.2). Блоки
Constant, Hit Crossing, Integrator реализуют генератор пилообразного напря-
жения (ГПН, рис. 3 2). Этот генератор управляется от сети и подсоединяет-
ся к ней при помощи входного порта Ini. Блоки Sum, Relay, реализуют
схему сравнения (СС, рис. 3.2). Блоки Swich, Swichl реализуют распреде-
литель импульсов (РИ, рис. 3.2). Выходные сигналы с этих блоков управ-
ляют тиристорами через выходные порты Outl, Out2, Out3, Out4.
Входной сигнал управления подается на схему через порт 1п2.
новые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
105
Ifllock Parameters Universal Bridge ___________ в
f Universal Bridge (mask) (link) — ------------—————-1------;-----“
Pits block implement abridge of selected powerelectronicsdevices.- Senes-.
RC snubber circuits are connected in parallel with each switdi-dewice. For- - n
। most applications the internal inductance should be set to zero. ~н:-д у .yfft-. -
- Parameters-------------— —........... •r —-
Number of bndaa arms: -1? “rj:
Port configuration lABCas mputterminais
Snubber resistance Rs(Ohms)
Snubber capacitance Cs (F)
! |o.5e-6 = -n®
. PowerElectronicdevtce [Thyristors
Ron (Ohms)
Lon(H) *r *
•° 7
Forward voltage ^4(V)
Measurements'[None
|.- OK | • Cancel. | Help | . Apply . |
Чис. 3.7. Окно настройки параметров универсального
полупроводникового преобразователя
106
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.8. Модель блока управления однофазным мостовым УВ
3.4. Трехфазные управляемые выпрямители [1, 10, 18]
Трехфазные управляемые выпрямители строятся по схемам с одно-
полупериодным выпрямлением (рис. 3.9 а) и двухполупериодным
выпрямлением (мостовые) (рис. 3.9 б}.
Трехфазная мостовая схема получила преимущественное примене-
ние ври построении управляемых выпрямителей трехфазного тока.
Анализ схемы выпрямителя (рис. 3.9 6} проведем для активно-индук-
тивной нагрузки с обратным диодом вначале при хш = хаЬ = хас = О,
а затем укажем их влияние.
Особенность работы управляемого выпрямителя заключается в за-
держке на угол сс момента отпирания очередных тиристоров относи-
тельно точек естественного отпирания (рис. 3.10).
Влияние изменения угла а на кривую ин показана на рис. 3.10. По-
скольку в трехфазной мостовой схеме выпрямлению подвергается линей-
ное напряжение, кривая цн состоит из участков линейных напряжений
вторичных обмоток трансформатора.
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 107
б)
Рис. 3.9. Трехфазные управляемые выпрямители
Рис. 3.10. Напряжение на выходе трехфазного мостового УВ при a = 60е и а> 60®
При изменении угла а в диапазоне от 0 до 60° (рис. 3.10) переход
напряжения и„ с одного линейного напряжения на другое осуществляется
в пределах положительной полярности участков линейных напряжений.
108
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
При а > 60° в кривой выходного напряжения появляется пауза.
Напряжению и» = 0 теперь будет отвечать значение угла а = 120°.
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла
(регулировочная характеристика) при a £ 60° определяется выражением:
5 «а
и„ =£ Г sin ait doit =U„m cosa,
я •
(3.5)
Hie t/Wae=2,34U2.
Участок регулировочной характеристики на интервале 120° > а £60°
находится из выражения
UH= — I Т&Лsinwrdaw =UH„„П+созСбО+а)]. (3.6)
я •
-Га
Регулировочная характеристика трехфазного мостового выпрямите-
ля, построенная по выражениям 3.5, 3.6, приведена на рис. 3.11.
Кривые анодных токов тиристоров н тока потребления так же, как
и в схеме однофазного управляемого выпрямителя (рис. 3.4) отлича-
ются от синусоиды. Амплитуда обратного напряжения на тиристоре
равна 1,045(7я.<в*х- Эгон величиной определяется не только обратное
напряжение, ио и возможное значение амплитуды прямого напряже-
ния на тиристоре при регулировании угла а.
Рис. 3.11. Регулировочная характеристика трехфазного мостового выпрямителя
полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 109
Коммутация токов, обусловленная наличием индуктивности в цепи
питания, протекает так же, как и в схемах однофазных выпрямителей.
Коммутационные падения напряжения сказываются на форме кривой
напряжения ин и уменьшении его среднего значения UHi которое для
трехфазной схемы определяется нз уравнения
(3.7)
где UH — напряжение определенное из 3.5, либо 3.6 без учета ком-
мутации.
Соотношение 3.7 является уравнением внешних характеристик
трехфазного управляемого выпрямителя.
1.5. Энергетические характеристики
правляемых выпрямителей [1, 10]
Энергетические характеристики управляемого выпрямителя опре-
деляются следующими зависимостями:
□ зависимости среднего, эффективного и максимального тока ти-
ристора от среднего тока нагрузки */(/«))»
□ зависимости полной и активной мощности по первой гармонике,
потребляемой УВ из сети от средней мощности в нагрузке
(5,(1),/’(!) = /(?„));
□ зависимость потерь в тиристоре от средней мощности в нагрузке
РГ=/(Р«).
Управляемый выпрямитель отрицательно влияет на питающую
сеть переменного тока. Во первых, он потребляет из сети несинусои-
дальный ток. Во-вторых, он сдвигает фазу потребляемого тока относи-
тельно питающего напряжения. Несинусоидальность тока может быть
охарактеризована коэффициентом гармоник (THD-Total Harmonic
Distorsion)
/,(!) /ДО’ 1 ’
где /(!).. J(n) — эффективные значения тока первой и т. д. гармо-
ник, li — эффективный ток всех высших гармоник.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Фазовый сдвиг зависит от угла управления управляемым выпрями-
телем и несинусоидальности тока потребления. Поэтому коэффициент
мощности УВ определяется следующим образом. Первую гармонику
тока можно разложить на активную и реактивную 71#(1) состав-
ляющие. Если принять, что напряжение сети синусоидально, тогда от-
дельные составляющие мощности для трехфазных схем определятся
следующими выражениями:
□ полная мощность, потребляемая из сети SL = 3Utl};
□ полная мощность по первой гармонике 5](1) = ЗУ,/,(1);
□ активная мощность по первой гармонике 7Kl)-3t/J|,,(l) =
- SC/JjOcosp;;
□ реактивная мощность по первой гармонике £ (1) = ЗУ, l.f (1) =
= ЗУ, JJlJsinp;;
□ мощность искажении О = 36г|/1.
Все перечисленные характеристики являются функцией среднего
тока нагрузки УВ, который в общем случае определяется выражением
, U„- Е
К„ <’’>
Виртуальные модели. Реализация силового блока трехфазного
мостового управляемого выпрямителя осуществляется с использова-
нием виртуального блока Universal Bridge из библиотеки Powerlib
(рис. 1.14). Окно настройки блока показано на рис. 3.7. Здесь в отли-
чии от однофазного мостового управляемого выпрямителя в первом
поле Number of bridge arms из выпадающего меню необходимо выб-
рать цифру 3. В качестве схемы управления трехфазным мостовым
управляемым выпрякнггелем удобно использовать блок Synchronized
6-Pulse Generator из библиотеки powerlib/extras/contro) Blocks (рис.
1.24). Окно настройки параметров этого блока показано на рис. 3.12.
В полях окна настройки устанавливается частота питающей сети и
длительность импульса управления в градусах.
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
111
^S^chtQntred6-fKi:segeri«8iof(nf>asfc)0ink);——^——,:
.: yse<Bs.WqCktofireftefi thynSt°^o^e6i)ulse-COTve»te'r.;- i ’’ :-<t' : ' i
- The ou^rtis a vector of S pulses (p-))mdMdualfy synchronized on the 6 ,; f
commutabariVOltagesJPlrisBseregene’aiednfphadegressefterthe ' i
.fncTeasirtgzero-crassingsofthecorr.niutalonvaltages.-' J
Ir^utlis thealpha^ringsignalfdegrees). " • ,i... J-
, lnputs 23and 4arethesynchiDm?Blicn voltages AB BCCAwhich shauld be in L
- phase*iththB3phas9-phasevaitagesatTeconverterterrp;nBJs. . Ji.
tnput'5B£Dws;blDckingof.lhe pulses when fte applied signet i& ron .zero.
. When the ‘Douple pulsing'option is checked, two pulses are sent to each
: thyristor al st pulse whsntheapthaangleis reached.ftehe.Znd pulse 6Qi J ’.
I; degreestater.,vrfijsn.ther»extl^istcrisfir8d. Js-
^P^rarneteffS^;'^''*;:.. J"' Ур? p' J '' 1 г
i £Freouencycfsynchronisaliori voltages (Hz): -:i • |:
i ................................;r j'-
^^\’'f^s6wicSii~(degreesj;-'rK ,i. :Г
р; .
Г Double pulsing 4 I
Asc. 3.12. Окно настройки параметров блока управления
трехфаэным мостовым УВ
3.6. Ведомые сетью инверторы [10, 18]
В управляемом выпрямителе можно организовать режим работы, при
котором энергия будет передаваться от цепи постоянного тока в сеть.
Условия, при которых такой режим может быть реализован, следующие:
О в нагрузке должна быть включена большая индуктивность;
□ должен отсутствовать обратный диод;
О э.д.с. нагрузки должна быть направлена согласно с направлени-
ем напряжения на выходе выпрямителя.
Такие условия возникают в реверсивных управляемых выпрямите-
лях при управлении двигателем постоянного тока по цепи якоря.
112
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.13. Деухполупериодная схема однофазного ведомого инвертора
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 113
Инвертированием называют процесс преобразования энергии по-
стоянного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые се-
тью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть
переменного тока, т. е. решают задачу, обратную выпрямлению.
Ведомые инверторы выполняют по тем же схемам, что н управляе-
мые выпрямители. На рис. 3.13 а приведена двухполупериодная схема
однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом трансформатора.
Прежде чем перейти к рассмотрению электромагнитных процессов
и характеристик ведомого инвертора, укажем основные положения,
отличающие режим инвертирования от режима выпрямления.
При выпрямлении источником энергии (генератором) является сеть
переменного тока. Поэтому при a = 0 кривая тока гь потребляемого от
сети, совпадает по фазе с напряжением питания и,. При ^=о»и
ла] = ха2 =0 форма тока i, близка к прямоугольной (рис. 3.13 б). Тири-
стор Т] открыт при положительной полярности напряжения и2_1э
а тиристор Т2 — при положительной полярности напряжения и2_2
(рис. 3.13 в).
Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на
180° тока i, относительно напряжения (рис, 3.13 г). Эго означает, что
тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находиться в откры-
том состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных об-
моток трансформатора: тиристор Т2 — при отрицательной полярности
напряжения и2.2, а тиристор Т1 — при отрицательной полярности напря-
жения и2_] (рис. 3.13 <Э). При таком режиме отпирания тиристоров осуще-
ствляется поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора
через дроссель к источнику постоянного тока (см. рис. 3.13 а), благо-
даря чему достигается, во-первых, преобразование постоянного тока в
переменный ток г) и, во-вторых, передача энергии в сеть.
Указанному режиму отпирания тиристоров при инвертировании
соответствует (на рис. 3.13 г) значение утла управления а ~ я, отсчи-
тываемого в направлении запаздывания относительно точек естествен-
ного отпирания вентилей (0, п, 2л и т. д.).
Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередно-
го тиристора в ведомом инверторе осуществляется под действием об-
ратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вто-
ричных обмоток трансформатора (чем главным образом и обуславли-
вается название инвертора — «ведомый» или «ведомый сетью»).
Очевидно, к ранее проводившему тиристору при отпирании очередно-
го тиристора будет приложено обратное напряжение (равное сумме
напряжении двух вторичных обмоток) только в том случае, если оче-
редной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему
114
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
обмотке действует напряжение положительной полярности. Иными сло-
вами, реальное значение угла а при работе инвертора, исходя из усло-
вия запирания тиристоров, должно быть меньше и на некоторый угол 3
(рис. 3.13 е), т. е. а = л - Если же очередной тиристор отпирать при
а = я, то условие для запирания ранее проводившего тиристора не будет
выполнено, этот тиристор останется в открытом состоянии, создав корот-
кое замыкание цепи с последовательно включенными вторичной обмот-
кой трансформатора и источником постоянного тока. Такое явление назы-
вают срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.
Угол Р, отсчитываемый влево от точек естественного отпирания л,
2л.... , называют углом опережения отпирания тиристоров. С углом
задержки отпирания а он связан соотношением
3=л-а (3.9)
или
а + 0=я. (3.10)
Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в ре-
жим инвертирования необходимо обеспечить протекание тока через
тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторич-
ных напряжении, проводя их отпирание с углом опережения 3
Электромагнитные процессы в схеме однофазного ведомого сетью
инвертора с учетом коммутационных процессов показаны на рис. 3.14.
На рис. 3.14 а приведены кривые вторичных напряжений трансформа-
тора, а на рис. 3.14 б — сигналы управления тиристорами.
На интервале 0 - а (рис. 3.14 я) проводит тиристор Т2. Его анодный
ток in (рис. 3.14 б), равный току iH, протекает под действием э.д.с. Ed
источника постоянного тока через вторичную обмотку трансформатора
навстречу напряжению w2_2. Полуволна напряжения отрицательной по-
лярности определяет на этом интервале напряжение инвертора.
По окончании интервала а, т. с. с опережением на угол Д относительно
точки п, подачей управляющего импульса отпирается тиристор Т1. Ввиду
наличия реактивных сопротивлений xdl и ха1 в анодных цепях тиристоров
наступает коммутационный процесс перехода тока с тиристора Т2 на
тиристор Т1, длительность которого определяется углом у. Как и в выпря-
мителе, этот процесс протекает под воздействием тока в контуре с обоими
проводящими тиристорами. По окончании коммутации in = 0, а <п = iH.
В последующем процессы, протекающие в схеме, связаны с чередова-
нием коммутационных интервалов, кода ток проводят два тиристора, и
интервалов одиночной работы тиристоров. В связи с тем, что использу-
ются участки синусоид u2_|, u2_2, соответствующие преимущественно от-
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 115
рицательным полуволнам, среднее значение напряжения инвертора Ь'и
имеет полярность, противоположную режиму выпрямления (рис. 3.14 а).
Кривая напряжения на тиристоре (рис. 3.14 е) определяется суммой
напряжений вторичных обмоток трансформатора. Максимальное пря-
мое напряжение равно2\'2Л’2, а обратное— 2>/2£/2sin(l9-y). Длитсль-
иНд
Рис. 3.14. Электромагнитные процессы в схеме ведомого инвертора
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ностъ действия обратного напряжения на тиристоре, определяемая уг-
_0-у
лом или соответствующим ему временем ~ , не должна
быть меньше величины т^ = 2nftB, необходимой для восстановления
запирающих свойств тиристора, (tna — паспортное время восстановле-
ния запирающих свойств тиристора; f — частота питающей сети).
Кривые напряжения сети и, и отдаваемого в сеть тока i\ приведены
на рис. 3.14 ж. Амплитуда тока равна 1н1п, где п = м>./и--,— коэффи-
циент трансформации трансформатора. На этапах коммутации ток i,
определяется разностью токов вступающего в работу и завершающего
работу тиристоров.
Если принять у = 0, то в соответствии с рис. 3.14 а для модуля
напряжения UH будет справедливо соотношение
11 I
(/, = - J sinoWow
1*4 Г
Отсюда
U„=^^-cos0 (3.11)
я
или
ин =Ullmacosp„ (3.12)
где
(3.13)
Энергетические характеристики ведомых сетью инверторов иден-
тичны с характеристиками управляемых выпрямителей.
3.7. Высшие гармонические первичного тока
управляемых выпрямителей
и ведомых сетью инверторов
Кривые тока сети управляемых выпряьгителей и ведомых сетью
инверторов при больших индуктивностях в нагрузке значительно от-
личаются от синусоиды. Это свидетельствует о том, что рассматрива-
'иловые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
117
емые силовые преобразователи для сети переменного тока являются
генераторами некоторого спектра высших гармонических, что отрица-
тельно воздействует на сеть. Протекание высших гармоник по обмот-
кам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные
потери и нагрев. Дополнительные потери создаются в передающих
линиях и промежуточных трансформаторах. Падение напряжения от
высших гармонических на внутренних импедансах питающей сети
вызывает искажения формы питающего напряжения, что отрицатель-
но сказывается на работе других потребителей. Искажение формы
питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети со-
измерима с мощностью силового преобразователя.
Исследование спектрального состава для рассматриваемых преоб-
разователей и для всех последующих рассмотрений (когда это необ-
ходимо) осуществляется с использованием пакета расширения Signal
Processing Toolbox (SPTool). Описание этого пакета расширения при-
ведено в гл. 1. (п. 1.5). На рис. 3.15, в качестве примера, показан
спектр тока потребления трехфазного мостового управляемого вып-
рямителя.
Как видно, спектр потребляемого тока содержит 1, 5, 7, 11 гармони-
ки. Относительные (по отношению к первой гармонике) амплитуды
________йедеос/_____* - /_______•
|*1 5& -уГО 1138 Х2 255 , yZйс2О5 \jy 01387 1 |
, Marker Values- г '
ис. 3.15. Спектральный состав тока потребления управляемого выпрямителя
118
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
высших гармоник рассчитываются, как отношение , , где V — по-
рядковый номер гармоники. Расчет абсолютных величин гармоник бу-
дет описан далее в лабораторных работах.
3.8. Непосредственные
преобразователи частоты [10, 18]
Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначе-
ны для одноступенчатого преобразования энергии переменного
тока частоты f в энергию переменного тока другой (обычно более
низкой) частоты f. В этих преобразователях кривая выходного на-
пряжения составляется из участков напряжений сети благодаря
осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи
цепи нагрузки с сетью переменного тока. Непосредственные преоб-
разователи частоты выполняются с однофазным или трехфазным
выходом и с однофазным или трехфазным входом. Для получения
более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым
содержанием высших гармонических) преобразователи обычно пи-
таются от сети трехфазного тока.
Принцип действия однофазного НПЧ, работающего иа активную
нагрузку, показан на рис. 3.16 при питании от однофазной сети через
трансформатор со средней точкой.
Схема (рис. 3.16 а) по сути является реверсивным однофазным уп-
равляемым выпрямителем, который подробно рассмотрен выше.
Этот реверсивный выпрямитель управ.чяется по определенной
программе, представленной на рис. 3.16 б). Первоначально проводят
тиристоры Т1 и Т2 при изменении угла включения ct, в диапазоне
л—>ага1П—а тиристоры ТЗ и Т4 закрыты, т. к. их угол включения
«>=71. В следующем временном интервале проводят тиристоры ТЗ а
Т4; (а2 =п——>я), а тиристоры Т1 и Т2 закрыты, т. к. «,=?:.
На (рис. 3.16 б) показаны временные зависимости напряжения сети
и напряжения на выходе НПЧ.
Схема трехфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых
тиристорных групп, соединенных встречно-параллельно, приведена на
рис. 3.17.
Силовые /М)гуовадг№коа1Ю преобразоаателис коммутацией от сети 119
а)
б)
°»с. 3.16. Однофазно-однофазный НПЧ
Нагрузка ZH преобразователя имеет активно-ивдукгнвнын характер
(индуктор низкочастотного нагрева, няэдосвдростяые асинхронные
двнгагешт в преобразователях с трехфазным выходом, сеть переменно-
го тока ’зеготы^ и т. а.).
128
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис, 3.17. Трехфазно-однофазный НПЧ
Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на
рис. 3.18 а. Она формируется при последовательности вступления в
работу тиристоров обеих групп, ио при циклическом изменении во
времени углов отпирания тиристоров (рис. 3.18 б).
В результате кривая выходного напряжения составляется из участ-
ков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
121
an
6)
Рис. 3,18. Напряжение на выходе (а) и алгоритм управления (б) трехфазно-
однофазного НПЧ
При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в
течение которых первая гармоника напряжения ««(I) и первая гармони-
ка тока находятся в противофазе (интервалы 0-<ед>*~ОД)*
В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствую-
щей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на
интервале - л тиристорная группа 1 работает в режиме выпрямле-
ния, а при достижении точки яг она переводится в режим инвертирова-
ния, который продолжается до момента времени <%. На интервале от
точки <о2г2 до 2л тиристорная группа П работает в режиме выпрямле-
ния, а инверторному режиму работы тиристорной группы П соответ-
ствует интервал от 2л доса^. На тех участках, где напряженке ы«(1) и
ток 1«(1) находятся в противофазе и тиристорные группы работают в
режиме инвертирования, энергия, накопленная в реактивных элементах
нагрузки, возвращается в сеть переменного тока частоты/.
Для управления НПЧ, как правило, используется так называемый
раздельный способ. Суть этого способа управления состоит в разне-
сенном во времени управлении тиристорными группами I и II. При
этом осуществляют задержку (блокировку) в подаче отпирающих им-
пульсов на тиристоры вступающей в работу группы, что необходимо
для исключения короткого замыкания вторичных обмоток трансфор-
матора через тиристоры обеих групп. Так, например, после того, как
тиристорная группа I проработала сначала в режиме выпрямления, а
затем иа интервале я-е)2?2(рис. 3.18 а) — в режиме инвертирования,
управляющие импульсы в момент времени <у2:2 снимаются с тиристо-
ров группы I (используется сигнал датчика тока, определяющего мо-
122
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
мент снижения до нуля тока нагрузки iH или тока тиристоров). К ти-
ристорам этой группы прикладываются напряжения в обратном на-
правлении. Под действием этих напряжений тиристоры первой груп-
пы выключаются. Подачу управляющих импульсов к тиристорам груп-
пы II осуществляют с некоторой задержкой относительно момента
времени, гарантирующей завершение процесса восстановления запи-
рающих свойств ранее проводивших тиристоров группы I. Рассмот-
ренная особенность работы НПЧ при раздельном управлении обуслав-
ливает появление токовых пауз после моментов времени а^г,, ау, (на рис.
3.18 а не показаны). Вместе с тем, токовые паузы, определяемые глав-
ным образом временем выключения используемых тиристоров, малы
(до 1° сетевой частоты 50 Гц, а по отношению к периоду выходной
частоты — еще меньше) и практически их можно не учитывать при
анализе процессов в схеме.
Согласованность режима раздельного управления тиристорными
группами при формировании кривой выходного напряжения НПЧ
обуславливается связью углов управления а; и ая в соответствии
с равенствами а, = , аи = 0,. Возможный диапазон изменения уг-
лов а, и Ct/, при формировании кривой выходного напряжения (если
исключить из рассмотрения интервалы Y и 9) близки к 180°.
Регулировочные, внешние (нагрузочные) и энергетические характе-
ристики непосредственного преобразователя частоты зависят от фор-
мы и амплитуды модулирующей функции управления углами а, и а«.
Моделирующая функция чаще всего бывает треугольной (как на рис.
3.18 б), трапецеидальной или синусоидальной.
Относительную амплитуду модулирующей функции обозначим че-
рез ф. Коэффициент £, определяет глубину регулирования амплитуды
выходного напряжения. При £ = 1, что соответствует максимальному
выходному напряжению, углы а, и а/;. необходимо изменять в преде-
лах от 0 до 180° по линейному закону, которому отвечают сплошная и
пунктирная ломаные линии а; и ая. на рис. 3.18 б. Характеру изме-
нения угла а, при с = 1 соответствует построенная на рис. 3.18 а
кривая напряжения ин (щ).
В течение первой четверти периода частоты /2 (рис. 3.18 а, б),
когда формируется восходящая часть полуволны напряжения поло-
жительной полярности, углы а, отпирания тиристоров группы I изме-
няются от 180° до 0, a Ctn = 180е, что соответствует режиму выпрям-
ления тиристорной группы I. В течение второй четверти периода,
когда образуется нисходящая часть той же полуволны напряжения
ин, режим работы групп сохраняется, но при этом он связан с увели-
чением углов а, от 0 до 180е.
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 123
Полуволна напряжения отрицательной полярности формируется
аналогичным образом. Однако, теперь тиристорная группа П работает
в режиме выпрямления с диапазоном изменения углов от 180° до 0 и
затем вновь до 180°.
Уменьшение коэффициента Q позволяет осуществлять регулирование
амплитуды выходного напряжения преобразователя. При £ < 1 углы ah
a,i изменяются в меньших пределах и им соответствуют значения мини-
мальных углов, большие нуля, и значения максимальных углов, мень-
шие 180 градусов.
