1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Лабораторные работы (практикум) для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» В 2 частях Часть 1 Рекомендовано учебно-методическим объединением в сфере высшего образования Республики Беларусь по образованию в области автоматизации технологических процессов, производств и управления Минск БНТУ 2013 2 УДК 621.314 (076.5) ББК 32.96я7 С36 С о с т а в и т е л и: Н. М. Улащик, Д. С. Васильев Р е ц е н з е н т ы: В. П. Беляев, О. А. Головач Силовая преобразовательная техника : лабораторные работы (практикум) для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизи- рованные электроприводы» : в 2 ч. / Н. М. Улащик, Д. С. Васильев. – Минск : БНТУ, 2013– . – Ч. 1. – 56 с. ISBN 978-985-550-308-9 (Ч. 1). Представлены методические материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Силовая преобразовательная техни- ка», касающиеся изучения однофазных и трехфазных выпрямителей, одно- ключевых широтно-импульсных преобразователей, тиристорных и транзи- сторных (импульсных) регуляторов напряжения, автономных инверторов напряжения. УДК 621.314 (076.5) ББК 32.96я7 ISBN 978-985-550-308-9 (Ч. 1) © Белорусский национальный ISBN 978-985-550-325-6 технический университет, 2013 С36 3 Содержание Лабораторная работа № 1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ……….…………………………………….….4 Лабораторная работа № 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ…………………………12 Лабораторная работа № 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ………………………..…22 Лабораторная работа № 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ…………………………………….……33 Список использованных источников……..……………….…..45 4 Лабораторная работа № 1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы: приобретение навыков работы в системе MATLAB – Simulink на примере моделирования однофазного однополупериодного выпрямителя; исследование электромаг- нитных свойств указанного выпрямителя. Введение Библиотека имитационного моделирования Simulink в систе- ме MATLAB позволяет смоделировать процессы, происходящие в различных электротехнических устройствах и полупроводни- ковых преобразователях электрической энергии (ППЭЭ). На основании принципиальных схем различных ППЭЭ с ис- пользованием блоков библиотеки Simulink, и в частности ее модуля SimPowerSystem, можно составить имитационные мо- дели необходимых преобразователей и исследовать их элек- тромагнитные свойства. Угол открывания полупроводниковых вентилей типа тири- сторов задаётся в модели с помощью блока Pulse Generator (из библиотеки Simulink→Sources). В поле «Period» окна этого блока указывается период следования импульсов в секундах, который определяется частотой питающего напряжения (0,02 с для 50 Гц). В поле «Pulse Width» задается длительность откры- вающего импульса в процентах от периода (10–20 %). Угол открывания указывается в поле «Phase Delay» в виде задержки времени следования импульсов и может быть задан, напри- мер, в виде выражения ПП о 2180 Тt   , 5 где  – угол открывания; ПТ – период следования импульсов. Например, для o40  и П 0,02 cТ  в поле записывают: 40 /180*0.02 / 2 . Порядок выполнения лабораторной работы 1. Составить полные принципиальные электрические схемы однофазного однополупериодного неуправляемого и управля- емого выпрямителей, работающих на активную и активно-ин- дуктивную нагрузки, при питании от однофазной сети пере- менного тока. 2. На основании принципиальных схем с использованием блоков библиотеки Simulink, в частности модуля SimPower- System, составить имитационные модели исследуемых выпря- мителей. Для этого: 2.1) ввести параметры напряжения источника питания, пара- метры диода, сопротивления R и индуктивности L нагрузки (за- даются преподавателем), параметры защитной R-С цепи; в моде- ли управляемого выпрямителя ввести параметры управляющих импульсов ГИ (угол открывания α задается преподавателем); 2.2) выбрать метод численного решения дифференциаль- ных уравнений, шаг и время расчета; осуществить расчет. 3. В результате расчета получить кривые тока iн = f(t) и на- пряжения uн = f(t) нагрузки, кривые напряжения сети u1 = f(t), напряжения на диоде uVD = f(t) при активной и активно-индук- тивной нагрузках. 4. По результатам расчетов: 4.1) сделать вывод о влиянии индуктивности L на форму кривой тока нагрузки iн = f(t); 4.2) аналитически рассчитать максимальное, действующее и среднее значение тока при активной нагрузке, среднее значение – при активно-индуктивной нагрузке, сравнить данные значения со значениями, полученными в результате моделирования; 6 4.3) проанализировать форму напряжения на диоде, указав значения напряжения на нем в открытом и закрытом состояниях. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Полные принципиальные электрические схемы однофаз- ного однополупериодного неуправляемого и управляемого вы- прямителей, работающих на активную и активно-индуктивную нагрузки, при питании от однофазной сети переменного тока. 3. Имитационные модели однофазного однополупериодного выпрямителя с указанием введенных параметров напряжения источника питания, диода, R и L нагрузки, параметров защит- ной R-С цепи и параметров управляющих импульсов ГИ. 4. Графики напряжения сети u1 = f(t), тока iн = f(t) и напря- жения uн = f(t) нагрузки, тока iVD = f(t) и напряжения uVD = f(t) диода при активной и активно-индуктивной нагрузках. 5. Вывод о влиянии индуктивности L на форму кривой тока нагрузки iн = f(t). Исходные данные для моделирования: ~U1= 220 В; Rнагр = = 44 Ом.  