Коммутация тока в НПЧ рассматриваемого типа осуществляется
так же, как в выпрямителях и ведомых инверторах, под действием
напряжения питающей сети. Поэтому минимальные значения углов а
и р не должны быть меньше суммы угла коммутации и угла восста-
новления запирающих свойств тиристоров . Таким обра-
зом, реально возможный диапазон изменения углов a,.ariZ при форми-
ровании кривой выходного напряжения получается меньше 180 граду-
сов. Верхнему пределу регулирования напряжения соответствует
коэффициент 4 = 0,9-0,95
Трехфазные непосредственные преобразователи частоты выпол-
няют на основе трех однофазных. Необходимый фазовый сдвиг вы-
ходных напряжений в 120 градусов здесь осуществляется путем сдви-
га на указанный угол сигналов, управляющих изменением углов трех
преобразователей. Одновременно с регулированием выходного напря-
жения в преобразователях, как правило, осуществляется регулирова-
ние выходной частоты. Нижний предел регулирования частоты может
быть близок к нулю. Верхний предел ограничивается отношением
питающей частоты к выходной частоте/^, которое обычно нс бывает
ниже двух. Это объясняется существенными искажениями формы кри-
вой выходного напряжения при переходе на более высокие частоты/,.
Непосредственный преобразователь частоты генерирует высшие
гармоники как в токе питания, так и в выходном напряжении и токе.
Исследование спектральных характеристик преобразователя является
достаточно важной задачей. Эта задача решается с использованием
пакета расширения Signal Processing Toolbox.
На рис. 3.19, в качестве примера, показан спектральный состав вы-
ходного тока однофазного НПЧ, питающегося от трехфазной сети при
треугольной модуляции входного сигнала с частотой 5 Гц.
Здесь в выходном токе, кроме основной гармоники (5 Гц), присут-
ствуют значительное количество гармоник высшего порядка. Ампли-
туды этих гармоник в значительной степени зависят от характера на-
грузки и формы модулирующего сигнала.
124
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 3.19. Спектральный состав выходного тока однофазного НПЧ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
4.1. Одноплечевой ШИП
с симметричным законом управлением [1, 2]
К преобразователям постоянного напряжения относятся широтно-
импульсные преобразователи и импульсные источники электропита-
ния постоянного тока.
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) используются, как
правило, в регулируемых электроприводах постоянного тока. По пост-
роению ШИП можно разделить на одноплечевые (рис. 4.1 а) и мосто-
вые (двухплечевые (рис. 4.8 д). Питание первых осуществляется от
источника со средней точкой.
Для управления ШИП используются в основном три способа (алго-
ритма):
□ симметричный,
□ несимметричный,
□ поочередной.
Два последних способа используются только в мостовых ШИП.
При симметричном способе управления транзисторы плеча пере-
!• ключаются в противофазе (рнс. 4.1 г).
Рассмотрим последовательность образования коммутационных
интервалов и электромагнитные процессы в ШИП при симметрич-
ном управлении для общего случая RH, LH нагрузки с противо э.д.с.
При включении верхнего по схеме транзистора VT1 и выключении
нижнего VT2, образуется цепь +ил,УП,&„,L„,E,-Ua (Рис- 4.1 б) для
протекания тока нагрузки. К нагрузке в этом интервале приклады-
вается напряжение питания а ток увеличивается от минималь-
ного значения /шшдо максимального /^(рис. 4.1 г). Напряжение на
транзисторе VT1 на этом интервале равно нулю, а ток равен току
нагрузки.
128
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 4.1. Одноплечевой ШИП с симметричным законом управлением
На транзисторе VT2 напряжение равно 2U„. Это напряжение явля-
ется отрицательным для диода D2, и ток через него равен нулю. При
включении нижнего по схеме транзистор^ VT2 и выключении верхне-
го VT1 ток, поддерживаемый индуктивностью нагрузки, продолжает
протекать в том же направлении. При этом образуется цепь, показан-
ная на рис. 4.1 в, в которой ток нагрузки протекает навстречу э.д.с. и
источнику U„. На этом интервале напряжение на нагрузке изменяет
знак, а ток уменьшается.
К транзистору VT1 прикладывается напряжение 2Um диод D2 от-
крыт, напряжение на нем равно нулю, а ток равен току нагрузки (рнс.
4.1 в).
Если к началу рассматриваемого интервала в индуктивности на-
грузки накоплена достаточная энергия, то такое состояние цепи сохра-
няется до очередного переключения транзисторов плеча. Если эта
энергия недостаточна, то ток может упасть до нуля, а затем изменить
Преобразователи постоянного напряжения
129
направление под действием (7, и э.д.с. В этом случае он переходит с
диода D2 на транзистор VT2.
Поскольку диод и транзистор во включенном состоянии считаются
идеально замкнутыми ключами, то на анализ электромагнитных про-
цессов переход тока с диода на транзистор не сказывается. При этом
реализуется два состояния силовой части ПТИП: одно — когда VT!
включен, a VT2 выключен; второе — когда VT1 выключен, a VT2
включен. Длительности этих состояний соответственно равны уГ и
(1 - у)Т, где у — относительная длительность первого состояния, изме*
няющаяся от 0 до 1.
Поэтому можно считать, что в схеме на периоде образуются два
коммутационных интервала, схемы замещения на которых покачаны
на (рис. 4.1 б, в). При симметричном законе формируется знакопере-
менное напряжение на нагрузке, а среднее значение этого напряжения
определяется из выражения:
ч» (4.1)
' О 1 ГТ
оно равно нулю при у0 = 0,5, при у > 0,5 среднее напряжение на
нагрузке положительное, при у < 0,5 — отрицательное. Регулировоч-
ная характеристика ШИП при симметричном управлении, рассчитан-
ная по (4.1), показана на рис. 4.2.
Функциональная схема управления (СУ), реализующая симметрич-
мс. 4.2, Регулировочная характеристика ШИП при симметричном управлении
J Зк.ДО
130
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Генератор пилообразного напряжения (ГПН), тактируемый генерато-
ром импульсов (Г), вырабатывает (пилообразное напряжение) с перио-
дом Т. Схема сравнения (СС) представляет собой релейный элемент,
который переключается с плюса на минус и обратно, в момент равен-
ства напряжения с выхода 1 ПН и напряжения на входе (рис. 4.3 б). Для
управления ШИП распределитель импульсов (РИ) имеет два выхода:
один — прямой, второй — инверсный. Эти импульсы, усиленные уси-
лителями, поступают на базы транзисторов VT1, VT2, переключая их
в противофазе (рис. 4.1, 4.3 б).
а)
реверс
б)
Рис. 4.3. Функциональная схема управления ШИП (а) и электромагнитные
процессы (б)
Преобразователи постоянного напряжения 131
Виртуальная модель. Силовая часть ШИП реализуется блоком
Universal Bridge (рис. 1.14). Окно настройки параметров блока по-
казано иа рис. 4.4. В верхнем поле из выпадающего меню выбира-
ется цифра 1 при этом блок принимает вид (рис. 4.4 а). В поле Port
configuration выходными портами задаются порты переменного
тока. Параметры снаберов задаются в следующих двух полях. В
поле Power Electronic device из выпадающего списка выбирается
тип силового полупроводникового прибора. В данном случае выб-
раны транзисторы IGBT. Следует обратить внимание, что вместе с
транзистором присутствует обратный диод. Параметры силового
ключа в открытом состоянии задаются в следующих двух полях.
Далее задаются динамические параметры силового прибора. В пос-
леднем поле из выпадающего меню выбираются величины, которые
при моделировании будут измеряться блоком Multimeter. Модель
схемы управления ШИП показана на рас. 4.5. Она реализована в
соответствии с функциональной схемой (рис. 4.3 а) на блоках ос-
новной библиотеки Simulink.
Блок Repeating Sequence реализует генератор пилообразного на-
пряжения. Окно настройки этого генератора показано на рис. 4.6. В
первом поле задаются временные интервалы на периоде, в которых
изменяется знак наклона пилы, а во втором поле — напряжения,
соответствующие этим моментам. Из рис. 4.6 следует, что весь пери-
од равен 0,002 секунды, а амплитуда пилы равна 2В, при этом пила
симметрична относительно нулевого значения. Блоки Sum, Relay ре-
ализуют схему сравнения (СС, рис. 4.3). Блок Logical Operator инвер-
тирует сигнал, блок Мих, преобразовывает два скалярных сигнала в
один векторный, необходимый для управления блоком Universal
Bridge. Здесь необходимо сделать одно существенное замечание. В
реальных схемах для выключения транзисторов необходимо форми-
ровать на их базах небольшое отрицательное напряжение. Для вык-
лючения транзисторов виртуального блока Universal Bridge это на-
пряжение может быть равно нулю.
На рис 4.7 приведены кривые, полученные с помощью блока Scope
на модели (рис. 4.5). На верхней осциллограмме представлено напря-
жение на выходе ГПН и напряжение на входе. На двух нижних осцил-
лограммах показаны напряжения, поступающие на базы транзисторов.
Нз рис. 4.7 видно, что до момента t = 0,04 с., входное напряжение
равно нулю и длительности включенных состояний транзисторов оди-
наковы. Начиная с момента t = 0,04 с., входной сигнал равен 1В,
длительность включения одного транзистора возросла, а другого —
уменьшилась.
132
Силовая электроника. Лабораторные работы на ЛК
THjsb^ekcnplernanlabridgebfeebctoclpcwaioletbonies йойсав. Sense;
*RC-enjbbeForcwt»-are connsctadia^a/iaieiwWreac^cwrtchdeMca/Fcr
tnoat^ppl cabon iTtomal j
6)
Рис. 4.4. Вид (а) и окно настройки (б) параметров блока Universal Bridge
Рис. 4.5. Модель схемы управления ШИП
Преобразователи постоянного напряжения
133
-R^waiigfeWsjmBs^fli*!"—-------------------------—...........ч
j Ci^flera^eiiq »^jerc3 Di#UTiieissp8afieiina1ible oh"'n8vdje':
:j pays.*-/«d>€scf icw shtxjkfЬа fronatonice&T’ inn'eBsittc. ' /! j- - /
-X" '——-;; л^
: ;»йрвЗХ1С(»1 в-ОТ2) ;>:
Рис. 4.6. Окно настройки ГПН
Рис. 4.7. Результаты моделирования
134 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
4.2. Мостовой широтно-импульсный
преобразователь [1, 2]
Принципиальнак схема ШИП представлена на рис. 4.8 а. Она со*
держит четыре транзисторных ключа VT1 — VT4 с обратными диода-
ми D! — D4. В диагональ моста, образованного транзисторными клю-
чами, включена нагрузка. Питание ШИП осуществляется от источника
постоянного тока.
При симметричном способе управления в состоянии переключения
находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на
выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, дли-
тельность которых регулируется входным сигналом.
Преобразователи постоянного напряжения
135
Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управле-
ния приведены на рис. 4.8 б. По сравнению с рассмотренной однопле-
чевой схемой здесь нет никаких особенностей. Единственное отличие
состоит в том, что к закрытому силовому транзистору здесь прикла-
дывается напряжение питания Un, а не 2Un как это имеет место в
одноплечевом ШИП. Поэтому эта схема в большинстве случаев явля-
ется более предпочтительной.
Функциональная схема управления, реализующая симметричный
способ управления мостовым ШИП, аналогична схеме (рис. 4.3) с
той лишь разницей, что импульсы управления поступают не на один
транзистор, а на пару диагонально расположенных транзисторов
(рис. 4.8 б).
Виртуальная модель. Силовая часть ШИП реализуется блоком
Universal Bridge. В верхнем поле из выпадающего меню выбирается
цифра 2. Модель схемы управления показана на рис. 4.9. Она реализо-
вана в соответствии с функциональной схемой иа блоках основной
библиотеки Simulink.
lab_Z_l£-sUbsystem *
вган
File £dit ViewV. girriuladjoh - Format Tools :-/Це1р
□ 1 sS И S | /. e (<> a | Й E% & I > [n
Реас|100% V l~ .|ode23tb
*nc, 4.9. Модель схемы управления мостовым ШИП
Симметричный способ управления обычно используется в мало-
мощных приводах постоянного тока.
136
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Его преимуществом является простата реализации и отсутствие
зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостат-
ком ШИП с симметричным управлением является даухполярное напря-
жение на нагрузке и, в связи с этим, повышенные пульсации тока в
нагрузке.
Стремление исключить этот недостаток привело к разработке спо-
собов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП.
Простейшим из них является несимметричный.
Электромагнитные процессы в ШИП при несимметричном управле-
нии представлены на рис. 4.10 а. В этом случае переключаются транзи-
сторные ключи фазной группы VT3 и VT4 (ключи VT1 и VT2 при
противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ
VT1 постоянно открыт и насыщен, а ключ VT2 постоянно закрыт.
Рис. 4.10. Несимметричное (а) и поочередное (б) управление транзисторами
мостового ШИП
Преобразователи постоянного напряжения
137
Транзисторные ключи VT3 и VT4 переключаются в противофазе.
При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсы и
среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная про-
должительность включения одного из нижних по схеме транзисторов
у = 0.
Недостатком рассмотренного способа управления является то, что
верхние по схеме транзисторные ключи (VT1, VT3) по току загруже-
ны больше, чем нижние. Этот недостаток устранен при поочередном
управлении, временные диаграммы которого изображены на рис.
4.10 б.
Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключе-
ния находятся все четыре транзисторных ключа моста, при этом час-
тота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напря-
жения на выходе. Управляющие напряжения транзисторных ключей
одной фазы моста VT1, VT2 и VT3.VT4 постоянно находятся в проти-
вофазе; при этом ключи переключаются через период выходного на-
пряжения Т. Этим достигаются одинаковые условие работы полупро-
водниковых приборов в мостовой схеме.
При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы ul,
u4 длительностью t = (1 + у)Т подаются на диагонально расположен-
ные транзисторные ключи (рис. 4.10 б) со сдвигом на полпериода, а
управляющие импульсы «2, иЗ длительностью t = (1 - у)Т, также со
сдвигом на полпериода, подаются на транзисторы противоположной
диагонали (VT2, VT3). В этом случае на интервале уТ нагрузка под-
ключена к источнику питания с помощью днятна гткнп расположен-
ных ключей, а на интервале (1 - у)Т нагрузка закорочена с помощью
верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака
входного сигнала порядок управления диагональными ключами изме-
няется на противоположный. При несимметричном и поочередном уп-
равлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длитель-
ностью уТ, пропорциональной сигналу на входе, среднее значение
которого определяется из выражения:
(4-2)
Регулировочная характеристика ШИП при несимметричном и по-
очередно управлении приведена на рис. 4.11.
Функциональная схема управления транзисторным ШИП при несим-
метричном управлении изображена на рис. 4.12 а. Она содержит им-
пульсный генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН),
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
два сумматора (СУМ1, СУМ2), две схемы сравнения (СС1, СС2), два
распределителя импульсов (РИ1, РИ2) и усилители (У1,У2). Диаграммы
на рис. 4.12 б поясняют принцип работы схемы управления ШИП.
На входе сумматоров напряжение с выхода ГПН сравнивается с
постоянным опорным напряжением Uon, величина опорного напря-
жения задается равной максимальному значению напряжения с вы-
хода ГПН. В результате с выходов сумматоров на входы схем сравне-
ния поступают смещенные на Uon пилообразные напряжения (рис
4.12 б). Схема сравнения СС1 со своим распределителем импульсов
(РИ1) и усилителями управляют переключением одного плеча моста
(VTI.VT2 рис. 4,8), а схема сравнения СС2 с РИ2 и усилителями
управляет переключением другого плеча моста (VT3, VT4 рис. 4.8).
В результате при одной полярности входного сигнала переключают-
ся транзисторы одного плеча, а в другом плече одни транзистор все
время открыт, а другой закрыт. При другой полярности входного
сигнала плечи меняются местами.
Виртуальная модель силового блока рассмотрена ранее (рис. 4.4)
Виртуальная модель схемы управления показана на рис. 4.13. Отличие
этой модели от рассмотренной выше состоит в наличие двух дополни-
тельных сумматоров и блока опорного напряжения смещения (блок
Constant). Кроме того, здесь добавлен аналогичный дополнительный
канал распределения импульсов.
Преобразователи постоянного напряжения
139
Рис. 4.12. Функциональная схема управления (а) и электромагнитные
процессы (б) транзисторного ШИП при несимметричном управлении
Рис. 4.13. Модель блока несимметричного управления ШИП
140
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
4.3. Энергетические характеристики
широтно-импульсных преобразователей [1, 17]
Регулировочные характеристики ШИП были рассмотрены выше
(рнс. 4.2, 4.11). Энергетические характеристики ШИП рассчитываются
на основании анализа электромагнитных процессов.
Для симметричного способа управления при обобщенной нагрузке
на коммутационных интервалах имеем:
1/д"£'д^’+Л"'''т£ лТ< т < (л + !)Ут- (4-3)
-У. = 1» + Е. Цп + 1)Т<1 < If" +Т1)Т, (4.4)
л = 0, 1, 2, 3.. целые числа.
Разделим все слагаемые уравнении (4.3, 4.4) на U„ и обозначим
i -и-
* ~ , тогда эти уравнения можно представить в относительных
единицах:
1 = Тн^-+(,+Ё1 лт< t < (л + 1)уТ, (4.5)
-1 = Л/” r V1 у(л - 1уг<1 < -Т1)Т, (4.6)
где in=iuUt—относительный ток нагрузки, Ё = ЕШП—относи-
т - L"
тельная э.д.с. нагрузки, 'и ~ „ — постоянная времени нагрузки.
Для несимметричного и поочередного способов управления уравне-
ния (4.5, 4.6) запишутся в виде:
1 = + nT< t < (л + 1)уТ, (4.7)
0= ^^ + ^+EiV(n+i)T<t<t(n+Ti)T. (4.8)
Преобразователи постоянного напряжения
141
Среднее относительное напряжение на выходе ШИП определяется
из уравнений:
<7„ =2у-1 — при симметричном способе управления (двухполяр-
ном напряжении на нагрузке),
UH = у — при несимметричном и поочередном управлении (одно-
полярном напряжении на нагрузке).
Ток в нагрузке содержит среднюю составляющую н пульсирую-
щую составляющую Ын. Средний ток обусловлен средним значением
напряжения на нагрузке и величиной эд.с:
Г„=(2у-1)-Ё (4.9)
при двухполярном напряжении на выходе ШИП,
1,=У~Ё (4.10)
при однополярном напряжении.
Величина пульсирующей составляющей находится из решения
системы уравнений (4.5-4.10), обобщенное выражение этой составля-
ющей имеет вид:
(1-Е-/„)у2_
(4.11)
Средние и эффективные токи в нагрузке, в силовых транзисторах,
диодах и в источнике питания могут быть определены по упрощен-
ным выражениям, если принять, что мгновенный ток нагрузки изме-
няется по закону:
<„=(/„-Д7„) +г при иТ < t <(1 + л)уТ, (4.12)
^ =(/„+Д/И)+—-при (1 + n)yT<t<(! + л)Т- (4.13)
В этом случае выражения для определения относительных токов во
всех отмеченных ветвях представлены в табл. 4.1.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Табл. 4.1
1в
Несимметричное управление (однополярное напряжение на нагрузке)
г-г г(г-г') r(r-£) I fitf-E')
Симметричное управление (двухполярное напряжение на нагрузке)
2/-1-£ у(2у-1-Е) Jr(2r-1-Ei Ji -у (2/ - (l-yX2y-l-f) v _ -l-£) (2y-0 72г-1(2/- (2y-l-£) -l-£)
В качестве примера на рис. 4.14 а. б приведены зависимости отно-
сительных токов в силовых транзисторах и диодах при симметричном
б) Средние и эффективные токи в силовых диодах
Рис. 4.14. Энергетические характеристики ШИП с симметричным управлением
Преобразователи постоянного напряжения 143
При найденных токах (табл. 4.1) мощность в нагрузке, мощность,
потребляемая из источника питания, и потери в силовых полупровод-
никовых элементах ШИП находятся по уравнениям:
?>l=hlUn f’n=^nkP =UTtJt е?+?ТГТ Pq=V?0ГО (4 14).
4.4. Импульсные источники питания постоянного
тока [13]
Импульсные источники напряжения постоянного тока применяются
главным образом как стабилизаторы напряжения. В отличие от непре-
рывных стабилизаторов напряжения импульсные стабилизаторы обла-
дают лучшими энергетическими характеристиками, меньшими масса-
ми и габаритами.
Рассмотрим две основные схемы понижающего и повышающего
импульсного источника напряжения.
Схема понижающего импульсного источника напряжения приведе-
на на рнс. 4.15 а.
Рис. 4.15. Понижающий импульсный источник постоянного напряжения
144
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
В этой схеме используется накопительная индуктивность (дрос-
сель) L, включенная последовательно с нагрузкой RH- Для сглажива-
ния пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор филь-
тра С. Ключевой транзистор VT включен между источником питания
Un и накопительной индуктивностью L. Схема управления включает
или выключает транзистор. При включении транзистора VT в индук-
тивности L начинает возрастать ток, достигая своего максимального
значения к моменту выключения транзистора VT (рис. 4.15 б).
По сигналу, поступившему от схемы управления, транзистор VT
запирается, а диод D отпирается. Энергия, накопленная в дросселе L,
начинает расходоваться в нагрузке и ток дросселя начинает умень-
шаться по линейному закону. Этот спад продолжается вплоть до ново-
го отпирания транзистора VT.
Включение в схему диода D обеспечивает непрерывность тока в
индуктивности L и исключает появление опасных выбросов напряже-
ния на транзисторе VT в момент коммутации.
На рис. 4.15 в, г приведены эквивалентные схемы замещения для
двух рассмотренных интервалов работы схемы. В зависимости от зна-
чения параметров схемы возможны два режима работы: 1 — непре-
рывного и 2 — прерывистого тока в индуктивности. Обычно значение
индуктивности выбирается такой, чтобы обеспечить режим непрерыв-
ного тока. Этот режим работы и рассматривается в дальнейшем.
Электромагнитные пропессы в схеме представлены на (рис. 4.15 б).
При анализе схемы можно считать, что напряжение на нагрузке посто-
янно. Включение и выключение транзистора приводит к скачкообраз-
ному изменению напряжения на индуктивности L и пульсации тока в
индуктивности (рис. 4.14 б). Напряжение на нагрузке определяется
исходя из того, что среднее напряжение на индуктивности за период
равно нулю, т. е. площади (рис. 4.14 б) положительной и отрицатель-
ной части равны между собой
откуда U„=YUn. (4.15)
Регулировочная характеристика понижающего импульсного источ-
ника напряжения, построенная по уравнению (4.15), изображена на
рнс. 4.16.
Схема повышающего импульсного источника приведена на (рис.
4.17 а). В этой схеме дроссель включен последовательно с источником
питания Un, а диод D — последовательно с нагрузкой.
Преобразователи постоянного напряжения
145
Рис. 4.17. Повышающий импульсный источник постоянного напряжения
При включении транзистора VT индуктивность L подключается
непосредственно к источнику питания. Ток в индуктивности начинает
линейно нарастать, пока из схемы управления не поступит сигнал на
запирание транзистора VT.
После запирания транзистора VT избыточная энергия, накопленная
в L, через открытый диод D поступает в нагрузку, подзаряжая конден-
сатор фильтра С. Электромагнитные процессы в схеме показаны па
рис. 4.16 б.
146
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Исходя из того, что напряжение на нагрузке постоянно, а среднее
напряжение на индуктивности за период равно нулю, можно опреде-
лить среднее напряжение на нагрузке
U -и"
откуда (4.16)
Регулировочная характеристика повышающего импульсного источ-
ника питания, построенная по (4.16), приведена на рис. 4.18).
Рис. 4.18. Регулировочная характеристика
повышающего импульсного источника питания
4.5. Энергетические характеристики импульсных
источников питания
Аналогично широтно-импульсным преобразователям к энергети-
ческим характеристикам импульсных источников питания относятся:
□ средние и эффективные токи в нагрузке;
□ средние н эффективные токи в транзисторе;
D средние и эффективные токи в диоде;
О средние и эффективные токи в источнике питания.
Преобразователи постоянного напряжения
147
'Х
Эти характеристики находятся на основании решения дифференци-
альных уравнении на интервалах включенного (0< t < уТ) или выклю-
ченного (уТ < t < Т) состояния транзистора. Анализ проводится в пред-
положении постоянства напряжения на нагрузке, а равно и постоянно-
го тока нагрузки, т. к. 1„ = U„ ! RH .
При значительной индуктивности L, ток в индуктивности на двух
отмеченных интервалах можно записать в виде:
/А=(/„-Д7г)^--^ при (0<t<.yT), (4.17)
(/„+Л7Д------~=‘nptt yT<t<T.
(1-у)Г
(4 18)
i ___fl
Приняв в качестве базового значения ток '& , уравнения (4.17,
4.18) можно записать в относительных величинах:
(4.19)
Средний ток нагрузки 1ц и пульсации тока зависят от типа им-
пульсного источника.
Для понижающего импульсного источника напряжения:
(4-21)
(4.22)
где Tl{ =L!RK.
148
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
На основании уравнений (4.17-4.22) определяются энергетические
характеристики схем. Выражения для определения этих характеристик
в относительных величинах снесены в табл. 4.2
Та&т. 4.2
Т. I т. Г. I г
Понижающий импульсный источник постоянного напряжения
г' fi-r (I-r).y Л-7-r Г'
Повышающий импульсный источник постоянного напряжения
1 1 1 1 Jr
1-Г 1-у 1-у 1-у 1-у
Мощность в нагрузке, источнике питания и потери в полупровод-
никовых элементах определяются теми же зависимостями, что и для
ШИП (уравнения 4.14).
АВТОНОМНЫЕ
ИНВЕРТОРЫ
5.1. Введение
Автономными инверторами в силовой преобразовательной технике
называются устройства, которые преобразуют постоянный ток в пере-
менный в общем случае с регулируемый частотой и напряжением.
Основные области применения автономных инверторов следующие:
О питание потребителей переменным токзм в условиях, где единствен-
ным источником энергии является аккумуляторная батарея’(напри-
мер, бортовые источники питания), а также резервное электропита-
ние переменного тока (электросвязь, вычислительная техника);
Q электротранспорт, питающийся от контактной сети или иного ис-
точника постоянного тока, где в качестве тяговых электродвига-
телей желательно иметь недорогие и надежные короткозамкну-
тые асинхронные двигатели;
О электропривод с асинхронными и синхронными двигателями, где
инвертор служит источником переменного напряжения и частоты;
О электротермия, где автономные инверторы служат источниками
высокой частоты для плавки, нагрева и закалки металлических
изделий;
Q электроэнергетика, тде автономные инверторы выполняют функ-
цию активных фильтров, регулируемых компенсаторов реактив-
ной мощности и мощности искажений.
По построению АНН делятся на однофазные и многофазные (двухфаз-
ные, трехфазные и т. д). Основой построения многофазных инверторов
служат однофазные одиоплечевые и двухплечевые (мостовые) схемы.
5.2. Однофазные автономные инверторы [15]
Силовая часть однофазных инверторов полностью повторяет сило-
вую часть ШИП (рис. 4.1 а), отличие состоит лишь в алгоритме управ-
152
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ления силовыми транзисторными ключами. Если в схеме управления
ШИП с симметричным законом управления (рис. 4.1 а) на вход пода-
вать не постоянное, а переменное напряжение частоты (/), то в нагруз-
ке будет формироваться импульсное напряжение, в котором гармоника
с частотой (/) будет наиболее ярю выражена. Гармонический состав
выходного напряжения, а соответственно и гармоника частоты f в
сильной степени будет зависеть от формы входного (в дальнейшем
модулирующего) напряжения.
Рассмотрим работу одноплечевого АИН (рис. 5.1 д) с различными
формами модулирующего напряжения.
Первоначально рассмотрим закон с прямоугольным модулирующим
напряжением. На рис. 5.1 б показаны алгоритм формирования напряже-
ния на нагрузке и его первая гармоника.
Рис. 5.1. Одноплечевой однофазный инвертор (а), способ формирования
выходного напряжения (б)
Автономные инверторы
153
Функциональная схема управления, реализующая этот алгоритм
аналогична рассмотренной ранее для ШИП (рис. 4.1 в), но при этом,
как сказано выше, на вход схемы управления должно подаваться пере-
менное напряжение прямоугольной формы. Модель схемы управления
повторяет аналогичную для ШИП (рис. 4.5).
На рис. 5.2 представлены результаты моделирования схемы управ-
ления инвертором с ШИР модуляцией. На верхней осциллограмме вид-
ны напряжения ГПН и напряжение на входе, на двух нижних —сигналы
управления транзисторами инвертора.
Обычно схемы управления АИН строятся так, чтобы частота ГПН
(рис. 5.1 б) на порядок и более превышала максимальную частоту
напряжения на входе.
Рис. 5.2. Результаты моделирования схемы управления с ШИР
154
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
По аналогии с радиоприемными и радиопередающими устройствами
частота ГПН называется несущей частота входного напряже-
ния— модулирующей f**, а само входное напряжение называется мо-
дулирующим. Амплитуда и частота этого напряжения задает частоту
и напряжение основной гармоники на выходе АИН.
На рис. 5.1 б показана первая гармоника выходного напряжения,
которая равна частоте входного сигнала. Амплитуда этой гармоники
определяется отношением амплитуды входного сигнала и амплитуды
пилообразного напряжения С''ствх/1//7да.п1ах. Это отношение обознача-
ется через ш и называется коэффициентом модуляции, Рассмотренная
модуляция называется широтно-импульсным регулированием или ШИР
модуляцией.
Напряженно на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при
ШИР модуляции может быть представлено рядом Фурье:
=----—(smew--- jS!n3<a/+-stn5©r + ... +—sin vcot). (5Д)
Составляющие этого разложения, как известно, называются гармо-
никами. Из уравнения (5.1) следует, что в составе выходного напряже-
ния присутствуют только нечетные (1, 3, 5 и т. д.) гармоники.
На рис. 5.3 приведены кривые, характеризующие относительный
гармонический состав выходного напряжения инвертора, построенные
на основании уравнения (5.1).
Зависимость относительных амплитуд гармоник от частоты назы-
вается спектром. Ток нагрузки зависит от пераметров нагрузки. При
Рис. 5.3. Спектр выходного напряжения инвертора при ШИР
Автономные инверторы
155
пряжение. При индуктивно-активной нагрузке высшие гармоники суще-
ственно подавлены.
В качестве примера на рис. 5.4 показан спектр выходного тока ин-
вертора для ШИР модуляции, для относительной постоянной времени
нагрузки т„=^-=0,8 и/моа=25Гц,/аес=500Гц.
Рис. 5.4. Спектр выходного тока инвертора
В последние годы в связи с появлением мощных быстродейству-
ющих транзисторов (IGBT, MOSFET) широкое распространение полу-
чили иные способы широтно-импульсной модуляции.
Самым распространенным из них является способ с синусоидаль-
ной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ по синусоидальному зако-
ну). В этом случае модулирующим напряжением является синусоида.
Формирование выходного напряжения АИН при синусоидальной ШИМ
показано на рис. 5.5, там же показана первая гармоника выходного
напряжения и пунктиром — первая гармоника выходного тока.
В схеме управления при ШИМ модуляции па вход подается синусо-
идальное модулирующее напряжение.
Результаты моделирования схемы управления при этом демонстри-
рует рис. 5.6.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 5.6. Результаты моделирования схемы управления с синусоидальной ШИМ
Автономные инверторы
Для расчета спектра выходного напряжения инвертора с синусои-
дальной ШИМ используются методы спектрального анализа, основан-
ные на дискретном преобразовании Фурье. Теоретические вопросы,
касающиеся спектрального анализа, выходят за рамки дайной книги.
Ниже этот анализ проведен с использованием интерактивных средств
пакета расширения Signal Processing Toolbox. Пример такого анализа
(при = 25Г,ц,/ил. =500/v,m = 0,6, U„ = 2405) представлен на рис. 5.7.
Как следует из рис. 5.7 ближайшая к первой высшая гармоника сдви-
нута на частоту несущей. При работе АИН на активно-индуктивную
нагрузку ток этой гармоники будет на два порядка меньше тока первой
гармоники. Поэтому при синусоидальной широтно-импульсной модуля-
ции высшие гармоники можно не учитывать, считая, что инвертор яв-
ляется генератором синусоидального напряжения.
Частота этого напряжения равна частоте модулирующего напряже-
ния (/ж>а)т а амплитуда определяется коэффициентом модуляции
m _ Urm чм
С целью увеличения амплитуды первой гармоники на выходе АИН
иногда допустимо реализовать режим перемодуляции, когда т>1. Пример
спектрального анализа (при =25^;,/^ =500/ч,т = 1.2, £/я =2405)
представлен на рис. 5.8.
158
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 5.В. Спектр выходного напряжения инвертора с ШИМ при т>1
Часто автономный инвертор строится так, чтобы он обладал свой-
ствами источника тока. В этом случае используется замкнутый способ
реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 5.9.
Рис. 5.9. Реализация «токового коридора» а инверторе
Здесь за счет отрицательной обратной связи по току и релейного
элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения.
Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L ак-
тивно-нидуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного
элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором»
Автономные инверторы
159
При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой
источник тока.
Мостовой однофазный инвертор. Силовой каскад инвертора
аналогичен силовому каскаду мостового ШИП (рис. 4,8). В отличии от
полумостового мостовой инвертор позволяет реализовать не только
симметричный, но и несимметричный способ управления (аналогично
ШИП, см. гл. 4). Схема управления при симметричном управлении
аналогична схеме (рис. 4.9). Отличие заключается лишь в том, что на
вход Ini подается переменное модулирующее напряжение. Спектраль-
ный состав выходного напряжения при синусоидальной модуляции и
симметричном законе управления показан на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Спектр выходного напряжения с ШИМ в мостовом инверторе
При несимметричном управлении схема управления, как и для слу-
чая управления широтно-импульсным преобразователем, должна реа-
гировать на знак моделирующего напряжения. При одном знаке (напри-
мер, положительном) переключаются транзисторы одного плеча (на-
пример, VT1. VT2), а в другом плече один транзистор все время
открыт (например, VT3), другой (VT4) закрыт. При отрицательном
знаке моделирующего напряжения плечи меняются местами. Описан-
ный алгоритм работы реализуется также, как и в ШИП (рис. 4.12 а).
Модель схемы управления инвертором для этого случая полностью
аналогична модели (рис. 4.13).
Постоянное напряжение смещения (блок Constant) н напряжение с
выхода ГПН (блок Repeating Sequence 1) подаются на сумматоры,
160
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
входное переменное напряжение подается на схему через входной порт
(блок 1п1). В результате на схему сравнения поступают три напряже-
ния, смещенные по величине. Осциллограммы этих напряжений, полу-
ченные при моделировании показаны на рис. 5.11. При этом при поло-
жительной волне синусоиды переключаются транзисторы одного пле-
ча, а при отрицательной — другого.
Рис. 5.11. Результаты моделирования схемы управления с ШИМ
при несимметричном управлении
Спектральный состав выходного напряжения при синусоидальной
ШИМ модуляции и несимметричном управлении показан на рис. 5.12.
5.3. Трехфазные автономные инверторы [1, 3,
17, 18]
Трехфазный автономный инвертор состоит из трех однофазных од-
ноплечевых инверторов, присоединенных параллельно к одному источ-
нику питания (рис. 5.13).
Нагрузка такого инвертора включается либо по схеме «звезда»,
либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае
Рис. 5.13. Трехфазный инвертор
162
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает
изменение напряжения на всех фазах. Это обстоятельство сильно ус-
ложняет анализ электромагнитных процессов.
В настоящее время известно большое число различных способов
управления силовыми транзисторами инвертора. Для сравнительной
опенки различных схем и способов управления инвертором целесооб-
разно разделить их на ряд групп, положив в основу деления структуру
силовой цепи инвертора и регулируемые параметры выходного напря-
жения (рис. 5.14).
Структура силовой цепи Регулируемые параметры результирующего вектора
1 Модуль 2Средаий модуль 3 Модуль и средняя фаза 4. Средний модуль и средняя Фаза
1 Постоянная Регулирование вдпряжеввя в звене постоянного тока при a =180° Широтно- импульсное регулирование (ШИР)* Регул фование напряженияв •ад* де ПОСТОЯННОГО тока при ШИМ Широтно- импульсная модуляция (ТИТЛА)
2. Переменная То же „ри»-120 ",150 s То же** То же** То же**
* с тремя силовыми ключами, открытыми в течение импульса, и с тремя — в течение паузы
•• с одним (ДОП) или с двумя (АЛТ) силовыми ключами, закрытыми в течение паузы
Рис. 5.14. Классификация инверторов .
В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразде-
ляются на два класса: инверторы с постояшюн структурой силовой
цепи и с переменной структурой силовой цепи.
В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда
на три сниовых транзистора, что обуславливает неизменность
структуры силовой цепи. В схемах второго класса число транзисто-
ров, на которые подаются управляющие сигналы, может быть мень-
ше трех,
Простейшим способом управления транзисторными ключами
VT1 — VT6 инвертора (рис. 5.13), обеспечивающим неизменность
структуры силовой цепи, является способ с а = 180°, представлен-
ный на рис. 5.15.
Автономные инверторы
163
Рис. 5.15. Алгоритм управления АИН с a = 180'
Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение пе-
риода повторяемости Тпдт) включены три транзистора. Последователь-
ность управления следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.
Простейшими способами управления транзисторами, при которых
изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с
а = 120°, а = 150°. Последовательность управления транзисторами
при а = 120'5’ следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При а = 150° транзи-
сторы переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234,
34, 345, 45, 456, 56, 561, 61, 612.
При этих способах управления в схеме выходного каскада образу-
ются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста,
обладающие односторонней проводимостью. Структура выходной
цепи такого инвертора будет зависеть от направления тока в этих
ветвях. В свою очередь момент изменения тока в той или иной ветви
схемы зависит от характера нагрузки. Поэтому форма выходного
напряжения при а = 120° и а = 150° также зависит от характера
164
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
нагрузки. При а = 120° структура силовой цепи остается неизменной,
если о»8фи <0.55, форма напряжения на нагрузке в этом случае ана-
логична форме с а = 180е (рис. 5.15).
Электромагнитные характеристики систем при простейших спосо-
бах управления инвертором достаточно подробно освещены в литера-
туре. Общим недостатком этих способов является необходимость при-
менения управляемого выпрямителя для изменения напряжения на
выходе инвертора.
Для обеспечения регулирования выходного напряжения самим ин-
вертором используются ШИР и ШИМ модуляции на основной и несу-
щей частоте. Рассмотрим наиболее простой способ управления при
ШИР на основной частоте. Эпюры напряжений на входе транзисторов
VT1 — VT6 и напряжение на выходе автономного инвертора представ-
лены на рис. 5.16.
В течение каждого периода повторяемости Т1ШГ для подключения
нагрузки к источнику питания отпираются три транзистора (например,
Рис. 5.1S. Управление АИН при ШИР на основной частоте
165
VT1, VT2, VT3); для отключения нагрузки от источника один из них
запирается. Причем запирается тот транзистор, который позволяет
отключить всю группу анодных или катодных силовых ключей. Так,
для отключения нагрузки при отпертых ключах VT1, VT2, VT3, запи-
рается ключ VT2, а при отпертых ключах VT2, VT3T, VT4 — ключ
VT3 и т. д. Такой способ управления называется алгоритмом одиноч-
ного переключения (ДОП).
Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе ин-
вертора на основной частоте и ДОП осуществляется изменением
относительной продолжительности включения нагрузки в цепь ис-
точника питания. Имеется и другая возможность ШИР на основной
частоте, когда в паузе между импульсами запираются два силовых
транзистора одной группы (алгоритм группового переключения
АГП). Здесь прн отпертых VT1, VT2, VT3 для создания паузы в
напряжении на нагрузке запираютсяУП й VT3. Алгоритм одиночно-
го переключения способен формировать паузу в выходном напряже-
нии инвертора при любых значениях гн =(oLH!rH, При алгоритме
группового переключения создается пауза в напряжении на нагрузке,
если к моменту запирания двух транзисторов группы ток изменит
знак. Это имеет место при малых постоянных времени нагрузки ти.
Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток знака
не изменит, то паузу в выходном напряжении сформировать не уда-
ется.
Рассмотренные способы управления инвертором не позволяют реа-
лизовать постоянную структуру силовой цепи инвертора. Для реали-
зации неизменной структуры необходимы дополнительные переклю-
чения транзисторов в каждой фазной группе. Пример такого управле-
ния для ДОП представлен на рис. 5.16 штриховыми линиями. Здесь
при запирании VT2, отпирается VT5, при запирании VT3, отпирается
VT6 и т. д.
При ШИР на основной частоте гармонический состав выходного
напряжения и тока резко ухудшается в области малых напряжений
и частот. Для исключения этого нежелательного явления использу-
ется широтно-импульсное регулирование на несущей частоте. В
этом случае в течение периода частоты повторяемости несколько
раз с периодом То = у— происходит включение н отключение одного
из силовых ключей (рис. 5.17).
При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания
на интервале (1 — , а на интервале фазы нагрузки закорочены. На
166
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 5.17. Управление АИН при ШИР на несущей частоте
рис. 5.17 представлен случай, когда = 2Т0. Гармонический состав
выходного напряжения при ШИР на несущей частоте, улучшается при
малых значениях у с увеличением кратности fc = = -/*£-_ = .
fПВТ fxx>
Улучшение гармонического состава выходного напряжения при лю-
бых k осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции.
Схема управления в этом случае строится аналогично схеме уп-
равления однофазного инвертора с той лишь разницей, что модулирую-
щие напряжения на каждое плечо являются симметричными (имеют
одну амплитуду, частоту и сдвинуты друг относительно друга на 120
градусов).
Автономные инверторы
167
Виртуальная модель силовой части трехфазного инвертора реализу-
ется блоком Universal Bridge. При этом в поле Number of Bridge Arms
(рис. 1.14) необходимо ввести цифру 3. Для управления трехфазным
инвертором в библиотеке Powerlib,'Exstras предусмотрен блок PWM
Generator (рис. 1.24), окно настройки которого показано на рис. 5.18.
В первом поле (Generator Mode) вводится количество плеч инвертора.
Далее: несущая частота, коэффициент модуляции, модулирующая час-
тота и начальная фаза модулирующего напряжения. Кроме того, мо-
дель схемы управления может быть набрана из трех схем (рис. 4.5),
при этом на входы (блок Ini) необходимо подавать переменные напря-
жения, сдвинутые по фазе на 120 градусов.
-PWM Generator (Ttas к) 01л kJ -----------------------------------------;
1 hie block genera-ee pulses tor earner-based P\VM (Mils® Width Modulation}. ,
solf-commutatod lGBTo.3TOoot FETs bridges I
Пйрнпгбпг) ah rhpruimhar nthirigp nrms 'RlPCtRri in Jhft •Г»апягнгггМлг1я*
parameter. the block can be used eltier toi single-phase or three-phase PWM I
COntiai. : . J / I
PressHnip bi dwtailBuf iupul(s)anu outputs. j
bee psblphHA'Mand psb Jphl-'WMdernos respectively for.appl icabon I
exomnlasof single phase and three phase inverters using ths discele ]
versicn of the block. i
г-Paranietwrt ,.f ...---------:---------------------------------------
Aennmnr Mnrfev lililiillilillll lllil......
Carrier haqtrency (Hz): / !
jiuau
. P Internal gweratien of modulaiingoignal(o); ' ..Hi- ’
Modulaionincex jjimtl): >
|U4 r
Frequency of output voltage (Hz)
; Phase of outputvoltage (degrees) -•
' I" “_
| CX '| Cancel 'j fcf’lp .1 £₽ply
Рис. 5.18. Окно настройки блока управления с ШИМ
168
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
5.4. Гармонический состаа выходного напряже-
ния трехфазного инвертора [10, 17]
Регулировочная характеристика и спектральный состав выходно-
го напряжения трехфазного инвертора также как и однофазного за-
висят от коэффициента модуляции и формы модулирующего напря-
жения.
В спектре выходного напряжения трехфазного инвертора отсутству-
ют все четные гармоники, а также гармоники кратные трем. Сам
спектр определяется алгоритмом управления, При управлении авто-
номным инвертором по закону а = 180° амплитуды гармонических со-
ставляющих в фазном напряжении определяются из выражения:
(5.1)
где — амплитуда v-ой гармоники; v = 6п + 1; п = 0, 1, 2,3..., Utl —
напряжение питания.
Отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напря-
жения к амплитуде первой гармоники имеет вид:
Из уравнения (5.2) следует, что при простейшем алгоритме управ-
ления гармонический состав постоянен. В выходном напряжении наи-
более сильно выражены пятая и седьмая гармоники. При ШИР на
основной частоте повторения (ряс. 5.16) отношение амплитуд гармони-
ческих составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармо-
ники имеет вид:
_ I sin(vny/6)
UKl v sin(«y/6)
(5.3)
На рис. 5.19 а показаны зависимости относительных амплитуд
гармоник от относительной длительности управления у. Из рис. 5.19
видно, что в процессе регулирования при уменьшении выходного на-
пряжения 5, 7, 11, 13 гармоники приближаются к основной, что иска-
жает форму напряжения н тока и приводит к увеличению потерь от
высших гармоник.
Автономные инверторы
169
Рис. 5.19. Гармонический состав выходного напряжения АИН с ШИР
Некоторое улучшение гармонического состава достигается за счет
ШИР на несущей частоте (рис. 5.17).
В этом случае отношение амплитуд гармонических составляющих
фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:
_ 1 sin(wry/6/c)
Umi v sin(sy/6*r) ’ (5-4)
гае к определено выражением к = Ъш. = _Zis_ = . (5.5)
Лит
Из последнего выражения следует, что для монотонного уменьше-
ния v-гармоники при уменьшении у необходимо соблюдение условия
- < 3. При к = 1 ни для одной из высших гармоник это условие не
выполняется. При к = 2 оно выполняется только для пятой гармоники.
При к = 3 — для пятой и седьмой гармоник н т. д.
На рис. 5.19 б показаны зависимости относительных амплитуд гар-
моник от относительной длительности управления у для к = 2.
В случае широтно-импульсной модуляции расчет спектра выходного
напряжения инвертора представляет собой достаточно сложную зада-
чу. На гармонический состав выходного напряжения здесь влияют
отношение несущей частоты к частоте модуляции, закон изменения
модулирующего напряжения и коэффициент модуляции. Использование
пакета расширения Signal Processing Toolbox позволяет при любых со-
170
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
четаниях этих регулируемых параметров определить спектральный
состав выходного напряжения.
На рис. 5.20, в качестве примера, представлен спектр фазного
напряжения на выходе инвертора при синусоидальной форме моду-
лирующего напряжения и Un = 400 в, m = 0.85, feec = 500 Гц.
f.„ = 25 Гц.
Сравнение этого спектра с аналогичным для однофазного инвертора
показывает, что здесь практически подавлена гармоника на несущей
частоте.
5.5. Трехфазные тиристорные
автономные инверторы [3]
Появление на рынке первых мощных управляемых полупроводнико-
вых приборов — тиристоров в 50-60 годах дало мощный толчок для
развития теории и практики не только силовых преобразователей по-
стоянного тока — управляемых выпрямителей, но и преобразователей
переменного тока — автономных инверторов.
Автономные инверторы 171
Это время знаменуется массой оригинальных схемотехнических
разработок, которые послужили базой дальнейшего развития сило-
вой преобразовательной техники. И несмотря на то, что современ-
ный автономный инвертор существенно отличается от своего праро-
дителя, следует, пусть в конспективной форме, рассмотреть работу
и свойства тиристорных автономных инверторов. Это следует сде-
лать как с методической, так и с практической точки зрения, по-
скольку до сих пор тиристорные инверторы полностью не вытесне-
ны из производства н продолжают «трудиться» во многих отраслях
промышленности
В тиристорных автономных инверторах, в отличие от транзистор-
ных, всегда присутствуют цепи коммутации (коммутирующие устрой-
ства КУ).
Классификацию тиристорных автономных инверторов в зависимос-
ти от способа коммутации представляет рис. 5.21.
Первоначально инверторы разделены на два класса:
□ с одноступенчатой коммутацией,
□ с двухступенчатой коммутацией.
Рис. 5.21. Классификация тиристорных автономных инверторов
В схемах с одноступенчатой коммутацией включение очередного
силового тиристора вызывает выключение (гашение) предыдущего
силового тиристора. Поэтому эти инверторы при регулировании ча-
стоты не обладают способностью регулирования напряжения на вы-
ходе. Регулирование напряжения на выходе осуществлялось в звене
172
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
постоянного тока, как правило, при использовании управляемого
выпрямителя.
Схема трехфазного автономного инвертора с одноступенчатой ком-
мутацией показана на рис. 5.22.
Рис. 5.22. Трехфазный автономный инвертор с одноступенчатой коммутацией
Схемы второго класса содержат дополнительные коммутационные
тиристоры, которые выключают соответствующий силовой тиристор в
независимости от состояния остальных. Это обеспечивает возмож-
ность регулирования напряжения и частоты на выходе инвертора.
Схемы с двухступенчатой коммутацией, в зависимости от способа
построения КУ, делятся на три группы:
□ схемы с групповой коммутацией;
□ схемы с пофазной коммутацией;
□ схемы с индивидуальной коммутацией.
В первом случае КУ выключает одновременно всю группу анодных
или катодных тиристоров.
При этом те, которые закрыты, остаются в закрытом состоянии, а
те, которые открыты и проводят ток, запираются.
Пример трехфазного инвертора с групповым КУ показан на рис.
5.23. Здесь при включении вспомогательного тиристора (Т11) запираю-
щее напряжение прикладывается ко всем анодным тиристорам (Tl, ТЗ,
Т5).
В схемах с пофазной коммутацией КУ коммутирует одну фазу (пле-
чо) инвертора, поочередно запирая то анодный, то катодный тиристор.
Пример инвертора с пофазной коммутацией показан на рис. 5.24.
Автономные инверторы
173
Рис. 5.23. Трехфазный инвертор с групповым КУ
Рис. 5.24. Трехфазный инвертор с пофазной коммутацией
В схемах с индивидуальной коммутацией КУ «обслуживает» от-
дельный тиристор. Построение таких схем показано на (рис. 5.25).
Рис. 5.25. Трехфазный инвертор с индивидуальной коммутацией
174
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Коммутационные процессы при выключении тиристоров практичес-
ки не сказываются на электромагнитные процессы в нагрузке инверто-
ра. Поэтому все, что было сказано выше для инверторов на полностью
управляемых полупроводниковых приборах, остается справедливым и
для тиристорных инверторов.
5.6. Многоуровневые инверторы
В последние года разработано значительное количество схем, по-
зволяющих решить две основные задачи преобразовательной техники:
□ улучшить гармонический состав выходного напряжения;
□ увеличить максимальное выходное напряжение. К наиболее ин-
тересным схемотехническим решениям можно отнести много-
уровневые автономные инверторы.
Идею построения и управления многоуровневым инвертором рас-
смотрим на примере однофазного одноплечевого инвертора, изобра-
женного на рис. 5.26.
Рис. 5.26. Одноплечевой трехуровневый инвертор
Такой инвертор запитывается от источника со средней точкой. Роль
делителя напряжения обычно выполняют электролитические конденса-
торы. Сам инвертор содержит четыре последовательно включенных
транзистора с обратными диодами. Схема дополняется двумя фикси-
рующими диодами (Clamped diode CD1, CD2). Способ управления
транзисторами инвертора поясняет рис. 5.11.
Автономные инверторы
175
Схема управления строится аналогично рассмотренной ранее рис.
4.12 а схеме управления мостовым ШИП.
При положительной полуволне модулирующего напряжения транзи-
стор VT3 включен, транзистор VT1 выключен, а транзисторы VT2,
VT4 переключаются в моменты равенства модулирующего (синусои-
дального) и пилообразного напряжения несущей частоты. При отрица-
тельной полуволне модулирующего напряжения переключаются тран-
зисторы VT1, VT3, транзистор VT2 включен, а транзистор VT4 выклю-
чен. Выходное напряжение инвертора показано на рис. 5.27. Такой
инвертор называется трехуровневым. Спектр одноплечевого трехуров-
невого инвертора представлен на рис. 5. 28. Способ управления пяти-
Рмс. 5.27. Выходное напряжение трехуровневого инвертора
176
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
уровневым инвертором и его выходное напряжение представлены на
рис. 5.29 а, б. При построении трехфазного инвертора используются
три однофазных, каждый из которых управляется от отдельной схемы
управления. При этом модулирующие входные напряжения сдвинуты
друг относительно друга на 120 градусов.
10 20 30 40
а)
Рис. 5.29. Алгоритм управления (а),
напряжение и ток нагрузки (б) пятиуровневого инвертора
5.7. Выпрямительный режим работы
автономных инверторов
Автономный инвертор при определенных условиях может быть пе-
реведен в режим управляемого выпрямителя, когда энергия из цепи
переменного тока передается в цепь постоянного тока. Для реализации
такого режима в цепи переменного тока инвертора должен присутство-
вать источник переменного напряжения с последовательно включенной
индуктивностью (рис. 5.30). Эта индуктивность препятствует возникно-
вению токов короткого замыкания при переключении транзисторов ин-
вертора. Моделирующее напряжение, управляющее работой инвертора,
должно иметь ту же частоту, что и напряжение источника переменного
тока.
Автономные инверторы
177
Рис. 5.30. Автономный инвертор, реализующий режим выпрямителя
Электромагнитные процессы при выпрямительном режиме работы
инвертора определяются характером нагрузки в цепи постоянного тока,
законом управления силовыми ключами инвертора, коэффициентом мо-
дуляции (т) и фазой модулирующего напряжения ) по отношению к
напряжению источника переменного тока. Векторные диаграммы всей
системы при работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя
представлены на рис. 5.31, где обозначено: Ut(l), lt(l)— напряжение и
ток первой гармоники в цепи переменного тока инвертора,
UL(1) = х1Д1) — падение напряжения на последовательной индуктивнос-
ти от протекания тока первой гармоники в звене переменного тока ин-
вертора, Un — напряжение источника переменного тока.
Мощность, генерируемая инвертором в цепь постоянного тока без
учета потерь, определяется из уравнения
sjny-1 (5.6)
где x = <eL— реактивное сопротивление последовательной индук-
тивности.
При работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя он по-
требляет от источника переменного тока активную н реактивную мощ-
178
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
иость. Активная мощность определяется уравнением (5.6) и в большей
степени зависит от фазы модуляции инвертора. Реактивная мощность
и ее характер в большей степени зависят от коэффициента модуляции.
Векторная диаграмма, показанная на рнс. 5.31 а, соответствует мало-
sty значению т.
В этом случае реактивная составляющая тока опережает на 90
градусов напряжение источника и инвертор вместе с нагрузкой потреб-
ляет от источника реактивную, емкостную мощность.
Рис. 5.31. Векторные диаграммы инвертора в режиме выпрямителя
На рис. 5.31 б показана векторная диаграмма для большого
(т = 0,9) значения коэффициента модуляции. Из рис. 5.31 б следует,
что реактивная составляющая тока отстает от напряжения питания на
90 градусов. И инвертор вместе с нагрузкой потребляет из сети реак-
тивную, индуктивную мощность.
5.8. Основные характеристики инверторов
К основным характеристикам инвертора относятся:
1. Регулировочная характеристика, представляющая собой зависи-
мость выходного напряжения инвертора от напряжения управле-
ния (коэффициента модуляции).
2. Внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора, представляю-
щая собой напряжение на нагрузке от тока нагрузки.
3. Спектральные характеристики напряжения и тока в цепи перемен-
ного тока.
4. Энергетические характеристики, к которым относятся:
Автономные инверторы
179
□ зависимости тока в источнике питания и в полупроводнико-
вых элементах инвертора от тока в нагрузке;
□ зависимости мощности, потребляемой от источника и мощ-
ности потерь в полупроводниковых элементах инвертора от
мощности в нагрузке.
Аналитический расчет всех перечисленных характеристик пред-
ставляет собой достаточно сложную задачу. Ниже этот расчет осуще-
ствлен по первой гармонике, т. к. именно первые гармоники напряже-
ния и тока на выходе инвертора определяют основные характеристики.
Высшие гармоники незначительно сказываются в основном на потерях,
их можно отдельно учесть и при желании получить уточнения в расче-
тах. Исходными параметрами при анализе и расчете являются ампли-
туда первой гармоники выходного напряжения частота этой гар-
моники и параметры нагрузки RH, LH. Параметры нагрузки обычно
задаются безразмерными величинами: коэффициентом мощности
cospw—===== либо относительной постоянной времени
Vr;+(o>z.„)z
. ЛЬ.
При введенных параметрах амплитуда первой гармоники тока в
нагрузке инвертора определяется из уравнения
/.О)- , /~(1) ,
(5.7)
Относительные средние и действующие токи в полупроводниковых
элементах инвертора, а также относительным средний ток в источнике
постоянного тока определяются по выражениям, представленным в
табл. 5.1.
При известных токах (табл. 5.1) мощности во всех цепях инвертора
рассчитываются достаточно просто.
Далее в лабораторных работах характеристики инвертора определя-
ются с помощью моделирования на виртуальных моделях.
Следует при этом заметить, что моделирование с использованием
современных компьютерных технологий (виртуальных лаборатории)
является правомерным методом исследования наравне с аналитичес-
кими методами. Последние, как известно, особенно при исследовании
сложных систем, также не обходятся без применения компьютеров.
180
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Табл. 5.1
у -Аз_ Trr 4U) l.tn 171) 7 - 7° ° /.(!) 1.м
l + cosg>„ 2л /я--уд+0,5з»рун V 2я l-cosg>H 2» fa,+0.5sin?„ У 2я- СО8ф(, п
ЛАБОРАТОРНЫЕ
РАБОТЫ
Лабораторная работа Ns 1.
Исследование однофазного двухполупериодного
выпрямителя
1. Цель работы
Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя при
работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 2.2, 2.3, 3.2, 3.5. В качестве дополнительной ли-
тературы рекомендуется воспользоваться [10,13].
3. Содержание работы
Исследование внешней и энергетических характеристик однофазно-
го двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктив-
ную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований, предусмот-
ренных содержанием работы, показана на рис. 6.1.1, она содержит:
* источник синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz);
• однофазный трансформатор (Transformer);
• однофазный диодный мост (Universal Bridge);
• активно-индуктивную нагрузку (R, L);
• обратный диод (Diode);
* измерители мгновенных токов в источнике питания (11) н нагрузке
(I Load);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);
* блок для измерения гармонических составляющих тока питания
(Fourier И);
184
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.1.1. Модель однофазного выпрямителя
• блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки
(Fourier 10) и аналогичный блок для измерения гармонических
составляющих напряжения на нагрузке (Fourier U0);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значении тока в
пени питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• блок для наблюдения и измерения мгновенных значений величин,
которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков
(Multimeter);
• блок для измерения амплитудного значения тока первой гармоники
и ее фазы в цепи питания (Display!);
• блок для измерения ередних значении тока и напряжения на на-
грузке (Display 2).
Окно настройки параметров источника питания показано на
рис. 6.1.2.
В полях настройки задаются:
• амплитуда напряжения в вольтах (Реак amplitude, V);
начальная фаза напряжения в градусах (Phase, deg);
• частота напряжения в герцах (Frequency, Hz).
Параметр Sample time задает дискретность задания напряжения.
Такой параметр имеется во многих библиотечных блоках, он должен
быть согласован с временем дискретизации при задании параметров
Лабораторная «мгёсня tat
186
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Окно настройки параметров трансформатора показано на рис. 6.1.3. В
полях окна настройки вводятся номинальная мощность и частота транс-
форматора (Nominal power and frequency), параметры первичной и вто-
ричной обмоток (Winding 1 parameters, Winding 2 parameters) и параметры
ветви намагничивания (Magnetization resistance and reactance). Параметры
схемы замещения трансформатора приведены к относительным (безраз-
мерным) величинам.
Для определения относительных параметров трансформатора необ-
ходимо рассмотреть его схему замещения.
Обобщенная схема замещения трансформатора показана на рис.
6.1.4. Эта схема замещения представлена как идеальный трансфор-
матор с вынесенными элементами, характеризующими потери в об-
Рис. 6.1.4. Обобщенная схема замещения трансформатора
мотках (Rl, R2, R3), потоки рассеяния обмоток (LI, L2, L3) и цепь
намагничивания трансформатора (Lm, Rm).
Преимущество задания параметров трансформатора в относи-
тельных величинах состоит в том, что для первичной и вторичных
обмоток они оказываются равными (рис. 6.1.4). Кроме того, относи-
тельные параметры ветви намагничивания тоже равны между со-
бой. В приложении Ш приведены данные трансформаторов и выра-
жения для определения их относительных параметров. В лаборатор-
ной работе исследуется двухобмоточный трансформатор. В этом
случае в поле параметров для третьей обмотки введен нуль.
Лабораторная работа Ns 1
187
□
pUniversalBndgft(mask)(link? ————-> = г ; .
jThisblockimpiemerrtabridgeofsetectedpcJwerelectranicscteMcas. Senes Д
j RCsnubbardrcistsafe connected m parallelvuiheach switchdevice. For 1
maslapplicabonstiieinlemalinductanceshouWbesBt&ierD. * *
-Parameters . t.---— . :----— ------
if J Number at bridge arms: |2
i Portcoiiiguratien {ABCas tnputtenranals
j Snubbsr resistance Rs (Ohms)
i~ |iooc|
Snuobw capacitance Cs(F)
л!
PowerBedromcdevice {Diodes
.Ron (Ohms)
±1
Lon (Н)
Foiward voltage. Vff»i
Measuretnerts (AU voltages and cunents
3
f- OK
Help |
Рис. 6.1.5. Окна настройки параметров диодного выпрямителя
Окно настройки параметров выпрямителя показано на рис. 6.1.5.
В полях настойки заданы:
• количество ветвей моста (2) (Number of bridge arms);
• конфигурация входных и выходных портов (Port configuration);
• параметры демпфирующих цепей (Snubber resistance, Snubbci
capacitance);
• тип по.тупроводникрвых приборов в универсальном мосте (Power
Electronic device);
• динамическое сопротивление диодов в открытом состоянии в омах
(Ron, Ohms);
188
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
• индуктивность диода в открытом состоянии в генри (Lon, Н);
• пороговое напряжение на диоде в открытом состоянии в вольтах
(Forward voltage, V).
В поле Measurement выбраны величины, которые измеряются бло-
ком Multimetr.
Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 6.1.6. Для ре-
ализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R, L, С цепи
в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавлива-
ется значение активного сопротивления в омах и индуктивности в генри,
в третьем поле (Capacitane С, F ) — бесконечность (inf).
В окне настройки параметров блока Fourier II (рис. 6.1.7) устанавли-
вается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой
гармоники.
Блоки Fourier 10, FourierUO измеряют постоянные составляющие вы-
ходного тока и напряжения. При двухполупериодном выпрямлении ос-
новная частота выходного напряжения (тока) равна удвоенной частоте
источника (f = 100).
В поле (Harmonic п) задается номер гармоники. В данном случае
измеряется постоянная составляющая (л = 0).
Окно приборов Display для измерения значении исследуемых про-
цессов показано на рис. 6.1.8. В первом поле задается формат пред-
ставления измеряемых значений.
Второе поле (Decimation) определяет периодичность вывода значе-
ний в окне Display.
Параметр Sample time задает дискретность вывода измеряемых
значений. Этот параметр должен быть согласован с временем дискре-
тизации при задании параметров моделкрования (рис-. 6.1.10). При мо-
делировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.
Окно настройки блока Multimeter показано на рис. 6.1.9.
В левом поле (Available) высвечиваются все напряжения и токи
универсального моста, так как они заданы в окне настройки блока
рис. 6.1.5.
В правом поле (Selected) отражены те переменные, которые изме-
ряет блок (эти значения перенесены из левого поля в правое кнопкой
Select).
Переменные правого поля можно измерить на выходе блока внешни-
ми приборами. При включенном флажке Display signals at simulation stop
мгновенные значения этих величин отражаются в графическом окне
блока по окончанию очередного моделирования.
Лабораторная работа Ng 1
189
pSeriBsRLC8ranch(mask)flink)-
I implemert?:o ssnes RLCt ranch.
p Parameters-^-——------—-
* Resistance R (Ohms)
а
Inductance J. (H):
|50e-2
Capacitance C(F): -
|nf
Measurement jNone
ок.
| . 6Ppjv [
Ряс. 6.1.6. Окно настройки параметров нагрузки
xi
pFounfrahaJyser^mask) (linty--------------- --—'‘ггггки'5 ---------t_
J The Founerbiockperfbrms.aFouneranalysjsoffteipputsigrral overa running
i wmdowDfDnscyclaofthefunciamentalfrequency.FirstaB^eco'tidoirtputs ,
J netumfespedivalylhem^rKtudeandphBse(d8g/Bes)oftheharaiohtC' ? ;
1 component specified “ ->a ' ‘
.-Paramet ere-------------------——-r-------------------------------
Fundamentalfreqyencyfl (Hz) -•>1 '
Harmonic n((>DC1Huridameirlai?*2rtd harm. ..)
1 Cance,1 | tjelp - [
Ряс. 6.1.7. Окно настройки блока Fourier 1
190
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.1.8. Окно настройки блока Display
ns
-Mulfirigtp» . —.... .. i. .и, ...........,:л-;---------;
Thrs&pckjqeaSw Oievoltagesand curorts spedfiadm
LmeasuremertpapupoiPcwerSystemBtocksetblpcks.The’eft
lislbcscBhows^thB available measuement inihe muhsmeter. Use fta-
uSvl:Universal Ж|!
uSv2: Universal
uSv3: Universal ‘
uSv4: Universal
uAB; Universal B‘
uDC: Universal B:
iSwls Universal
iSv2: Universal
15v3: Universal
13n4: Universal vJ
hl. I _lT
Selected
Display signals at simulation str
Refresh^, Select.
л Ok-, j
Рис. 6.1.9. Окно настройки блока Mutemeter
191
Лабораторная работа Ns 1
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя при
работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом прово-
дятся на виртуальной установке (рис. 6.1.1), подробное описание кото-
рой приведено выше.
Параметры источника питания, трансформатора, нагрузки и диодно-
го моста задаются преподавателем. При самостоятельном изучении
параметры источника питания и диодного моста целесообразно задать
такими, как на рис. 6.1.2, 6.1.5. Параметры нагрузки задаются так,
, у _
чтобы постоянная времени нагрузки 1 н - находилась в пределах
(2...5)Т (Т = у, f — частота источника). Относительные параметры
трансформатора рассчитываются по выражениям приложения (П1) для
выбранного трансформатора.
Параметры моделирования задаются на вкладке Simulation
Parameters/Solver (рис. 6.1.10). В поле Stop time задается время в се-
Ряс. 6.1.10. Окно настройки параметров моделирования
192
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
кундах, равное 10...20 периодов напряжения источника. В поле Туре
задается переменный шаг (Variable-step) и метод решения диффяретти-
альных уравнений — ode 23 tb (stiffZTR-BDF2). В поле Max step size
устанавливается значение шага моделирования, это же значение зано-
сится в поле Sample time всех блоков, которые это поле имеют (рис.
6.1.2, 6.1.8). В оставшихся полях можно оставить то, что компьютер
устанавливает по умолчанию.
Изменяя сопротивление нагрузки от 10 Ом до 100 Ом с шагом
10 Ом н индуктивность нагрузки так, чтобы постоянная времени
т - ht
'н r оставалась постоянной, измеряют и рассчитывают основные
характеристики выпрямителя. При этом моделирование проводится
для каждого сопротивления нагрузки.
Результаты моделирования заносятся в табл. 6.1.1.
Табл 6.1.1
Данные Измерения Вычисления
f i» 1н АО)» Ф: 5,(1) Р,(1)
в Гц Гн Ом А в А град В А ВА Вт Вт
Амплитуда первой гармоники тока в источнике питания /,(1),^,
и начальная фаза этого тока <pt определяются по показаниям Display 1,
ток и напряжение на нагрузке определяются по показаниям Display2.
Мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране ос-
циллоскопа (рис. 6.1.11).
Вычисления полной и активной мощности, потребляемой пыпрями-
телем от источника питания по первой гармонике, а также мощности
в нагрузке, осуществляются по выражениям:
дау Г,
По завершении очередного моделирования появляется графическое
окно блока Multimeter (рис. 6.1.12) с кривыми мгновенных значений
напряжения и тока диода.
Максимальные значения этих величин табл. 6.1.1 определяются
из графического окна блока Multimeter. По результатам табл. 6.1.1
строятся:
Лабораторная работа Ng 1
Рис. 6.1,11. Осциллограммы тока питания,
тока нагрузки и напряжения на нагрузке
• внешняя (нагрузочная) характеристика выпрямителя UH - fiju)',
• энергетические характеристики выпрямителя /,(!)„«„ /с,™,; S)(l),
р,(1) =ягд».
Рис. 6,1.12. Осциллограммы напряжения и тока диода
7 Змг 09
194
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика.
6.4. Энергетические характеристики.
6.5. Осциллограммы мгновенных напряжении и токов.
б.б. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 2.
Исследование трехфазного
даухполупериодного (мостового) выпрямителя
1. Цель работы
Исследование трехфазного даухполупериодного выпрямителя при
работе на активно-индуктивную нагрузку, шунтированную обратным
диодом.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 3.4, 3.5. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [10].
3. Содержание работы
3.1 . Исследование внешней и энергетических характеристик выпря-
мителя без учета коммутации.
3.2 Исследование внешней и энергетических характеристик выпря-
мителя с учетом коммутации.
4. Описание аиртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований показана на
рис. 6.2.1, она содержит:
• источник трехфазного синусоидального напряжения (Inductive
Sourer with neutral);
• трехфазный диодный мост (Universal Bridge);
• активно-индуктивную нагрузку (R,L);
• обратный диод (Diode);
• измерители мгновенных токов в источнике питания (II) и нагрузке
(1 Load);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);
196
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Ряс. 6.2.1. Модель трехфазного выпрямителя
блок для измерения гармонических составляющих тока питания
(Fourier II);
блок для измерения постоянной составляющей (среднего значе-
ния) тока нагрузки (Fourier 10) и аналогичный блок для измерения
ередиего значения напряжения на нагрузке (Fourier U0);
блок для измерения среднего значения тока в диоде выпрямителя
(Fourier DO);
блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения иа нагрузке (Scope);
блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений величин,
которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков
(Multimeter);
блок для измерения амплитудного значения первой гармоники тока
в его фазы в цепи питания (Display!) — блок для измерения
средних значений тока и напряжения на нагрузке и среднего тока
в дноде выпрямителя (Display 2);
блоки для собирания скалярных сигналов в один векторный и
разложения векторных сигналов на скалярные (Mux, Demux).
Лабораторная работа Ns 2
197
Окно настройки параметров источника питания показано на
рис. 6.2.2.
Рис. 6.2.2. Окно настройки параметров источника питания
В полях настройки задаются:
• амплитуда фазного напряжения в вольтах Phase-to-ground peak
voltage (V);
• начальная фаза напряжения в градусах (Phase angle of phase A
(Degrees));
• частота напряжения в герцах (Frequency, Hz);
• внутренние параметры источника (сопротивление в омах и индук-
тивность в генри).
Окно настройки параметров выпрямителя показано на рис. 6.2.3.
В полях настойки заданы:
• количество ветвей моста (3) в поле Number of bridge arms;
• конфигурация входных и выходных портов (Port configuration);
• параметры цепей формирования динамических процессов пере-
ключения диодов (Snubber resistance, Snubber capacitance);
198
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
• тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power
Electronic device);
• динамическое сопротивление диодов в открытом состоянии в омах
(Ron, Ohms );
• индуктивность диода в открытом состоянии в герцах (Lon, Н);
• начальное напряжение на диоде в открытом состоянии в вольтах
(Forward voltage, V).
В поле Measurement выбраны токи и напряжения для измерения
блоком Multimeter.
г Urtuaise! Bndcje ---------—...............................j
..This blot* implementebndge of se!eciedpo««relec*orecs:0e«ees:Senes J-
' RC snubber circuits ere connected m perafel with eecbswitchdaviea, -For -
n»sfe₽plioceon«ihe'fri»menndyctencasho«ldbett»to?$itL'i-:i '.id-
i-ji Number.of bridge anw*grl3 ▼! •
• 'F< :PmtciM^curtfion-'|ABCesinptitterminals~ T-jte
gnubber-reostancB Rs (Ohms)
, Snubber eepaiatariGeCsJF] _ f
...:/Pi»#erElBctraflic.tfeMCe,|oioSs ^L..
RnntOhmsJ
f” “ '
Lonffi - * . ,
> F ' ‘
FbrtneWvottageVI M
1 . _ , - *— —
• ,:-Msasurernante|A)l volbsQBS and currwis ^1
| -OR'1 f Свист! -aslp | Sppfr- |
Рис. 6.2.3. Окно настройки параметров выпрямителя
Все остальные блоки практически повторяют те, которые подробно
рассмотрены в лабораторной работе № I. Следует, одиако, иметь в
виду, что основная частота для блоков Fourier 10 и Fourier £70 равна 300 Гц,
т. к. измерения производятся на выходе трехфазного двухполупериод*
кого выпрямителя.
Лабораторная работа Ng 2
199
5. Порядок проведения лабораторной работы
5.1. Исследование трехфазного двухполупериодного выпрямителя
при работе на активно-индуктивную нагрузку по п. 3.1 проводится на
виртуальной установке (рис. 6.2.1), подробное описание которой приве-
дено выше.
Параметры источника питания, нагрузки и диодного моста задают-
ся преподавателем. При самостоятельном изучении при задании пара-
метров источника питания в поле Source Inductance нужно при выпол-
нения п. 3.1 задать нуль. Остальные параметры источника задать та-
кими же, как на рис. 6.2.2, а параметры выпрямителя — как на рис.
6.2.3. Параметры нагрузки задаются так, чтобы постоянная времени
нагрузки тн = —- находилась в пределах (2...5)Т — — частота
“л /
источника). Параметры моделирования задаются на вкладке Simulation
Parameters/Solver (рис. 6.2.4). В поле Max step size устанавливается
значение шага моделирования, это же значение заносится в пате
Sample time асех блоков, которые это поле имеют. В оставшихся полях
можно оставить то, что компьютер устанавливает по умолчанию.
Simulation Patarnetprs- Wyp .Most .31
§plver|1W®ikspace:lio| :biagnpstidsj ,Adteinc6d|
Shrajlaio'ntitne ' "' :
Start 0-6 .x s-а Sop tons] 0.3
Solvewpticns 1
:Type^Vaneble-step tyji~%rjode15s (stttflNDF)
Maxstpp’sWK
Mfti stepstre' -'louto
< >1----
auto
QBtputoptipns
|Rstine output
: = Re!akv®iotew»ca’f| le-3
' f -
: - Absolute tolerance?] auto
PX *. 'asto' J1
бк I Солсе» | Help | *
Рис. 6.2.4, Параметры моделирования
206
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Изменяя сопротивление нагрузки от 1 до 100 Ом с шагом 10 Ом и
________________________________ у _ Ln
имлуктивипсп. нагрузки так, чтобы постоянная времени ‘ н ~ & остава-
лась неизменной, измеряются и рассчитываются основные характеристи-
ки выпрямителя. При этом моделирование проводится для каждого значе-
ния сопротивления нагрузки.
Результаты моделирования заносятся в табл. 6.2.1.
Табл. 6.2.1
Данные Измерения Вычисления
«« ч, Ф, *D ер s,(i) РД)
в Гц Гн Ом А в А град А В А ВА Вт Вт
Амплитуда первой гармоники тока I ^1)^ в источнике питания и
начальная фаза этого тока ф1 определяются по показаниям Display 1.
Ток и напряжение на нагрузке, а также средний ток в диоде выпрями-
теля определяются по показаниям Display. Мгновенные значения тока
питания, тока нагрузки и напряжения нагрузки можно наблюдать на
экране осциллоскопа (рис. 6.2.5).
Рис. 6.2.5. Мгновенные напряжение и токи выпрямителя
Лабораторная работа № 2 201
Вычисления полной и активной мощности, потребляемой выпрями-
телем от источника питания по первой гармонике, а также мощности
в нагрузке осуществляются по выражениям:
Slm=3V,l,'^W~' (ВА), />,(!) = , Р„-и„1„.
По завершению очередного моделирования появляется графическое
окно блока Multimeter (рис. 6.2.6) с кривыми мгновенных значений
напряжения и тока диода.
Максимальные значения этих величин табл. 62.1 определяются из
графического окна блока Multimeter. По результатам табл. 6.2.1 строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика выпрямителя UH =
• энергетические характеристики выпрямителя IDef, la^ Л0)™. ~№нУ,
• энергетические характеристики выпрямителя S](l), Р,(1) = ДРи).
-J ;!: Гн <» ]-5 г и >л rv': Uli >ur Mu:hrneT-f ______ SgJDI
Ete 5ft friagrtr-Tocfc- *
022- 024 026 O2S 0‘S-
Рис. 6.2.6. Мгновенные напряжение и ток диода выпрямителя
5.2. Исследование трехфазного двухполупериодного выпрямителя при
работе на активно-индуктивную нагрузку с учетом коммутации по п. 3.2
проводится на виртуальной установке (рис. 6.2.1). При выполнении этого
пункта в окне параметров источника в тюле Source Inductance нужно за-
дать величину индуктивности порядка 0.01-0.1 Гн. Порядок выполнения
202
Силовая электроника- Лабораторные работы на ПК
работы аналогичен рассмотренному выше. При проведении работы запол-
няется таблица, аналогичная табл. 6.2.1. Результаты моделирования вид-
ны из рис. 6.2.7, 6.2.8. Они подтверждают теоретические положения, изло-
женные в гл. 3.
Рис. 6.2.7. Мгновенные напряжение и токи выпрямителя
Рис. 6.2.8. Напряжение и ток диода
Лабораторная работа Ns 2 203
По результатам исследования строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика выпрямителя UH = Д/^);
• энергетические характеристики выпрямителя lDcfn 1Ош№, /,( 1 J™*, =
• энергетические характеристики выпрямителя 5j(l), Л(1) =
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочные характеристики выпрямителя без учета коммута-
ции и при учете коммутации (на одном графике).
6.4. Энергетические характеристики выпрямителя /Оср, /Отм„
Л(1)пш>> ^ез учета коммутации и при учете коммутации (на од-
ном графике).
6.5. Энергетические характеристики S1(l), Pj(l).
6.6. Осциллограммы мгновенных напряжении и токов.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 3.
Исследование однофазного двухполупериодного
управляемого выпрямителя
1. Цель работы
Исследование однофазного управляемого выпрямителя при работе на
активио-индуктивную нагрузку с противо-зд.с. и с обратным диодом.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 3.2, 3.3, 3.5. В качестве дополнительной литера-
туры рекомендуется воспользоваться [10].
3. Содержание работы
3.1. Исследование внешних и энергетических характеристик одно-
фазного управляемого выпрямителя при работе на активно-ин-
дуктивную нагрузку с противо-э.д.с. и обратным диодом.
3.2. Исследование регулировочных характеристик однофазного уп-
равляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную на-
грузку с противо-э.дс. и обратным диодом.
3.3. Исследование гармонического состава тока потребления одно-
фазного управляемого выпрямителя.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследовании по п. 3.1
показана на рис. 6.3.1.
Она содержит:
• источник синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz);
• трансформатор (Linear Transformer);
• активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (R, L), (Е);
• обратный диод (Diode);
• измерители мгновенных токов в источнике питания ( 11) и нагруз-
ке (I Load);
Лабораторная работа Na 3
205
Рис. 6.3.1. Модель однофазного управляемого выпрямителя
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);
• блок для измерения гармонических составляющих тока питания
(Fourier I!) и тока тиристора (Fourier ТО);
• блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки
(Fourier 10) и аналогичный блок для измерения гармонических
составляющих напряжения на нагрузке (Fourier U0);
• блок для измерения действующего тока тиристора (RMS ТО);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений величин,
которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков
(Multimeter);
• блок для измерения амплитудного значения тока и его фазы в
цепи питания (Display!) и блок для измерения средних значений
тока и напряжения на нагрузке (Display);
• блок для измерения среднего и действующего значения тока ти-
ристора (Display!);
206
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
• однофазный тиристорный мост (Universal Bridge);
• блок То Workspace, предназначенный для передачи исследуемого
сигнала в рабочее пространство MatLab с последующей обра-
боткой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для иссле-
дования гармонического спектра тока потребления.
Все перечисленные блоки (кроме двух последних) и их параметры
повторяют те, которые были рассмотрены в лабораторной работе № 1.
Параметры тиристорного моста показаны на рис. 6.3.2.
. TUnfeaitalBndgd (modi) (Enk) г—.
: ^uekto^imf^emert ebntiga oiifileaedpcrwetelecirOTicsdevices.. Senes
' RCsnubbBi;circvitsarecarmectedaTpBra3Blv<Wi eMh swtcti device. For
' <пой;арр!icatiQns ihe intamal inductanceshouW ha sat ш гею.
r₽eram&tera^-^-^—. . -•
.'."rXumberoibndgeafflis:-1? ~ ~~~'
'.PBrtccnfigyfteon as input terminals———?
3’\&iibwteei»tocs'R£(Ohms)
“ §nubberc»4ie£iiaM»Cs^) - 'д ; П;: ;.Д:;
ОД1В-6
': ~<йЛямвг€|ва(Отс efwres.i Jlhynstors>.
i (И1’ 'л... Я
! Ж.,, .... . .. . \ . : Ш
i:.. F&Mwd vbtege Vi(V)! : ' • : • '.
i: 7^o.e - —
< • Measurenwtfa JaI voltages and ajrrants
• ~: - t^P- • 4; ':l!''::} '
Рис. 6.3.2. Окно настройки управляемого выпрямителя
Модель блока управления (Control system) показана иа рис. 63.3.
Этот блок уже был подробно описан ранее в гл. 3 (п. 3.3, рис. 3.8).
На вход Ini блока поступает синхронизирующий сигнал от сети и сиг-
нал задания угла управления (вход 1п2).
Лабораторная работа № 3
207
File £dft . v - 'Fcnnaj. Taois ':!Не1р
D I g Я Ql X Д"й,| ft Д V ^. > * Inoctu
Рис. 6.3.3. Модель блока управления
Блок То Workspace предназначен для передачи исследуемого сигна-
ла в рабочее пространство MatLab с последующей обработкой паке-
том расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармони-
ческого спектра тока потребления. Окно настройки параметров блока
показано на рис. 6.3.4.
В первое поле окна настройки введено название переменной, под
которой измеренный вектор будет фигурировать в рабочем простран-
стве. Во втором поле определена длина вектора (количество записан-
ных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть
связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и с вре-
менем поля Sample time. Частота исследуемого сигнала в рассматри-
ваемом 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. Следует подчеркнуть, что для получе-
ния спектра необходимо записывать в рабочую область не менее двух
периодов. Следует также подчеркнуть, что время в поле Sample Time
2В8
Силовая электроника- Лабораторные работы на ПК
должно быть согласовано с шагом моделирования в окне параметров
моделирования (рис. 6.3.5). Формат вектора устанавливается в нижнем
поле окна (см. гл. 1).
|В1пг;к Parameters То Wetkspnte
fTо Workspace -------------— -------------------------------—.
Wrtemputtospeafied array ctfstructura in MATlAS'smainworkspcrs.Dete . k
is not avertable ипЫ ^simuWicm is stopped or paused.? . ? -L
- Parameters------—1 ----------;—------------—----------*i
Vanabletiame ” |
’ ??|lab_8_3 ' '
LmtdatBpointstolast . ?
-?'? pool ' '.<??
Deomeiicn
J.---------_____-------------------------------------
Sample-time
| OK^ I Cancel | Help j 1 jSaSpV |
Рис. 6.3.4. Окно настройки параметров блока То Workspace
5. Порядок проведения лабораторной работы
5.1. Исследование однофазного управляемого выпрямителя при
работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом по п.
3.1 содержания работы проводится на виртуальной установке (рис.
6.3.1), подробное описание которой приведено выше
Параметры источника питания, трансформатора, нагрузки и тирис-
торного моста задаются преподавателем. При самостоятельном изу-
чении их целесообразно задать такими же, как на рис. 6.1.2, 6.1.3, 6.1.6,
лаб. раб. № 1 и рис. 6.3.2). Параметры моделирования задаются на
вкладке Simulation/parameters (рис. 6.3.5). В поле Stop time задается
время в секундах. В поле Max step size устанавливается значение шага
моделирования, это же значение заносится в поде Sample time всех
блоков, которые это поле имеют. В оставшихся полях можно оставить
то, что компьютер устанавливает по умолчанию.
(9 f'9 9»d)
епомэоЕ(гипэо SHBdxe eh ч1ЕРопгдвн овжои ниьикая хихс кинэь
-ЕНЕ ЭГШНЭаОН1р^ XEjdsiQ нкинвевяоп on EOJ-OIBIfaPaduO алЕЛйгея ъи эин
-эжкйпвн и яох ‘iXBjdsiQ ивинвстмоп ои ваю1ккэ1Гх£ио вяох aioie всвф
квнчивъен н кинвхин эхиньохэи a HMHHOHdeJ Hoadau beAlhihikv
Щ va V a V V redj V a V a Jr»ii
"d (l)'d (I)'s V "(1)7 “n 3 Ю
аинэ1гэиычд винэдэиси Э1ЧННВ17
ff9 W
ТГ9 '«ФИ-
а К31КЭОНЕЕ кивваосЬнгаЕои mBiwXtaj KWHaifacdtiA вшХ и 'эте-оа
-Miodii винэьвне ojoitkbx nrtr BoiWoaodu эинваосЬнгаГок hole ийц
(o09 ‘oOt’ ‘oO = ») иаиэхинкЦшча кинэичвсТнХ вшЛ иияэь
-вне xadi nffi кз1огеиииэ HXHiaHdaisBdEX эияшэнд д оз колвш о д Q
or д Q0I —1О HMtXdiBH •о Р е-оянюйи юхэкнэисн ‘иинэнаиси сод кэхсм
-шо ияЕлейвн j Hdianedan хиюи4э1хвёвх хикгаэнв ииъкно udjj
eatHBSodtwaDbH eodienecfeu mtfodioBH ohxq ‘S‘E‘9
>0
jJsqMjagey |Z~
;: japio шлой®м
ogre |азмаяця-81П|теду<!
indytoetata^^
suaidoyid)r>ci
o<na | :92ildsisjO4nJ[
о>эд | -Bnsdeisw^
•eas^»sxaM
(daM's) sstepoj £ |Z~ dms-aiqouoA^feKx
' SUOItdO-JSAJQS
Eg|atut|da^ QQp^WWPIS
euir) uajejriuits
|ps3t/0Aptf jsaqsaufoiQ jo/l83ttdsxjaM |jBA(0S
607
C sn eio$ed uendoiedoge[/
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6,3.7) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток тиристора управляемо-
го выпрямителя. Средний 1п и эффективный 1Т ток тиристора опре-
деляются по показаниям Display2.
Рис. 6.3.6. Мгновенные токи и напряжение управляемого выпрямителя
Рис. 6.3.7. Напряжение и ток на тиристора УВ
Лабораторная работа № 3
211
Полная в активная мощность по первой гармонике, потребляемая
выпрямителем из сети, рассчитываются по выражениям:
(BA) S.eosp, (Вг).
Мощность в нагрузке определяется по выражению:
=U„I„ (Вт).
Потери в тиристоре УВ рассчитываются по выражению:
По результатам табл. 6.3.1 строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика управляемого выпрямите-
ля £/„ =
• энергетические характеристики управляемого выпрямителя S;(l),
Р,(1), Рт = f(P„);
• энергетические характеристики управляемого выпрямителя
1|(1)ти, 1-ГО» к = ^Пн)-
Исс.тедование регулировочной характеристики управляемого одно-
фазного выпрямителя по п. 3.2 содержания лабораторной работы осу-
ществляется на модели (рис. 6.3.1) при одном значении против© эдс
(задается преподавателем) и изменении угла управления от 0 до 180
градусов с шагом 20 градусов. Моделирование осуществляется при
каждом значении угла управления, при этом заполняется табл. 6.3.2.
Табл. 6.3.2
Измерения
а (град) (В)
Исследование спектрального состава тока потребления управляе-
мым выпрямителем осуществляется при одном значении угла управле-
ния (задается преподавателем) в пакете расширения Signal Processing
Toolbox. Подробное описание интерактивных средств этого пакета рас-
ширения было дано в гл. 1, гл. 3. Используя средства просмотра сиг-
нала, записанного в рабочую область под именем Lab_6_3, можно про-
смотреть исследуемый сигнал (рис. 6.3.8).
212
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.3.8. Ток в цепи питания УВ
В данном случае записано два последних периода исследуемого
сигнала, о чем уже говорилось выше. Спектральный состав тока пока-
зан на рис. 6.3.9. Для определения абсолютных значений гармоничес-
ких составляющих в амперах следует воспользоваться формулой:
/, («)„ М) = /,(!)„,
У| •
где V — номер гармоники, /[(и), амплитуда тока v-ой гармоники в
амперах, уь у„ — значения, определенные из рис. 6.3.9, /К!)™ — ток,
считанный с дисплея в амперах. По результатам измерений и расчетов
заполняется таблица 6.3.3.
Табл. 6.3.3
Измерения Вычисления
а (град) У,--Уи
Лабораторная работа Ns 3
213
Рис. 6.3.9. Спектр тока питания УВ
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика.
6.4. Энергетические характеристики.
6.5. Регулировочная характеристика.
6.6. Спектральный состав тока потребления.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 4.
Исследование трехфазного
двухполупериодного управляемого выпрямителя
1. Цель работы
Исследование грехфазного двухполупериодного (мостового) управ-
ляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с
противо-з.д.с. и с обратным диодом.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 3.4, 3.5. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [10].
3. Содержание работы
3.1. Исследование внешних и энергетических характеристик трехфаз-
ного управляемого выпрямителя при работе на активно-индук-
тивную нагрузку с противо-э.д.с. и обратным диодом.
3.2. Исследование регулировочных характеристик трехфазного управ-
ляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную на-
грузку с противо-э.д.с. и обратным диодом.
3.3. Исследование гармонического состава тока потребления грех-
фазного управляемого выпрямителя.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
В иртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.4.1.
Она содержит:
• источник трехфазного синусоидального напряжения (Inductive
source with neutral);
• активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (R, L), (Е);
Лабораторная работа Ns 4
215
Рис. 6.4.1. Модель трехфазного управляемого выпрямителя
• обратный диод (Diode);
• измерители мгновенных токов в источнике питания (II) и нагрузке
(I Load);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);
• блок для измерения гармонических составляющих тока питания
(Fourier 11) и тока тиристора (Fourier ТО);
• блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки
(Fourier 10) и аналогичный блок для измерения гармонических
составляющих напряжения на нагрузке (Fourier U0);
• блок для измерения действующего тока в тиристоре (RMS Т);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений величин,
которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков
Multimeter;
• блок для измерения амплитудного значения тока и его фазы в цепи
питания (Display 1);
216
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
• блок для измерения средних значений тока и напряжения на на-
грузке (Display);
* блок для измерения среднего и действующего значения тока ти-
ристора (Display!)
• блок То Workspace, предназначенный для передачи исследуемого
сигнала в рабочее пространство MatLab с последующей обра-
боткой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для иссле-
дования гармонического спектра тока потребления;
• трехфазный тиристорный мост (Universal Bridge);
• библиотечный блок управления трехфазным выпрямителем
(Synchronized 6-Pulse Generator).
Все перечисленные блоки (кроме двух последних) и их параметры
повторяют те, которые были рассмотрены в лабораторных работах
№2, № 3.
Окно настройки параметров тиристорного моста приведено на
рис. 6.4.2.
Рис. 6.4.2. Окно настройки управляемого выпрямителя
Лабораторная работа № 4
217
Окно настойки параметров блока управления показано на рис. 6.4.3.
Этот блок уже был подробно описан ранее в тп. 3. В поля окна
вводится частота источника и длительность импульса управления в
градусах. Последнюю величину следует согласовывать с сигналом
управления (вход alpha_deg в блоке Synchronized 6-Pulse Generator
рис. 6.4.1), так, чтобы сумма этих углов не превышала 120 градусов.
Рис. 6.4.3. Окно настройки параметров блока управления
На вход блока поступают синхронизирующие сигналы от сети и сигнал
задания утла управления.
Блок То Workspace предназначен для передачи исследуемого сигна-
ла в рабочее пространство MatLab с последующей обработкой паке-
том расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармони-
ческого спектра тока потребления. Окно настройки параметров блока
показано на рис. 6.3.4.
Рис. 6.4.4. Окно настройки параметров блока То Workspace
218
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
В первое поле окна настройки введено название переменной, под
которой измеренный вектор будет фигурировать в рабочем простран-
стве. Во втором поле определена длина вектора (количество записан-
ных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть
связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и с вре-
менем поля Sample time. Частота исследуемого сигнала в рассматри-
ваемом 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. Следует подчеркнуть, что для получе-
ния спектра необходимо записывать в рабочую область не менее двух
периодов. Следует также подчеркнуть, что время в поле Sample Time
должно быть согласовано с шагом моделирования в окне параметров
моделирования (рис. 6.4.5). Формат вектора устанавливается в нижнем
поле окна.
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе
на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом по п. 3.1
содержания работы проводится на виртуальной установке (рис. 6.4.1),
подробное описание которой приведено выше.
•J Simulation Parameters- UWyp mos..
Л>| 1ф. 111 | ЧвлМчт AHtihpj
rilim're
Swtlfce (g.0 '£|ф]пк.р2 , A J.
Ти>к|Уа1нЫ».<1ер "A |ode2Sb(sJ/f/TR BD^I *!
ReWj'feiotorance Jl*3
AbiaiutB loiseic«Jauo
Refne factor J1
J I | "VC I
Рис. 6.4.5. Параметры моделирования
Лабораторная работа № 4
219
Параметры источника питания, нагрузки и тиристорного моста за-
даются преподавателем. При самостоятельном изучении их целесооб-
разно задать такими же, как на рис. 6.1.6., лаб. раб. № 1, рис. 6.2.2.
лаб. раб Хе 2 и рис. 6.4.2. Параметры моделирования задаются на
вкладке Simulation/parameters (рис. 6.4.5). В поле Stop time задается
время в секундах. В поле Max step size устанавливается значение шага
моделирования, это же значение заносится в поле Sample time всех
блоков, которые это поле имеют. В оставшихся полях можно оставить
то, что компьютер устанавливает по умолчанию.
При снятии внешних характеристик параметры R, L нагрузки оста-
ются без изменении, изменяется противо-э.д.с. нагрузки от — 100 В до
0 В с шагом 20 В. Внешние характеристики снимаются для трех зна-
чений угла управления выпрямителем (а = 0°, 40°, 60°).
При этом моделирование проводится для каждого значения протн-
ВО-Э.Д.С. и угла управления. Результаты моделирования заносятся в
табл. 6.4.1.
Табл. 6.4J
Данные Измерения Вычисления
а Е ч, А<1)„ Ф, ]_ S/D р, Р,(1)
град В А в А град А А в А ВА Вт Вт Вт
Амплитуда первой гармоники в источнике питания и начальная фаза
этого тока определяются по показаниям Display] ,ток и напряжение на
нагрузке определяются по показаниям Display. Мгновенные значения
этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 6.4.6).
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.4.7) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток тиристора управляемо-
го выпрямителя.
Полная и активная мощность по первой гармонике, потребляемая
выпрямителем из сети, рассчитываются по выражениям:
5,(1) - “"'1 -~(1> (BA) f;(l) = 5^1Ja5iiJ^^i^(Br).
Мощность в нагрузке определяется по выражению:
(Вт).
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.4.6. Ток питания, ток нагрузки и напряжение на нагрузке УВ
Simulation result for: Multimeter
Fite E<ft View ]n«pit Too.3 Wndow Help
7d 'A Z i
Рис. 6.4.7. Напряжение и ток тиристора УВ
Лабораторная работа Ns 4
221
Потерн в тиристоре УВ рассчитываются по выражению:
По результатам табл. 6.3.1 строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика управляемого выпрямите-
ля UH = Д/и);
• энергетические характеристики управляемого выпрямителя S)(l),
PHI), Рт =ЛРН);
• энергетические характеристики управляемого выпрямителя
/1(1)^, /то, 1Т =Л1н)-
Исследование регулировочной характеристики управляемого трех-
фазного выпрямителя по п. 3.2 содержания лабораторной работы осу-
ществляется на модели (рис. 6.4.1) при одном значении противо-эл.с.
(задается преподавателем) н изменении угла управления от 0 до 120
градусов с шагом 20 градусов. Моделирование осуществляется при
каждом значении угла управления при этом заполняется табл. 6.4.2,
Табл 6.4.2
Измерения
а (град) Ц,(В>
Исследование спектрального состава тока потребления управляе-
мым выпрямителем осуществляется при одном значении угла управле-
ния (задается преподавателем) в пакете расширения Signal Processing
Toolbox. Подробное описание интерактивных средств этого пакета рас-
ширения было дано в гл. 1, гл. 3. Используя средства просмотра сиг-
нала, записанного в рабочую область под именем Lab_6_4, можно про-
смотреть исследуемый сигнал (рис. 6.4.8J.
В данном случае записано два последних периода исследуемого
сигнала, о чем уже говорилось выше. Спектральный состав тока пока-
зан на рис. 6.4.9. Для определения абсолютных значений гармоничес-
ких составляющих в амперах следует воспользоваться формулой:
У]
222
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
где 7i(v)raax — амплитуда тока v-ой гармоники в амперах., у,, уи —
значения, определенные из рис. 6.4.9, — ток, считанный с дис-
плея в амперах.
ЬД Signal Qrowser Print Preview” ЙЙИ1
-20 к . A ------—A------1- Д .,.,,.. 1 l.u.!,!. J..„A . --------------J - ’ i
0r 0Д»5 0.0t 0015 002 0У325 W 0035 1
. ’ Time . „ ', I
|xt 00132 yt -00085240,00256 y2 1525 00134 »1525 I j
> MarkefVaiues -I
Рис. 6.4.8. Ток питания УВ
• i Speftrum Vi.wt Pr r.t Pr*>viнw RIsiOj
Priri j О»] “ *
PSD
Рис. 6.4.9. Спектр тока в цепи питания
Лабораторная работа Ns 4
По результатам измерений и расчетов заполняется табл. 6.4.3.
Табл. 6.4.3
Измерения Вычисления
а (град)
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика.
6.4. Энергетические характеристики.
6.5. Регулировочная характеристика.
6.6. Спектральный состав тока потребления.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа № S.
Исследование трехфазного инвертора,
ведомого сетью
1. Цель работы
Исследование трехфазного двухполупериодного (мостового) инвер-
тора, ведомого сетью.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 3.5, 3.6, 3.7. В качестве дополнительной литера-
туры рекомендуется воспользоваться [10].
3. Содержание работы
3.1. Исследование регулировочных и энергетических характеристик
трехфазного инвертора, ведомого сетью.
3.2. Исследование гармонического состава тока, генерируемого ин-
вертором в сеть.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
□оказана на рис. 6.5.1.
Все блоки и их параметры повторяют те, которые были рассмотре-
ны в лабораторной работе № 4. Отличие состоит лишь в том, что в
модели (рис. 6.5.1) отсутствует обратный диод.
5. Порядок проведения лабораторной работы
5.1. Исследование регулировочной и энергетических характеристик
ведомого сетью инвертора по п. 3 1 содержания работы проводится на
виртуальной установке (рис. 6.5 1).
Лабораторная работа Ns 5
225
Рис. 6.5.1. Модель тиристорного инвертора, ведомого сетью
Параметры источника питания, нагрузки и тиристорного моста за-
даются преподавателем. При самостоятельном изучении их целесооб-
разно задать такими же, как в лаб. раб. Xs 4. Параметры моделирова-
ния задаются на вкладке Simulation/parameters (рис. 6.4.5, лаб. раб. Xs 4).
При снятии характеристик параметры R, L в цепи постоянного тока
инвертора остаются без изменений, изменяется угол управления от 90
до 110 градусов с шагом 10 град. Характеристики снимаются для трех
значений э.д.с нагрузки 200, 300, 400 В-
При этом моделирование проводится для каждого значения угла уп-
равления и э.д.с. Результаты моделирования заносятся в табл. 6.5.1.
Табл. 6.5.1
Данные Измерения Вычисления
а Е «1)„ Ф. Авв ЭД Р,(1) Рн
град В А в А град в А ВА Вт Вт
I Зв. 69$
226
Силовая электроника Лабораторные работы на ПК
Амплитуда первой гармоники в источнике питания и начальная фаза
этого тока определяются по показаниям Display!, ток и напряжение в
цепи постоянного тока инвертора определяются по показаниям Display.
Мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране осцил-
лоскопа (рис. 6.5.2). Следует обратить внимание, что при положительном
токе, напряжение в цепи постоянного тока отрицательно. Кроме того,
фаза тока в цели питания сдвинута относительно напряжения питания на
-НО градусов. Все это свидетельствует о том, что энергия передается
из цепи постоянного тока в цепь переменного тока.
Рис. 6.5.2. Электромагнитные процессы а схеме
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.53) наблюдаются н
определяются максимальные напряжение и ток тиристора управляемо-
го выпрямителя.
Полная и активная мощность по первой гармонике, генерируемая
ведомым инвертором в сеть переменного тока, рассчитываются по
выражениям:
(вл) ад =(в,).
Лабораторная работа Ns 5
227
Рис. 9.S.4. Тох а цепи источника переменного тока ведомого инвертора
228
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Мощность в цепи постоянного тока определяется по выражению:
(Вт).
По результатам табл. 6.5.1 строятся:
• регулировочная характеристика ведомого сетью инвертора
UH = /Цн);
• энергетические характеристики ведомого сетью инвертора S)(l),
Рн = ЛР,(1».
5.2. Исследование спектрального состава тока, генерируемого ин-
вертором в сеть, осуществляется при одном значении утла управления
(задается преподавателем) в пакете расширения Signal Processing
Toolbox. Подробное описание интерактивных средств этого пакета рас-
ширения было дано в ги. 1, гл. 3. Используя средства просмотра сиг-
нала, записанного в рабочую область под именем Lab_6_5, можно
просмотреть исследуемый сигнал (рис. 6.5.4).
Спектральный состав тока показав на рис. 6.5.5. Для определения
абсолютных значений гармонических составляющих в амперах следу-
ет воспользоваться формулой:
М1>)И«М) = — ^(1)«
У1
где ^(v)^, амплитуда тока и-ой гармоники в амперах, yb — зна-
чения, определенные из рис. 6.3.9, Д(1)ти— ток, считанный с дисплея в
амперах.
Рис. 6.5.5. Спектр тока s цепи источника переменного тока
Лабораторная работа Ne 5
229
По результатам измерений н расчетов заполняется табл. 6.5.2.
Табл. 6.5.2
Измерения Вычисления
а (град) у,... yv А(1)„(А) А<2)„ A(«U(A)
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Энергетические характеристики.
6.4. Регулировочная характеристика.
6.5. Спектральный состав тока в цепи переменного тока.
6.6. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 6.
Исследование мостового
широтно-импуль сного пр еобразова теля
с симметричным законом управления
1. Цель работы
Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя
(ШИП) с симметричным законом управления при работе на активно-
индуктивную нагрузку с противо-э.д.с.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 4.1, 4.2, 4.3. В качестве дополнительной литера-
туры рекомендуется воспользоваться [1, 3, 17].
3. Содержание работы
3.1. Исследование регулировочных и энергетических характеристик
мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симмет-
ричным законом управления при работе на активно-индуктивную на-
грузку с противо-э.д.с.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.6.1.
Она содержит:
• источник постоянного напряжения (240 В);
• активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (R, L), (Е);
• измерители мгновенных токов в источнике питания (Л) и нагрузке
(1 Load);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);
• блок для измерения среднего значения тока питания (Fourier И);
• блок для измерения среднего значения тока нагрузки (Fourier 10);
Лабораторная работа Ns 6
231
* блок для измерения среднего значения напряжения на нагрузке
(Fourier U0);
* блок для измерения среднего значения тока силового полупровод-
никового модуля (FourierTO);
• блок для измерения действующего значения тока силового полу-
проводникового модуля (RMS Т);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• Multimeter блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений
величин, которые выбраны в поле Measurement соответствующих
блоков;
♦ блок для измерения величины среднего значения тока в цели пи-
тания (Display!);
• блок для измерения величии средних значений тока и напряжения
на нагрузке, а также среднего и действующего тока в силовом
полупроводниковом модуле (Display);
• однофазный мостовой транзисторный ШИП (Universal Bridge 2
anus);
• блок управления ШИП (Control system);
• блоки Mux и Demux для собирания и разделения сигналов.
Рис. 6.6.1. Модель широтно-импульсного преобразователя
232
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Окно настройки параметров источника питания показано на
рис. 6.6.2.
.j-OCVofte^eSourcs^maskJ?'^’
jkieol DC voltage source.';
-Patarngter? •
^ . Amplifcjde f/):
|2^d ’
-Ц-\Me&surainerai$ >:|None
а®
Help |
Рис. 6.6.2. Окно настройки параметров источника питаний
В поле настройки задается величина напряжения в вольтах
(Amplitude, V).
Окно настройки параметров транзисторного ШИП показано на
рис. 6.6.3.
-Омга>|Ый0>(<т^{1>йд^-------->-------—--------------•
RCflwbt»roreiH«^areaiu«aMlitpeMat»*Mctk«iMjidaiiEK.Far-
:щт«(ф1свкопа(1»||>Швм1аМы1а>к*Й|ММЬ« tMIBMn.- .
। : fearnribam^oarlABCciojteuHerTTiwtal» wl
j|OKO - .
!'.h?> . .. '........... ' ’ . ' J'
r ' г : :: 'i- Д::
J'' " """
ХЛННёЙЙЙЦГ ^*Hvctoae«№aculrero ^1
• i'. . bK ~ : I.? 6i«»l ; J . j'; НЙ»...; I ' .-йрс? |:
Рис. 6.6.3. Окно настройки параметров транзисторного ШИП
Лабораторная работа № 6
233
В полях настойки заданы:
• количество ветвей моста (2) в поле Number of bridge arms;
• конфигурация входных и выходных портов (Port configuration);
• параметры демпфирующих цепей (Snubber resistance, Snubber
capacitance);
• тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power
Electronic device);
• динамическое сопротивление полупроводникового модуля откры-
том состоянии в омах (Ron, Ohms );
• пороговое напряжение на транзисторе и диоде модуля в открытом
состоянии в вольтах (Forward voltage, V);
• время спада и время затягивания (хвоста) выключения (Tf, Tt) в
секундах.
В поле Measurement выбраны величины, которые измеряются бло-
ком Multinietr.
Модель блока управления (Control system) показана на рис. 6.6.4.
Этот блок уже был описан ранее в гл. 4 (рис. 4.9). Блок Repeating
Sequence из главной библиотеки Simulink/Sources является генератором
пилообразного напряжения (ГПН). Параметры этого генератора зада-
ются в окне параметров (рис. 6.6.5). В исследуемой модели установ-
лены следующие параметры ГПН:
• амплитуда пилообразного напряжения — 2 В;
• период пилообразного напряжения То = 0,002 с. (частота f0 = 500 Гц).
На вход блока управления (порт Ini, рис. 6.6.1) подается постоян-
ный сигнал задания управления.
Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 6.6.6. Для
реализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R, L,
С цепи в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H)
устанавливается значение активного сопротивления в омах и индук-
тивности в генри, в третьем поле (Capacitanc С, F) — бесконечность
(inf).
В окнах настройки параметров блоков Fourier II, Fourier 10,
Fourier Ul, Fourier TO (рис. 6.6.1) устанавливается-частота равная
частоте напряжения ГПН (500 Гц.) и номер нулевой гармоники.
Окно блока для измерения действующего тока в полупроводниковом
модуле (RMS Т) показано на рнс. 6.6.7. В поле окна вводится час-
тота, на которой производится измерение (в данном случае — это
частота ГПН).
234
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.6.4. Модель блока управления (Control system)
IOulp«arap»e>ifijie4uar>cadraimbereepec^etf»tatt*>le0fctey^(»;<<-';:-
1раИ^сМ*<К1те«1)е^1»лп>1цйонса1^и1а*ай^^':’^''>^>^'к-.||:
Рис. 6.6.5. Окно задания параметров ГПН
ЦЩ£^ОЩ|^В]ЩЦННЦ
r^Set
ц.&туйммеаяеамА^Сйгап^-:' :.
BRe>.He«eR(Ot,fMj:
фо
Whjct?nc»L(Ht
J —
CapactoncaCff). j
1 Сков | Help, |
Рис. 6.6.6. Окно настройки параметров нагрузки
Лабораторная работа Ns 6
23S
J'TtM blockrneesurssthe tcmmeen-eqwBeyeiueDtiiwtasiBneousBurent or
|:yBltagffsgnal<o/wcted»tteinpu}aMeblb€k^tefil4Sv^^!S'>:^':';v.-<:: т
; | celpjlaied cv₽renmTwgwindawofo»s^lcleo<the.s^eafediiavfewefitai ->:•
, frequency. - |
рРвгв/пйеге———-—— -—r-—~~~— -----------——-——-• •—~
, Ftfndamwi(dfrequ$ncy(Hz)- >• -
f ~~QK | Cancel | . jffip f I :
Рис. в.6.7. Окно блока для измерения действующего тока
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование регулировочных и энергетических характеристик
мостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с симмет-
ричным законом управления при работе на активно-индуктивную на-
грузку с противо-э.д.с. проводится па виртуальной установке (рис.
6.6.1), подробное описание которой приведено выше.
Параметры источника питания, нагрузки и тиристорного моста за-
даются преподавателем. При самостоятельном изучении их целесооб-
разно задать такими же, как на рнс. 6.6.2, 6.6.3, 6.6.6. Параметры
моделирования задаются на вкладке Siroulauon/paraxneteis (рнс. 6-6.8).
Рис. 6.6.6. Параметры моделирования
236
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
При снятии характеристик параметры R, L нагрузки остаются без изме-
нений, изменяется напряжение управления от -2В до 2В с шагом 0,5 В.
Характеристики снимаются для трех значений эдс нагрузки 0, 100, 200 В.
При этом моделирование проводится для каждого значения напря-
жения управления и э.д.с. Результаты моделирования и последующих
вычислении заносятся в табл. 6.6.1.
Табл. 6.6.1
Данные Измерения Вычисления
ч £ ч, 1: А- /TRMS ч_ /Т1ПВ Y Р. Рт А,
град В А в А А А в А Вт Вт Вт
Средний ток в источнике питания определяются по показаниям
Display!. На блоке Display (рис. 6.6.1) измеряемые величины представ-
лены в следующей последовательности:
(1) Средний ток нагрузки. (2) Среднее напряжение на нагрузке.
(3) Средний ток в силовом полупроводниковом модуле. (4) Действую-
щий ток в силовом полупроводниковом модуле. Мгновенные значения
тока питания, нагрузки и напряжения на нагрузке можно наблюдать на
экране осциллоскопа (рис. 6.6.9).
Рис. 6.6.9. Ток питания, ток нагрузки и напряжение на нагрузке ШИП
Лабораторная работа Ns 6
237
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.6.10) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток силового полупровод-
никового модуля.
£8е!-£$М 5flew! tff*W ? lools > Bfmiow -Ж-
Sjitfes S®B 53JO
uSwt Urwersa! 8odge-2 aims
Рис. 6.6.10. Напряжение и ток силового транзистора
Окно настройки параметров блока Multimeter показано на рис. 6.6.11.
В правое поле помешены переменные, подлежащие измерению При
этом существенна последовательность, в которой эти переменные по-
мещены в правом поле. В такой же последовательности они представ-
лены на выходе блока Demux (рис. 6.6.1). Включенный флажок Display
signals at simulation stop обеспечивает появление графического окна
(рис. 6.6.10) по окончании моделирования.
Относительная продолжительность импульса напряжения на нагруз-
ке определяется по формуле:
Y = , где То — период напряжения ГПН, а /в определяется по
осциллограмме Load Voltage (рис. 6.6.9) на оси абсцисс (т. е. при на-
пряжении 0В).
Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выражению:
Р, - Uп 1} (Вт), где (/п — напряжение питания.
238
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Квазистатические потерн в силовом полупроводниковом модуле
рассчитываются по уравнению:
Рт =(Л/ +<l-y)V«]<r + /^[7г(ЛИ5)]г, гае — параметры си-
лового модуля (рис. 6.6.3), а ГГ, IT(RMS) — его средний и действую-
щий ток (табл. 6.6.1).
Мощность в нагрузке определяется по выражению*.
Ри=ин1и (Вт)
По результатам табл. 6.6.1 строятся:
• регулировочные характеристики ШИП Uh ~ f(y);
• энергетические характеристики ШИП =
Р., Рт -ЛРЯ).
Th»b(0dsffwns4re №в voltage* WarranwepcaSetf иггаэд г
meeeuremenlgopuRafRjwerSysii?r»Bto^<3etb{QCis.:Thel^t,.^:.:.
listaexsfiows ЛввлЧвЫе me«urementnvff!aBiuamatet Usefte^
Рис. 6.6.11, Окно настройки параметров блока Multimeter
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Регулировочные характеристики при трех заданных э.дс. нагрузки.
6.4. Энергетические характеристики при трех заданных эд.с. нагрузки.
6.5. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 7.
Исследование мостового
широтно-импульсного преобразователя
с несимметричным законом управления
1. Цель работы
Исследование мостового широтно-импульсного преобразователя
(ШИП) с несимметричным законом управления при работе на активно-
индуктивную нагрузку с противо-э.д.с.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 4.2, 4.3. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [1, 3, 17].
3. Содержание работы
Исследование регулировочных и энергетических характеристик мо-
стового широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с несиммет-
ричным законом управления при работе на активно-индуктивную на-
грузку с противо-э.д.с.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1 показа-
на на рис. 6.7.1. Она практически полностью повторяет модель ШИП с
симметричным законом управления (рис. 6.6.1, лаб. раб. № 6). Отличие
состоит в блоке управления (Control system) и в настройке блока Multimeter
Модель блока управления показана на рис. 6.7.2. Описание этого
блока приведено в гл. 4.
Окно настройки параметров блока Multimeter показано на рис. 6.7.3.
Здесь, в отличие от лабораторной работы № 6, в правое поле пере-
несены напряжения верхних по схеме (см. гл. 4) силовых модулей и ток
верхнего по схеме силового модуля, т. к. именно этот модуль наиболее
загружен по току.
240
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.7.1. Модель широтно-импульсного преобразователя
Рис. 6.7.2. Модель блока управления
Лабораторная работа Ns 7
241
Рис. 6.7.3. Окно настройки параметров блока Multimeter
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование регулировочных и энергетических характеристик мо-
стового широтно-импульсного преобразователя (ПТИП) с несимметрич-
ным законом управления при работе на активно-индуктивную нагрузку с
противо-э.дс. проводится на виртуальной установке (рис. 6.7.1).
Параметры источника питания, нагрузки я тиристорного моста за-
даются преподавателем. При самостоятельном изучении их целесооб-
разно задать такими же, как на рис. 6.6.2, 6.6.3, 6.6.6. Параметры
моделирования задаются на вкладке Simulation/parameters (рис. 6.6.8).
При снятая характеристик параметры R, L нагрузки остаются без изме-
нений, изменяется напряжение управления от -2В до 2В с шагом 0.5 В.
Характеристики снимаются для трех значений э.д.с. нагрузки 0,100, 200 В.
При этом моделирование проводится для каждого значения напря-
жения управления и э.д.с. Результаты моделирования и последующих
вычислений заносятся в табл. 6.7.1
9 За. 699
242
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Табл. 6.7.1
Исходные данные модели (G'(B),/0(Гц), Aj/Гн), Л«(Ом)).
Данные Измерения Вычисления
Ц. Е 1х L 7, RMS Апя у Р. Р, р»
град В А В А А А в А Вт Вт Вт
Средний ток в источнике питания определяется по показаниям
Display 1. На блоке Display (рис. 6.7.1) измеряемые величины представ-
лены в следующей последовательности: (1) Средний ток нагрузки.
(2) Среднее напряжение на нагрузке. (3) Средний ток в силовом полу-
проводниковом модуле. (4) Действующий ток в силовом полупроводни-
ковом модуле. Мгновенные значения тока питания, нагрузки н напряже-
ния на нагрузке можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 6.7.4).
Рис. 6.7.4. Осциллограммы тока литания, нагрузки и напряжения на нагрузке
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.7.5) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток силового полупровод-
никового модуля.
Лабораторная работа № 7
243
twSrt Зрй» ^^indw tteip ' <
лва * л //W"
«1: UruwsaKBidge 2 aims
Рис. 6.7.5. Напряжения и ток силового полупроводникового модуля
Относительная продолжительность импульса напряжения на нагруз-
ке определяется по формуле:
К = ~, где То — период напряжения ГПН, a tu определяется по
осциллограмме Load Voltage (рис. 6.7.4) на горизонтали, соответствую-
щей напряжению В.
Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выражению:
Pt = С’П -I, (Вт), где Un — напряжение питания.
Квазистатические потери в силовом полупроводниковом модуле
рассчитываются по уравнению:
Рг =V//r+/l0„Uj.(RMS)]i, где V/— параметры силового модуля (рис.
6.6.3);
244 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
ZT(RMS) — его средний и действующий ток (табл. 6.7.1).
Мощность в нагрузке определяется по выражению:
(Вт).
По результатам табл. 6.7.1 строятся:
• регулировочные характеристики ШИП UH = Ду);
• энергетические характеристики ШИП 1г.1т(ВМ5),1т,1Тяв,
Pl, Рт = ЛРн).
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Регулировочные характеристики при трех заданных э.д.с. нагрузки.
6.4. Энергетические характеристики при трех заданных эд.с. нагрузки.
6.5. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 8.
Исследование понижающего регулятора
постоянного напряжения
1. Цель работы
Исследования понижающего регулятора постоянного напряжения
при работе на активно-емкостную нагрузку.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 4.4, 4.5. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [13].
3. Содержание работы
Исследование регулировочной и энергетических характеристик по-
[гижающего регулятора постоянного напряжения при работе на активно-
емкостную нагрузку.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
В иртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рнс. 6.8.1.
Она содержит:
• источник постоянного напряжения (240 В);
• активно-емкостную нагрузку (R, С);
• последовательную накопительную индуктивность (дроссель)
(Series L);
• обратный диод (Diode);
• измерители мгновенных токов в источнике питания (II) и нагрузке
(I Load);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (V Load);
• блок для измерения среднего значения тока питания (Fourier II);
246
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
• блок для измерения среднего значения тока нагрузки (Fourier 10)
• блок для измерения среднего значения напряжения на нагрузке
(Fourier U0);
• блок для измерения действующего значения тока силового полу-
проводникового модуля (RMS Т);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока и
напряжения силового модуля (Scope 1);
• блок для измерения величины среднего значения тока в цепи пи-
тания (Display 1);
• блок для измерения величин средних значений тока и напряжения
на нагрузке, а также действующего тока в силовом полупровод-
никовом модуле (Display);
• блоки Мих и Demux для собирания и разделения сигналов;
• силовой транзисторный модуль на MOSFET-гранзисторе с обрат-
ным диодом (Mosfet);
• импульсный генератор (Pulse Generator) для управления модулем.
Рис. 6.8.1. Модель понижающего регулятора постоянного напряжения
Больяшнсдво лршгеяенщв блоков оп^ееды вдфедаыргщих работах.
Окнонастройгапчяметревсквомвту пояуяроводаикжого модуля
показано на ряс. ,&8Л. .
В полях настойки заданы:
• диндь^^^^4^р^5^де]^,цаду1фааодаюя?в^^фанзистора от-
кр»«й!%бЖ>ййй в (йюг (йж; ОЙй)^? ~ '
• индуктивность транзйспзрав опфьннмсоскмшни -в тетри (Lon, В);
• сопрсютмение о^жшого диода > открытом состоянии в омах
(R4X
• начальный ток в модуле,
• параметры демпфирующих детей (Snubber resistance, Snubber
capacitance).
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Параметры генератора задаются в окне параметров (рис. 6.8.3). В
исследуемой модели установлены следующие параметры генератора.
• период напряжения То ® 0,001 с. (частота fo = ] ООО Гц);
• амплитуда напряжения — 1 В;
IOuiputao^raeoM-*™pe«j(fcjrte*afn.:
;Pe<iod(»ec»):''
D^c^efXolpsiriod).
h“, .......... :
Arapftjde: '
....
Вшито ”
”р’.................'‘‘2-.......... '
' Р ^ntB<preivBett»peornetarSas Ю; .'.г
Рис. 6.8.3. Окно настройки параметров генератора
Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 6.8.4. Для
реализации активно-емкостной нагрузки в параллельной R, L, С-цепи в
первом и третьем полях (Resistance R, Ohms, Capacitanc С, F) устанав-
ливается значение активного сопротивления в омах и емкости в фара-
дах, во втором поле (Inductance L, Н) — бесконечность (inf).
В окнах настройки параметров блоков Fourier I], Fourier 10, Fourier
U1 (рис. 6.8.1) устанавливается частота равная частоте напряжения
генератора (1000 Гц) и иомер нулевой гармоники. Окно блока для из-
мерения действующего тока в полупроводниковом модуле показано на
рис. 6.8.5. В поле окна вводится частота, на которой производится
измерение (в данном случае — это частота генератора).
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование регулировочных, внешних и энергетических характе-
ристик понижающего регулятора постоянного напряжения при работе
на активно-емкостную нагрузку проводится на виртуальной установке
(рис. 6.8.1).
Лабораторная работа Ns 8
249
и
Лго"
. |"4 ' ~~~ :
^13ара<4й«вС^^:. ;.П5; u; •‘i <
„; |г.5^5 '
- Щ-^МвЙв^^пвг^^Нвйв”"~— i»fe
Рис. 6.8.4. Окно настройки параметров нагрузки
T>l»WocJ<nt»4nWi»»>ootn>»en wcae»i*lijecfins6wftrwoa»Dnf«e«.l
votegetigMJ сстпвсййи<*в₽«о<*вЬ1о«^ТЪвЙМЗ value is^- • j
cotaiajBdawaMineigwgitimroiosec^tieoffcespeaSedfcmtfamMtaJ >jL
irecprtxy . I
:РяЮапЧлйfiiTciuwky^iij:-
j
| Ok .,-j';-Canc»t | :; HH? .!| . ,g~jp;sV ]
Рис. 6.8.5.
Окно блока для измерения действующего тока
навяодашзпаннмнпш
j SoL^ Wo<ktpace Vb| ;K4i«cailj. . г-v
_ S«arttiree:| ОЗ '. г Sjpfcn-fo^ ~~\ '. Д
; «V-
vTypcparebie-siep \. |ode2tt> (sWm6DF2) 3
’;i»tatwp*fe«::ijeoB .::: RBtahwiDbnncs:fie-3 -
..WngaBstut' l08*3 >4*«aliJt»:W»anc«:[eijCi
. ijf^rl^^y^lauio
д|фи>^^№7.?:,'.у~":
:|Яв<пв ouput~ ^1 'FtefiBeledor..|l "
Рис. 6.8.6. Параметры моделирования
250
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Параметры силового полупроводникового модуля задаются препо-
давателем. При самостоятельном изучении их целесообразно задать
такими же, как на рис. 6.8.2. Величина последовательной индуктивно-
сти равна 0,5 Гн. Параметры моделирования задаются на вкладке
Simulation/parameters (ряс. 6.8.6).
При снятии характеристик параметры R, С нагрузки остаются без
изменений, изменяется длительность импульса генератора (поле Dute
cycle, рис. 6.8.3) от 0% до 100% с шагом 20%.
Прн этом моделирование проводится для каждого значения дли-
тельности импульса генератора (длительности включенного состояния
силового модуля). Результаты моделирования и последующих вычис-
лений заносятся в табл. 6.8.1.
Табл. 6.8.1
Исходные данные модели С/Л(В), ^(Гц), Сн(Ф), Rh(Om), L(Th)
Данные Измерения Вычисления
у 1„ 7, JTRMS F. Рт Г»
А в А А в А Вт Вт Вт
Средний ток в источнике питания определяется по показаниям
Display!. На блоке Display (рис. 6.8.1) измеряемые величины пред-
ставлены в следующей последовательности: (1) Средний ток нагруз-
ки. (2) Среднее напряжение на нагрузке. (3) Действующий ток в си-
ловом полупроводниковом модуле. Мгновенные значения тока пита-
ния, нагрузки и напряжения на нагрузке можно наблюдать на экране
осциллоскопа (рис. 6.8.7).
Мгновенные значения тока н напряжения силового модуля можно
наблюдать на экране осциллоскопа (Scope 1, рис. 6.8.8).
Относительная продолжительность импульса напряжения на нагрузке
определяется как длительность импульса генератора, поделенная на 100.
Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выраже-
нию:
Р) = Un • 1; (Вт), где и» — напряжение питания.
Квазнстатические потери в силовом полупроводниковом модуле
рассчитываются по уравнению:
Лабораторная работа № 8
251
Рг. = Ra„[lT (RMS)]', где /?с, — параметр силового модуля (рис. 6.8.2),
//RMS) — его действующий ток (табл. 6.8.1).
Мощность в нагрузке определяется по выражению:
Ph (Вт).
Рис. 6.8.8. Ток и напряжение силового модуля
252 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
По результатам табл. 6.8.1 строятся:
• регулировочные характеристики регулятора {JH = f (у);
• энергетические характеристики регулятора 1t(RMS),
~ Ц1н)» ?i, ? т
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Регулировочная характеристика.
6.4. Энергетические характеристики.
6.5. Выводы по работе.
Лабораторная работа № 9.
Исследование повышающего регулятора
постоянного напряжения
1. Цель работы
Исследование повышающего регулятора постоянного напряжения
при работе на активно-емкостную нагрузку.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 4.4, 4.5. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [13].
3. Содержание работы
Исследование регулировочной, внешней и энергетических характе-
ристик понижающего регулятора постоянного напряжения при работе
на активно-емкостную нагрузку.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.9 1.
Она содержит все те же блоки, что и лабораторная работа № 8.
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование регулировочных, внешних и энергетических характе-
ристик понижающего регулятора постоянного напряжения при работе
на активно-емкостную нагрузку проводится на виртуальной установке
(рис 6.9.1)
Параметры силового полупроводникового модуля задаются препо-
давателем. При самостоятельном изучении их целесообразно задать
такими же, как на рис. 6.8.2. Последовательный дроссель имеет пара-
254
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.9.1. Модель повышающего регулятора постоянного напряжения
метры £j = 0,02 Гн, Ri = 2 Ом, параметры нагрузки RH = 50 Ом,
Ln = 1000 мкФ. Параметры моделирования задаются на вкладке
Simulation/parameters (рис. 6.8.6).
При снятии характеристик параметры R, С нагрузки остаются без
изменении, изменяется длительность импульса генератора (поле Dute
cycle, рис. 6.8.3) от 0% до 100% с шагом 20%.
При этом моделирование проводится для каждого значения дли-
тельности импульса генератора (длительности включенного состояния
силового модуля). Результаты моделирования и последующих вычис-
лений заносятся в табл. 6.9.1.
Табл. 6.9.]
Исходные данные модели UD(B), Г, (Гц). СН(Ф), R^Om), Г;(Гн), Rj(Om)
Данные Измерения Вычисления
у ч, .LRMS ч_ Р, Р, Л.
А в А А в А Вт Вт Вт
Лабораторная работа Ns S
255
Средний ток в источнике питания определяется по показаниям
Display!. На блоке Display измеряемые величины представлены в сле-
дующей последовательности (рис. 6.9.1): (1) Средний ток нагрузки. (2)
Среднее напряжение на нагрузке. (3) Действующий ток в силовом по-
лупроводниковом модуле. Мгновенные значения тока питания, нагрузки
и напряжения на нагрузке можно наблюдать на экране осциллоскопа
(рис. 6.9.2).
Ямс. 6,9.2. Ток питания, нагрузки и напряжение на нагрузке регулятора
Мгновенные значения тока и напряжения силового модуля можно
наблюдать на экране осциллоскопа Scope 1.
Относительная продолжительность импульса напряжения на нагрузке
определяется как длительность импульса генератора, поделенная на 100.
Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выражению:
Р, = ип (Вт), где Un — напряжение питания.
Квазистатические потери в силовом полупроводниковом модуле
рассчитываются по уравнению:
Рт - , где Rtn — параметр силового модуля (рис. 6.8.2),
ZT(RMS) — его действующий ток (табл. 6.8.1).
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Мощность в нагрузке определяется по выражению:
(Вт).
По результатам табл. 6.9.1 строятся:
регулировочные характеристики регулятора UH = f (у);
энергетические характеристики регулятора MRMS), 1Ттм 1Т =
Л, Рт = /(Рн).
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Регулировочная характеристика.
6.4. Внешняя характеристика.
6.5. Энергетические характеристики.
6.6. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 10.
Исследование однофезного (мостового)
инвертора с симметричным управлением
1. Цель работы
Исследование однофазного (.мостового) инвертора с симметричным
управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при
работе на активно-индуктивную нагрузку.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения раздела книги 5.2. В качестве дополнительной литературы реко-
мендуется воспользоваться [1, 2].
3. Содержание работы
3.1. Исследование внешних и энергетических характеристик одно-
фазного (мостового) инвертора с симметричным управлением, с сину-
соидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-
ивдуктнвпую нагрузку.
3.2. Исследование регулировочных характеристик однофазного (мо-
стового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной
широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индук! явную
нагрузку.
3.3. Исследование гармонического состава напряжения и тока на-
грузки однофазного (мостового) инвертора с симметричным управле-
нием, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на
активно-индуктивную нагрузку.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.10.1.
Она содержит:
258
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.10.1. Модель однофазного инвертора с симметричным управлением
• источник постоянного напряжения (240 В);
• активно-индуктивную нагрузку (R, L);
• измерители мгновенных токов в источнике питания (II) и нагрузке
(Load Current);
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (Load Voltage);
• блок для измерения гармонических составляющих тока питания
(Fourier II);
• блок для измерения гармонических составляющих тока силового
модуля (Fourier IT);
• блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки
(Fourier I) и аналогичный блок для измерения гармонических со-
ставляющих напряжения на нагрузке (Fourier U);
• блок для измерения действующего тока силового модуля
(IT(RMS));
• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в
цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);
• Multimeter блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений
величин, которые выбраны в поле Measurement соответствующих
блоков;
Лабораторная работа Ns 10
• блок для измерения среднего значения тока в цепи питания
(Display!);
• блок для измерения амплитудных значений первой гармоники тока
и напряжения на нагрузке, а также их фаз (Display);
• блок для измерения среднего и действующего значения тока в
силовом модуле (Display2);
• однофазный мостовой транзисторный инвертор (Universal Bridge 2
arms);
• блоки То Workspace, То Workspace!, предназначенные для передачи
исследуемых сигналов в рабочее пространство MatLab с последу-
ющей обработкой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для
исследования гармонического спектра напряжения и тока нагрузки;
• блок управления (Control system);
• блок задания модулирующего напряжения (Sine Wave).
Окно настройки параметров однофазного мостового транзисторного
инвертора показано на рис. 6.10.2. Этот блок уже рассматривался ра-
нее (лаб. раб. № 6).
га
,7>nsbtock 143 lemertatridqe «/selected poeereiearanic» dev sas.Se»»
fftCsnifcbe<CTCsS»ascDrineaBdnperaBef«i»»ieecli6vethdev«e.Fof
mosteppilcBbra*®rntemal iMSac»n»|hauiabessttoJSra.r-.
Number of bridge enr |2
Рсиеог^дыввса- |ASCasM?iuiarmneis^
Sme>trarmi«arx»a»(Otirns; :
-(•мню
Snubber eapadtancs Ci (*) : 1
РачиBecScrscdeuie [lGBT/D<otles
Ron (Ohm}
3/. I
H
[OevncaW»0.iSode
1TTW
^Measurement |aji volteges ег>а аэтепв
Рис. 6.10.2. Окно настройки однофазного мостового транзисторного инвертора
260
Силовая электроника. Лабораторные работы иа ПК
Модель блока управления показана на рис. 6.10.3. Блок аналогичен,
рассмотренное в лаб. раб. № 6. Он содержит генератор пилообразно-
го напряжения (ГПН) несущей частоты (блок Repeating Sequence), две
схемы сравнения и два распределителя импульсов, собиратель Мих
объединяет четыре сигнала в один векторный. На вход Ini подается
синусоидальное модулирующее напряжение (рис. 6.10.1).
Рис. 6.10.3. Модель блока управления
Окно настройки параметров блока Repeating Sequence показано на
рис. 6.10.4. Откуда видно, что несущая частота равна 500 Гц, а амп-
литуда сигнала ГПН равна 2 В.
[Block Parameters' Repeating Sequence! _____________в
- Repealing table (mask) (link) ——
J Output arepehting sequence of numbers specified in a tabled time-value
t pairs. Values of time should be monotonically increasing. ч V- к
i-Parameters / f'/<''ir---ki.-'-:
Time values: . .: ’
[[-0 0”ОГ001~0’00”1 0.002]
Outputvalues:
. •|[.222.2]|
| OK /X | Cancel :| XJjelp | f X
Рис. 6.10.4. Окно настройки параметров блока Repeating Sequence
Лабораторная работа № 10
261
Окно настройки блока Sine Wive показано на рис. 6.10.5. В полях
окна задаются амплитуда, частота и начальная фаза модулирующего
напряжения
Из рис. 6.10.5 следует, что частота модулирующего напря-луния
равна 25 Гц. На эту частоту; как на основную гармонику измерения,
должны быть настроены параметры измерительных блоков Fourier II.
Fourier 1, Fourier V, Fourier IT, IT(RMS).
Рис. 6.10.5. Окно настройки блока Sine Wive
Окно настройки парамегрок блока То Workspace, То Workspace!
показано на рис 6.10.6
В первое поле окна настройки введено название переменной, под
которой измеренный вектор будет фигурировать в рабочем простран-
стве. Во втором поле определена длина вектора (количество записан-
ных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть
связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и с вре-
менем поля Sample time. Частота исследуемого (модулирующего) сиг-
налу в рассматриваемом случае равна 25 Гц (период 0,04 с). При вре-
мени считывания сигнала 1е-4 на периоде считывается 400 точек. Из
этого следует, что в рабочую область при длине вектора 800 будут
записаны два последних периода исследуемого сигнала. Следует на-
262
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
| Block Parameters То Workspace В|
i Wrifeinpirt to specified array or structurein WATi>B's man workspace^Deia
jisnotsvailabteuntilthesimutocriisstappddorpausedi
“^Petramet^' t -'r. ' t---
Va^abl&nejne* L 4 , _ ,
p./|LebJ0 ‘ "y " 1 "<:
' L»iwldttta^>Ointstoiast- t -t /
:|000 , -.
Ь =ОеезгласЬогк’ - ' ?;Л--
Sample time:
; ~'.J.,,,,., . ,Л
Save format i [Arrey * ' ......... ▼ j :;i
OK |:i: •. Caitoei | , •, Help
Рис. 6.10.6. Окно настройки параметров блока То Workspace
помнить, что время в поле Sample Time должно быть согласовано с
шагом моделирования в окне параметров моделирования (рис. 6.10.7).
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование однофазного (мостового) инвертора с симметричным
управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при
работе на активно-индуктивную нагрузку п. 3.1 содержания работы
проводится на виртуальной установке (рис. 6.ЮЛ), подробное описание
которой приведено выше.
Параметры источника питания, однофазного мостового транзистор-
ного инвертора, его блока управления и амплитуда модулирующего
напряжения задаются преподавателем. При самостоятельном изуче-
нии их целесообразно задать такими же, как на рис. 6.10.1, б.10.2,
6.10.4, 6.10.5. Параметры моделирования задаются такими, как иа
вкладке Simulation/parameters (рис. 6.10.7).
При снятии внешних характеристик изменяются параметры RH, Ен
нагрузки. Сопротивление R« изменяется в пределах от 10 до 100 Ом.
Лабораторная работа Ns 10
263
VftxkspQcebo| йедювбсг| А*яесв^ 1
SiKuitatov8m& ( " । ‘
SSttSfntfpJO "~~ йрр йое.|02 1;
gttfrtroqBwig 1 ~ ' <
-иТиж|УаиаЫе-5(ер ?|< g'-ljotie^tPannarx^Princa) •»!”
MexsIBp в tr ll<H
... —
I euW
“ J ‘ --
i :lndsef 8®₽''scbrj auto
„Output options
jRefnecutput
Рис. 6.10.7. Окно настройки параметров моделирования
При этом для каждого значения Rh рассчитывается величина LH так,
чтобы постоянная времен нагрузки оставалась неизменной, равной
Тн = — = 0,01с. Моделирование проводится для каждого значения со-
противления нагрузки. Результаты моделирования заносятся в табл. 6.10.1.
Табл. 6.10.1
Данные Измерения Вычисления
К. L» 1. /TRMS Фи Р( Г,
Ом Гн А в А град А А град ВА Вт Вт Вт
Амплитуды первых гармоник тока и напряжения на нагрузке и их
начальные фазы определяются по показаниям Display, средний ток в
источнике питания определяется по показаниям Display]. Мгновенные
значения этих величии можно наблюдать на эаране осциллоскопа (рнс.
6.10.8). Средний и действующий ток в силовом полупроводниковом
модуле определяются по показаниям Display2.
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.10.9) наблюдаются
максимальные напряжение и ток силового модуля.
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.10.8. Ток питания, ток нагрузки и напряжение на нагрузке однофазного
инвертора
fie Ed* У'е* Insert: Jools ; Igndow Це/р
.016 . 0Л7 0.18 > 02;
Рис. 6.10.9. Напряжение и ток силового модуля
Лабораторная работа Ns 10
265
Сдвиг по фазе между первой гармоникой тока и напряжения на
нагрузке рассчитывается по формуле: -ц>(. -р,.
Полная и активная мощность по первой гармонике в нагрузке оп-
ределяется по выражениям:
S,,(l) = bSW«® (ВА)Р,(1) = ^^»^|^=^^ (Вт).
Мощность, потребляемая от источника питания, определяется по
выражению:
(8т).
Потерн в силовом полупроводниковом модуле определяются по
формуле:
cosp + 1
параметры силового модуля (рис.6.10.2), a It, IT(RMS) — его средний
и действующий ток (табл. 6.10.1).
Коэффициент модуляции напряжения на нагрузке определяется по
формуле: и1 = [/±!:!!“> где Ь’ыщ, — амплитуда модулирующего синусои-
дального напряжения, Unw — амплитуда напряжения ГПН.
По результатам табл. 6.12.1 строятся:
•внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора UH *Д1Н);
•энергетические характеристики Г, IT, I^RMS) = /Пн);
•энергетические характеристики инвертора Si(l), РД1), Рт = ЛР.ч)
Исследование регулировочной характеристики инвертора по п. 3.2 со-
держания лабораторной работы осуществляется на модели (рис. 6.10.1)
при одном значении сопротивления нагрузки (задается преподавателем) и
изменении амплитуды модулирующего напряжения от 0 до 2 В. с шагом
0.5 В. Моделирование осуществляется при каждом значении модулирую-
щего напряжения, при этом заполняется табл. 6 10.2.
Табл. 6.10.2
Измерения
"..Л Ч,®
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
По данным таблицы строится регулировочная характеристика
Исследование спектрального состава напряжения и тока нагрузки
инвертора осуществляется при одном значении модулирующего напря-
жения (задается преподавателем) в пакете расширения Signal
Processing Toolbox. Подробное описание интерактивных средств этого
пакета расширения было дано в гл. 1, гл. 3. Используя средства про-
смотра сигнала, записанного в рабочую область под именем Lab_10,
можно просмотреть ток в нагрузке (рис. 6.10.10).
Рис. 6.10.10. Ток нагрузки
Спектральный состав напряжения на нагрузке показан на
рис. 6.10.11.
Спектральный состав тока нагрузки показан на рис. 6.10.12.
Для определения абсолютных значений гармонических составляю-
щих в вольтах и амперах следует воспользоваться формулами:
>1 .'(
где U/Xl),^, //Х1)«в — амплитуды первых гармоник напряжения и
тока нагрузки в вольтах и амперах, считанные с дисплея, yb уи —
значения, определенные из рис. 6.10.11, 6.10.12.
По результатам измерений и расчетов заполняется табл. 6.10.3.
Лабораторная работа Ns 10
267
Рис. 6.10.12. Спектральный состав тока нагрузки
Табл. 6.10.3
Измерения Вычисления
У1-У\> V, ... ОД_-«Ч» (Л)
268 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика инвертора.
6.4. Энергетические характеристики инвертора.
6.5. Регулировочная характеристика инвертора.
6.6. Спектральный состав напряжения и тока нагрузки.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа № 11.
Исследование однофазного (мостового)
инвертора с несимметричным управлением
1. Цель работы
Исследование однофазного (мостового) инвертора с несимметрич-
ным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией
при работе на активно-индуктивную нагрузку.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения раздела книги 5.2. В качестве дополнительной литературы реко-
мендуется воспользоваться [1, 3, 15].
3, Содержание работы
3.1. Исследование внешних и энергетических характеристик одно-
фазного (мостового) инвертора с несимметричным управлением,
с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на
активно-индуктивную нагрузку.
3.2. Исследование регулировочных характеристик однофазного (мо-
стового) инвертора с несимметричным управлением, с синусои-
дальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-
индуктивную нагрузку.
3.3. Исследование гармонического состава надряжения и тока в
нагрузке однофазного (мостового) инвертора с несимметричным
управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией
при работе на активно-индуктивную нагрузку.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.11.1.
270
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Она полностью повторяет ту, которая описана в лабораторной рабо-
те № 10. Отличие состоит лишь в блоке управления инвертором (блок
Control System, рис. 6.11.2). Этот блок аналогичен блоку управления
ШИП с несимметричным законом управления (лаб. раб. № 7), в отли-
чие от которого в модели (рис. 6.11.2) на вход подается модулирующий
сигнал синусоидальной формы. Параметры всех остальных блоков,
входящих в модель (рис. 6.11.1), такие же, как в лаб. раб. № 10.
Рис. 6.11.1. Модель однофазного инвертора с несимметричным управлением
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование однофазного (мостового) инвертора с несимметрич-
ным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией
при работе на активно-индуктивную нагрузку п. 3.1 содержания работы
проводится на виртуальной установке (рис. 6.11.1), подробное описание
которой приведено в лаб. раб. № 10.
Параметры источника питания, однофазного мостового транзистор-
ного инвертора, его блока управления и амплитуда модулирующего
Лабораторная работа Ns 11
271
ft AIN_Mobt_Nesym/Control Syslem
file Edil> Smulotiori- Pormaj Tools Help
j ► jNormal
Ready
|ode45
Рис. 6.U.S. Модель схемы управления инвертором
напряжения задаются преподавателем. При самостоятельном изуче-
нии их целесообразно задать такими же, как на рис. 6.10.1, 6.10.2,
6.10.4, 6.10.5. Параметры моделирования задаются такими, как на
вкладке Simulation/parameters (рис. 6.10.7).
При снятии внешних характеристик изменяются параметры Rh, Lh
нагрузки. Сопротивление RH изменяется в пределах от 10 до 100 Ом.
При этом для каждого значения RH рассчитывается величина LH так,
чтобы постоянная времен нагрузки оставалась неизменной, рав-
ной Ти =-^- = 0.01с. Моделирование проводится для каждого значения
Ru
сопротивления нагрузки. Результаты моделирования заносятся в
табл. 6.11.1.
Тебя. 6.11.1
Исходные данные модели (С/,(В), /«и(Гц)).
Данные Измерения Вычисления
я» А, I, yiu <₽,ф: L ARMS Фн S»(D р, ЛЛР Рт
Ом Гн А в А град А А град ВА Вт Вт Вт
Лаба
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Амплитуды первых гармоник тока и напряжения на нагрузке и их
начальные фазы определяются по показаниям Display, средний ток в
источнике питания определяется по показаниям Display!. Мгновенные
значения этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа
(рис. 6.11.3).
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.11.4) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток силового модуля.
Сдвиг по фазе между первой гармоникой тока и напряжения на 1
нагрузке рассчитывается по формуле:
<Ph=<Pv-<P.
Полная и активная мощность по первой гармонике в нагрузке оп-
ределяется по выражениям:
^„11>tl|°"/*<11- (вл) (Вт)
Мощность, потребляемая от источника питания, определяется по
выражению:
Рис. 6.11.3. Ток питания, ток нагрузки и напряжение нагрузки инвертора
(^Лабораторная работа №11
Рис. 6.11.4. Напряжение и ток силового модуля
P^UJ, (Вт).
Потери в силовом полупроводниковом модуле определяются по
формуле: рт =[тУ/ +(1-мЖй +Я0я[/7’(ДЛ/5)]'1 где v!iv^juOa —
параметры силового модуля (рис.6.10.2), а 7Т, Zy(RMS) — его средний
и действующий ток (табл. 6.11.1).
Коэффициент модуляции напряжения на нагрузке определяется по
_ и,*
формуле: m ~ ,, , где — амплитуда модулирующего синусои-
U ГПН
дальнего напряжения, Супн — амплитуда напряжения ГПН.
По результатам табл. 6.10.1 строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора UH = f(ln)\
• энергетические характеристики Zb ZT, Z^RMS) = Д1н);
• энергетические характеристики инвертора S/(l), Р?(1), Ру = fiP^).
10 Зак 699
274
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Исследование регулировочной характеристики инвертора по п. 3.2
содержания лабораторной работы осуществляется на модели (рис.
6.11.1) при одном значении сопротивления нагрузки (задается препода-
вателем) и изменении амплитуды модулирующего напряжения от 0 до
2 В с шагом 0,5 В. Моделирование осуществляется при каждом зна-
чении модулирующего напряжения, при этом заполняется табл. 6.11.2.
Тебя. 6.11.2
Измерения
V„(B) Ц, М
По данным таблицы строится регулировочная характеристика
ин =
Исследование спектрального состава тока нагрузки инвертора осу-
ществляется при одном значении модулирующего напряжения (задает-
ся преподавателем) в пакете расширения Signal Processing Toolbox
Используя средства просмотра сигнала, записанного в рабочую
область под именем Lab_ll, можно просмотреть ток в нагрузке
(рис. 6.11.5).
В данном случае записано два последних периода исследуемого
сигнала. Спектральный состав напряжения на нагрузке показан на
рис. 6.11.6.
Спектральный состав тока нагрузки показан на рис. 6.10.12.
Для определения абсолютных значений гармонических составляю-
щих в вольтах и амперах следует воспользоваться формулами:
и„ (ч>.. (В)=(1)_„, /,,(«)„ (Л)=(1)_ .
?! ?!
где — амплитуды гармоник напряжения и тока на-
грузки в вольтах и амперах, у-, уи — значения, определенные из рис.
6.11.6, 6.11.7; Л (1)п« — напряжение и ток первых гармоник,
считанные с дисплея.
По результатам измерений и расчетов заполняется табл. 6.11.3.
Лабораторная работа Ns 11
275
Рис. 6.11.5. Ток нагрузки инвертора с несимметричным управлением
Табл. 6.11.3
Измерения Вычисления
У,- - У. Уг •••>'«
С 100 2&0 -.'300 :'400- 50J • . : 600
" ". Frecuwcy :
1x1.25 ~ yt:5P23 . xZ300 y2:21-W «475 . ! dy-29.1S |
_______Mgi-yvafae^ - ; Щ ... 'У
Рис. 6.11.6. Спектральный состав напряжения на нагрузке АНН
с несимметричным управлением
276
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.11.7. Спектральный состав тока нагрузки АИН
с несимметричным управлением
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6,2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика инвертора.
6.4. Энергетические характеристики инвертора.
6.5. Регулировочная характеристика инвертора.
6.6. Спектральный состав напряжения и тока нагрузки.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 12.
Исследование трехфазного (мостового)
инвертора с симметричным управлением
1. Цель работы
Исследование трехфазного (мостового) инвертора с симметричным
управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при
работе на активно-нндукпшвую нагрузку.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения разделов книги 5.3, 5.4. В качестве дополнительной литературы
рекомендуется воспользоваться [1, 3, 14, 17].
3. Содержание работы
3.1. Исследование внешних и энергетических характеристик трех-
фазного (мостового) инвертора е симметричным управлением, с сину-
соидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-
индуктивную нагрузку.
3.2. Исследование регулировочных характеристик трехфазного (мо-
стового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной
широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную
нагрузку.
3.3. Исследование гармонического состава напряжения и тока на
нагрузке трехфазного (мостового) инвертора с симметричным управле-
нием, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на
активно-индуктивную нагрузку.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.12.1.
278
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Она отличается от предыдущей лаб. раб. № 10 силовым блоком,
блоком управления и нагрузки.
Окно настройки параметров трехфазного мостового транзисторного
инвертора показано на рис. 6.12.2. Этот блок уже рассматривался ранее
(лаб. раб. № 6). Здесь, в отличие от рассмотренного в первом поле,
стоит цифра 3, свидетельствующая о том, что инвертор имеет три плеча.
Модель блока управления показана на рис. 3.12.3. Это библиотеч-
ный блок из библиотеки Powerlib/Extras/Control Blocks (рис. 1.24, гл. I).
В первом поле окна настройки параметров устанавливается тип сило-
вого блока, подлежащего управлению. Во втором поле — несущая ча-
стота, в третьем поле — коэффициент модуляции, в четвертом поле-
частота модулирующего напряжения и в последнем поле — начальная
фаза модулирующего напряжения.
Из рис. 6.12.3 следует, что модулирующее напряжение равно 25 Гц.
На эту частоту, как на основную гармонику измерения, должны быть
настроены параметры измерительных блоков Fourier II, Fourier 1,
Fourier U, Fourier IT, IT (RMS).
Все остальные блоки и их параметры повторяют аналогичные лабо-
раторной работы №10.
Рис. 6.12.1. Модель трехфазного инвертора
противления нагрузи». Результаты модеййреЬання заносятся а
табл. 6.12.1. г‘
280 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Табл. 6.12.1
Исходные данные модели (J7|(B), /„д(Гц)).
Данные Измерения Вычисления
1, ЧД)_ •Mi 1. /.RMS S,<1) р, Рт
Ом Гн А в А град А А град ВА Вт Вт Вт
Амплитуды первых гармоник тока и напряжения на нагрузке н их
начальные фазы определяются по показаниям Display, средний ток в
источнике питания определяется по показаниям Display 1. Мгновенные
значения этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа
(рис. 6.12.4). Средний и действующий ток в силовом полупроводнико-
вом модуле определяются по показаниям Display2.
В графическом окне блока Multimeter (рнс. 6.12.5) наблюдаются и
определяются максимальные напряжение и ток силового модуля.
Лабораторная работа № 12
281
Рис. 6.12.5. Напряжение и ток силового модуля
Сдвиг по фазе между первой гармоникой тока и напряжения на
нагрузке рассчитывается по формуле:
Ф.ч = Ф<- -Ф. •
Полная и активная мощность по первой гармонике в нагрузке опре-
деляется по выражениям:
S,(l)^,(1)“'1'-1 (ВА) РИ1)="1>~~'''2<1)~‘;°5<’'' (Вт).
Мощность, потребляемая от источника питания, определяется по
выражению:
/> = {/,/, (Вт).
Потери в силовом полупроводниковом модуле определяются по
формуле:
Рт , гае Wa-
метры силового модуля (рис.6.12.2), а 1т, Z^RMS) — его средний и
действующий ток (табл. 6.12.1).
282
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Коэффициент модуляции напряжения на нагрузке задается в окне
настройки блока управления (рис. 6.12.3).
По результатам табл. 6.12.1 строятся:
• внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора VH = ff/ц);
• энергетические характеристики Д, /т, /T(R_MS);
• энергетические характеристики инвертора Sj(l), P|(l), Pj - fi.Pii)-
Исследование регулировочной характеристики инвертора по п. 3.2
содержания лабораторной работы осуществляется на модели
(рис. 6.12.1) при одном значении сопротивления нагрузки (задается
преподавателем) и изменении коэффициента модуляции от 0 до 1 V
с шагом 0,2. Моделирование осуществляется при каждом значении ко-
эффициента модуляции, при этом заполняется табл. 6.12.2.
Табл. 6.10.2
Измерения
m и» СВ)
По данным таблицы строится регулировочная характеристика
Uh =
Исследование спектрального состава напряжения и тока нагрузки
инвертора осуществляется при двух значениях коэффициента модуля-
ции т<1, т>1 (задаются преподавателем) в пакете расширения Signal
Processing Toolbox.
Спектральный состав напряжения и тока нагрузки при пт=0.6 пока-
зав на рис. 6.12.6, 6.12.7. Спектральный состав напряжения нагрузки
при т-2 показан на рис. 6.12.8.
Для определения абсолютных значении гармонических составляю-
щих в вольтах и амперах следует воспользоваться формулами:
и» W™. (»)=—ВД., I, И™ (Л) - —И_,
У1 >1
где (4(1)^, /«(1)™», амплитуды первых гармоник напряжения и тока
нагрузки в вольтах и амперах, считанные с дисплея, рь уь — значения,
определенные из рис. 6.10.11, 6.10.12.
По результатам измерений и расчетов заполняется табл. 6.10.3.
Лабораторная работа № 12
283
Рис. 6.12.6. Спектральный состав напряжения на нагрузке
инвертора при т=0,6
I Pont | Close |
| PSD
I 0.05------*--------,-• —.................. -------r
! |------spectll: ёГТ: N£ft - 13000 j|
OOa- '’I -
0 03 - j । f
0 02 • I
0 01 I I
do 50 too 150 200 2S0
______________Frequency
1x125 /1005598x2 3333 y2 3 815&4Ж 3308 dy-OGS998 |
, MakerVsIues
Рис. 6,12.7. Спектральный состав тока нагрузки инвертора при т=О,6
Табл. 6.12.3
Измерения Вычисления
у, • • • .4 'ЛИ З'г-Л ед_, от
284
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.12.8. Спектральный состав напряжения на нагрузке инвертора при т-2
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Нагрузочная характеристика инвертора.
6.4. Энергетические характеристики инвертора.
6.5. Регулировочная характеристика инвертора.
6.6- Спектральный состав напряжения и тока нагрузки.
6.7. Выводы по работе.
Лабораторная работа Ns 13.
Исследование трехфазного (мостоаого)
инверторного выпрямителя
1. Цель работы
Исследование трехфазного {мостового) инвертора с синусоидальной
широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-емкостную
нагрузку в режиме выпрямления.
2. Указания к выполнению работы
К выполнению лабораторной работы следует приступить после изу-
чения раздела книги 5.7. В качестве дополнительной литературы реко-
мендуется воспользоваться [2].
3. Содержание работы
3.1. Исследование энергетических характеристик трехфазного
(мостового) инвертора с синусоидальной широтно-импульсной моду-
ляцией при работе на активно-емкостную нагрузку в режиме вып-
рямления.
3.2. Исследование изменения характера нагрузки для источника пе-
ременного тока.
4. Описание виртуальной лабораторной установки
Виртуальная лабораторная установка для исследований по п. 3.1
показана на рис. 6.13.1.
Все блоки, входящие в модель, описаны ранее.
Окно настройки параметров блока управления показано на
рис. 6.13.2.
Из рис. 6.13.2 следует, что модулирующее напряжение равно 50 Гц,
а начальная фаза этого напряжения равна -30°.
286
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.13.1. Модель трехфаэного инвертора в режиме выпрямления
Окно настройки параметров трехфазного сточника питания показано
на рис. 6.13.3.
На два поля следует обратить особое внимание. В поле Phase angle
of phase А задается фаза, относительно которой задается фаза моду-
лирующего напряжения (рис. 6.13.2) и производится отсчет фазы тока
на зажимах А, В, С переменного тока инвертора. В поле Frequence of
output voltage задается частота источника, с которой должна совпадать
частота модуляции.
5. Порядок проведения лабораторной работы
5.1. Исследование трехфазяого (мостового) инвертора с синусои-
дальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-емко-
стную нагрузку в режиме выпрямителя по п. 3.1 содержания работы
проводится на виртуальной установке (рис. 6.13.1).
Параметры всех блоков и нагрузки задаются преподавателем. При
самостоятельном изучении их целесообразно задать такими же, как на
рис. 6.13.2, 6.13.3.
Лабораторная работа № 13
287
-fWM Generator (mask) —
i TTes tockgaratetes pulses lorcarieHsesed PWM (Pulse Wdlh Modulafawl
set^carnmi/aiBd IGBTs.GTOs or FETs bridges.
Pm. 6.13.2. Окно настройки блока управления
При снятии внешних характеристик изменяются параметры RH, Сн
нагрузки. Сопротивление Rh изменяется в пределах от 10 до 100 Ом. При
этом для каждого значения RH рассчитывается величина Сн так, чтобы
постоянная времен нагрузки оставалась неизменной, равной Тн = Rh.
Сн = 0,01 с. Моделирование проводится для каждого значения сопротив-
ления нагрузки и трех значений фазы модулирующего напряжения -10,
-30, -50 град. Результаты моделирования заносятся в табл. 6.13.1.
Табл. 6.13.1
Данные Измерения Вычисления
С„ Ф Ф: ДО) 1/(0) Т н Я1) Р. р»(°)
Ом Гн град А в град А В с ВА Вт Вт
288
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
f-J-phaseindutfve-^H^ce-Ungraunfjedneuftar&nask^pinl^——।
This-btockiiT$lBmentse foree-phase source u> sen ее'w№ a sene RLtatncte-- f.
fte-correnan node (neutraJ)a!thetaee-scurce3№acce$ibtevie'nputDne'(N) ч;
Dlthe block ~ «1
t- Param stars->——-—-—------------------— ------- • ...।
Ptiese-tr^graundpeakvcftage I
I I™ ' I
I Phase engie cJphaseA(Degrees)
p
Frequency (Hz) r
; H [SO ' : 4,;V-
Sourca resistance (Ohms)
jo 724
• Sourceinductanca-fH)’ j
I : .|l9.?e-3 a'?«4
| OK- - J- Cancel | Help | i
Pwc. 6.13.3. Окно настройки параметров трехфазного источника питания
Рис. 6.13.4. Ток в цепи постоянного тока, напряжение и ток в цепи переменно-
го тока инвертора
Лабораторная работа № 13
289
Амплитуды первых гармоник тока и напряжения на зажимах А, В,
С переменного тока инвертора, а также фаза тока относительно напря-
жения источника определяются по показаниям Display, средний ток в
нагрузке и среднее напряжение на нагрузке определяются по показани-
ям Display I. Мгновенные значения тока в нагрузке, напряжение и ток
инвертора можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 6.13.4).
Рис. 6.13.5. Напряжение и ток силового модуля
В графическом окне блока Multimeter (рис. 6.13.5) наблюдаются
максимальные напряжение и ток силового модуля.
Полная и активная мощность по первой гармонике в звене перемен-
ного тока инвертора определяются по выражениям:
s.w(ba) z;ii; -3|;' (дд
где Ux.tbu — амплитуда напряжения источника питания.
Мощность в нагрузке (в звене постоянного тока инвертора) опреде-
ляется по выражению:
Р(0) = У(0)/(0)(Вт).
290
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
По результатам табл. 6.13.1 строятся энергетические характеристи-
ки инвертора S/1), РД1) = f(Pn).
5.2. Исследование характера нагрузки, какую представляет инвер-
тор, работажщий в режиме выпрямления для источника переменного
тока по п. 3.2, проводится на виртуальной установке (рис. 3.13.1). При
этом параметры нагрузки и .фаза модулирующего напряжения остают-
ся постоянными (задаются преподавателем). Изменяется коэффициент
модуляции от 0,2 до 1,0 с шагом 0,2. Для каждого значения коэффици-
ента модуляции осуществляется моделирование. Результаты модели-
рования заносятся в табл. 6.13.2. По данным таблицы для каждого
значения m строится векторная диаграмма и определяется фаза реак-
тивной составляющей тока относительно напряжения источника пере-
менного тока.
Табл. 6.13.2
Данные Измерение
m А(1>„ V(iei Ф, ДО) Lr(0)
А В град А В
6. Содержание отчета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Выражения для расчета основных характеристик.
6.3. Энергетические характеристики инвертора.
6.4. Векторные диаграммы.
6.5. Выводы по работе.
К кшмаепао посте тезу*
чеши редев шм 56 * (<*'»-
яшяи одаовдатеврч1 -грсихнитектео итачпор»^' едщедчнпш уя-
риутештем, с/^иидщь^шййяяоте^ па.
. учйте-
piptfa№is
по п 31
Опа «дартер
.•(вчувпиида mqn
* Я№фПР*ИЯ№Ма№)1
• апййвмм*
точкой,
. .«
^лтевпиовй^таи^аф^^^^
• йычягпш'здиашного той^йафМв ^toa^pr
292
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.14.1. Модель однофазного трехуровневого инвертора
• измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (U Load),
• блок для измерения коэффициента гармоник тока нагрузки
(THD I) и аналогичный блок для измерения коэффициента гармо-
ник напряжения на нагрузке (THD Ц);
* блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока на-
грузки и напряжения на нагрузке (Scope);
* блок для измерения значений коэффициентов гармоник тока и на-
пряжения нагрузки (Display);
• блок управления инвертором (Control System);
• блок задания входного (модулирующего) напряжения (Sine Wave).
В отличие от предыдущих работ здесь новыми являются блок уп-
равления и блоки, измеряющие коэффициент гармоник.
Модель блока управления показана на рис. 6.14.2.
Этот блок описан ранее (гл. 5). Частота ГПН здесь равна 500 Гц.
амплитуда ГПН равна 2 В.
Лабораторная работа Ns 14
293
Блок для измерения коэффициента гармоник является библиотеч-
ным блоком из библиотеки Powerlib/Extras/Measurement, окно настрой-
ки его параметров показано на рис. 6.14.3.
В поле настройки вводится частота, на которой производится изме-
рение. В данном случае она равна частоте модулирующего напряжения
на входе блока управления (блок Sine Wave).
Рис. 6,14.2. Модель блока управления
-ТУ© (тавЭД (Ыф——— --------------------• —*—--
ThiablockiTiaas«esib®:tDt^haimQnKdisitrttw (THD) оГв periods
irsttmiweouBv^georcunwrtconrieclBdtoJheiqjuti.iv^ss-r:;.?!;''
TheTF© ч defined as
тно»<жл . *
wtiera.
(Jh*tms value oitfieha/manics
Г U1« rme valueelfteiendementafcon^aneat - •
r-Pawnetefs—-----— ———......... —
। Fundamental ffequency(Hz).
L.r."................ .'LT
| OK ~^| Sanest | help -[ 7A0py |
Рис. 6.14.3. Окно настройки измерителя коэффициента гармоник
294
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
5. Порядок проведения лабораторной работы
Исследование одноплечсвого трехуровневого инвертора с сим-
метричным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной
модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку по п. 3.1
содержания работы проводится на виртуальной установке (рис.
6.I4.I).
Параметры источника питания, силовых модулей инвертора и его
блока управления задаются преподавателем. Параметры моделирова-
ния показаны на рис. 6.14.4.
Simulation Parameters AIN_1pl_3
Soh/er J Workspace 1/6 J Diagnostics| Advanced |
Simulation time
Start time' j 0.0 < И' Stop time: | 0 1 '
Soh/er optionsЛ
Type: jVanable-step |ode23tb (stift/TR-BDF2)
Max step size: 11 е-4
Min step size: | auto
Initial step size: -| auto
Outputoptions
jRetine output
Relative tolerance' |le-3
Absolute tolerance: | auto
•^1 'Refine factor: |T
OK |: Cancel I Help
Рис. 6.14.4. Окно настройки параметров моделирования
Исследование коэффициента гармоник осуществляется при измене-
нии сопротивления нагрузки йи и неизменной индуктивности нагрузки
LK = 0,01 Гн. Сопротивление изменяется в пределах от Ю до 100
Ом. При этом для каждого значения рассчитывается постоянная
времени нагрузки 7» =
Лабораторная работа № 14
295
Моделирование проводится для каждого значения сопротивления
нагрузки. Результаты моделирования заносятся в табл. 6.14.1.
Табл. 6.14.1
Данные Измерения Вычисления
R. (Ом) THD1 IHDU Тн(с)
Мгновенные значения тока и напряжения на нагрузке .можно наблю-
дать на экране осциллоскопа (рис. 6.14.5).
По результатам табл. 6.14.1 строятся зависимости THD I, THD
Ь' -№
['AScope ________________________________НН
fj|x|
Рис. 6.14.5, Ток и напряжение на выходе инвертора
296
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
5.2. Исследование коэффициента гармоник выходного тока и напря-
жения трехфазного трехуровневого инвертора с симметричным управ-
лением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе
на активно-индуктивную нагрузку по п. 3.2 проводится на модели, по-
казанной на рис. 6.14.6.
Рис. 6.14.6. Модель трехфазного трехуровневого инвертора
Трехфазный мостовой инвертор состоит нз трех одноплечевых, рас-
смотренных выше и включенных в блоки Subsystem. Содержание блока
Subsystem показано на рис. 6.14.7. Управление блоками осуществляет-
ся от трех модулирующих напряжений, сдвинутых по фазе на 120 град,
(блоки Sine Wave, Sine Wavel, Sine Wave2).
Исследование коэффициента гармоник осуществляется при измене-
нии одновременно трех сопротивлений нагрузки Rn и неизменных ин-
дуктивностях нагрузки LH= 0,01 Гн. Сопротивление изменяется в
пределах от 10 до 100 Ом. При этом для каждого значения R» рассчи-
тывается постоянная времени нагрузки Тн =—(с).Моделирование
«а
проводится для каждого значения сопротивления нагрузки. Результаты
моделирования заносятся в таблицу, аналогичную 6.14.1.
Лабораторная работа № 14
297
О AiN_3f_3/Subsystem *
file?' Edit -S/iew Simulation Format TqoIs Help-'
□ Н Я aj 8ta e | а а |>M% »;►«[>
ReaiUJCX J I |odeZ3lb
Рис. 6.14.7. Блок Subsystem
Мгновенные значения тока и напряжения на нагрузке можно наблю-
дать на экране осциллоскопа (рис. 6.14.8).
По результатам табл. 6.14.1 строятся зависимости THD 1, THD
U = f(Tnh
298
Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
Рис. 6.14. В. Напряжение и ток нагрузки трехфазного, трехуровневого инвертора
6. Содержание отпета
6.1. Схема виртуальной установки.
6.2. Зависимости коэффициента гармоник тока и напряжения от по-
стоянной времени нагрузки для одноплечевого трехуровневого
инвертора.
6.3. Зависимости коэффициента гармоник тока н напряжения от по-
стоянной времени нагрузки для трехфазного трехуровневого ин-
вертора.
6.4. Выводы по работе.
299
Приложение.
Трансформаторы
Тип трансформатора S-b кВА иа, % Ра, Вт Ръ Вт %
ТС-КЮ66 10 45 280 90 7
ТС-16/066 16 45 400 125 5.8
ТС-25/066 25 45 560 180 4.8
ТС-40/066 40 45 800 250 4.0
ТС-63/066 63 45 1090 355 33
ТС-100'066 100 45 1500 500 2.7
ТС-160г066 160 45 2060 710 23
Примечание:
Номинальное напряжение на первичной обмотке UJH — 660 В, номинальные
вторичные напряжения — 230 В и 400 В.
Расчет относительных параметров трансформатора
1. Базовое сопротивление:
Яг(Ом) = ^-(—)
s Рн Вт '
2. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора:
A»<A)=^-<v’-
Чя в
3. Коэффициент мощности при коротком замыкании:
?Втч
“S”A' 'йТ*м’’ ™ и-
4. Полное сопротивление короткого замыкания:
Zo(0m) = ^A
•iw А
300 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
5. Активное сопротивление короткого замыкания:
ГА7=^СО5<р^(Ом).
6. Реактивное сопротивление короткого замыкания:
хю =ZCTsinpA.(OM).
7. Относительные сопротивления первичной и вторичной обмоток:
/? =₽ =2*з_
2Re
8. Относительные индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток:
9. Относительные сопротивление и индуктивность ветви намагничивания-
Литература
1. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых си-
стем. СПб.: КОРОНА принт, 2001. 302 с.
2. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах по-
стоянного тока. Л.: Энергия, 1973. 304 с.
3. Глазенко Т. А., Гончеренко Р. Б. Полупроводниковые преобразователи час-
тоты в электроприводах. Л.: Энергия, 1969. 184 с.
4. Гулыпяев А. К. Имитационное моделирование в среде Windows. СПб.: КОРО-
НА принт. 1999. 287 с.
5. Гуяьтяев А. К. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПб.: Питер,
2000. 429 с.
6. Дьяконов В, П., Абраменкова И. В. MatLab 5. Система символьной мате-
матики. М.: Нолидж, 1999. 633 с.
7. Дьяконов В П., Абраменкова И. В., Круглов В. В. MatLab 5 с пакетами
расширения. М.: Нолидж. 2001.
8. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MatLab. Обработка сигналов и изобра-
жений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002 . 602 с.
9. Дьяконов В. П. S1MULINK-4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.
601 с.
10. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1981.
532 с.
11. Лазарев Ю. MatLAB 5.x. Киев: Ирина; СПб: BHV, 2000. 381 с.
12. Медведев В. С., Потемкин В. Г Control System Toolbox. MatLab 5 для
студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 287 с.
13. Прянишников В. А. Электроника. Курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 1998.
400 с.
14. Применение силовых полупроводниковых приборов в преобразовательной
технике. / С. Г. Герман-Галкин, В. А. Рудский, Н. Н. Юрченко. Киев: Препр.
АН УССР. Ин-т Электродинамики, 1990. 33 с.
15. Ромаш Э. М., Драбович Ю. И., Юрченко Н. Н„ Шевченко П. В. Высоко-
частотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и Связь, 1988. 288 с.
302 Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК
16. Способы уменьшения динамических потерь в транзисторных инверторах /
А. К. Шидловский, Ю. И. Драбович, Н. Н. Юрченко, П. Н. Шевченко. Киев.:
Препр. АН УССР, 1982. 22 с.
17. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями /С. Г. Гер-
ман-Галкин, В. Д. Лебедев, Б. А. Марков, Н. И. Чичерин. Л.: Энергоатомиз-
дат, 1986. 248 с.
18. Чиженко И. М., Руденко В. С.. Сенько В. И. Основы преобразовательной
техники. М.: Высшая школа. 1974. 429 с.
19. Рудаков П. И., Сафонов И В. Обработка сигналов и изображений.
MATLAB 5.x/ Под общ. ред. В. Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.
416 с.
20. Szczesny R. Komputerowa symulacja ukladow energoelektronicznych. Wyd.
Politechniki Gdanskej, 1999.