Рисунок 1.1 – Имитационная модель однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя 7 Рисунок 1.2 – Параметры настройки блока AC Voltage Source Рисунок 1.3 – Параметры настройки блока Diode 8 Рисунок 1.4 – Временные диаграммы работы однофазного однополу- периодного неуправляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 9 Рисунок 1.5 – Временные диаграммы работы однофазного однополу- периодного неуправляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 10 Рисунок 1.6 – Имитационная модель однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя Рисунок 1.7 – Параметры настройки блока Pulse Generator (пример для α = 60º) 11 Рисунок 1.8 – Параметры настройки блока Thyristor Параметры настройки блока AC Voltage Source аналогичны параметрам на рис. 1.2. 12 Рисунок 1.9 – Временные диаграммы работы однофазного однополу- периодного управляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 13 Рисунок 1.10 – Временные диаграммы работы однофазного однополу- периодного управляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 14 Лабораторная работа № 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы: приобретение навыков работы в системе MATLAB – Simulink на примере моделирования однофазных выпрямителей (однофазного мостового симметрично управля- емого, несимметрично управляемого и с симистором на сторо- не переменного тока); исследование электромагнитных свойств указанных выпрямителей. Введение Библиотека имитационного моделирования Simulink позво- ляет в системе MATLAB смоделировать процессы, происхо- дящие в различных схемах ППЭЭ. На основании принципиальных электрических схем с ис- пользованием блоков библиотеки Simulink, и в частности ее модуля SimPowerSystem, можно составить имитационные мо- дели указанных преобразователей, выполнить необходимые рас- четы и исследовать их электромагнитные свойства. Угол открывания полупроводниковых вентилей задается с помощью блока Pulse Generator (библиотека Simulink→Sour- ces). В поле «Period» указывается период следования импуль- сов в секундах, который определяется частотой питающего напряжения (0,02 с для 50 Гц). В поле «Pulse Width» задается длительность открывающего импульса в процентах от перио- да (10–20 %). Угол открывания указывается в поле «Phase De- lay» в виде задержки времени следования импульсов и может быть задан, например, в виде выражения ПП о 2180 Тt   , 15 где  – угол открывания; ПТ – период следования импульсов. Например, для o40  и П 0,02 cТ  в поле записывают: 40 /180*0.02 / 2 . Порядок выполнения лабораторной работы 1. Составить полные принципиальные электрические схемы выпрямителей: однофазного мостового симметрично управля- емого, несимметрично управляемого и мостового выпрямителя с симистором на стороне переменного тока при питании от од- нофазной сети переменного тока, работающих на активную и активно-индуктивную нагрузки (схемы должны содержать дат- чик тока нагрузки и датчики напряжения: сети, на нагрузке, на диоде и на тиристоре (в схеме с управляемыми ключами)). 2. На основании принципиальных схем составить имитаци- онные модели выпрямителей с использованием блоков биб- лиотеки Simulink, в частности ее модуля SimPowerSystem: 2.1) ввести параметры напряжения источника питания, па- раметры силовых полупроводниковых приборов, сопротивле- ния R и индуктивности L нагрузки (задаются преподавателем), параметры защитной R-С цепи; при составлении имитационной модели управляемого выпрямителя ввести параметры управ- ляющих импульсов ГИ (угол открывания α задается препода- вателем); 2.2) выбрать метод численного решения дифференциальных уравнений, шаг и время расчета; 2.3) осуществить расчет. 3. В результате расчета получить графики зависимости тока iн = f(t) и напряжения uн = f(t) нагрузки, графики зависимости напряжения сети u1 = f(t), напряжения на диоде uVD = f(t) (при управляемой схеме на диоде uVD = f(t) и на тиристоре uVS = f(t)) при активной и активно-индуктивной нагрузках. 16 4. По результатам расчетов: 4.1) сделать вывод о влиянии индуктивности L и угла от- крывания α на форму кривой тока нагрузки iн = f(t); 4.2) аналитически рассчитать максимальное, действующее и среднее значение тока при активной нагрузке, среднее зна- чение – при активно-индуктивной нагрузке, сравнить данные значения со значениями, полученными в результате модели- рования; 4.3) проанализировать форму напряжения на диоде, указав значения напряжения на нем в открытом и закрытом состояниях. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Привести полные принципиальные электрические схе- мы выпрямителей при питании от однофазной сети перемен- ного тока, работающих на активную и активно-индуктивную нагрузки. 3. Имитационные модели выпрямителей с указанием введен- ных параметров напряжения источника питания, диода, R и L нагрузки, параметров защитной R-С цепи и параметров управ- ляющих импульсов ГИ. 4. Графики зависимости тока iн = f(t) и напряжения uн = f(t) нагрузки, графики зависимости напряжения сети u1 = f(t), на- пряжения на диоде uVD = f(t) (при управляемой схеме на диоде uVD = f(t) и на тиристоре uVS = f(t)) при активной и активно- индуктивной нагрузках. 5. Вывод о влиянии индуктивности L и угла α на форму кривой тока нагрузки iн = f(t). Исходные данные для моделирования: ~U1 = 220 В, Rнагр = = 44 Ом. 17 Рисунок 2.1 – Имитационная модель мостового симметрично управляемого выпрямителя Рисунок 2.2 – Параметры настройки блоков тиристора VS1 и диода VD1 18 Рисунок 2.3 – Параметры настройки блоков Pulse Generator и Pulse Generator1 (пример для α = 60º) 19 Рисунок 2.4 – Временные диаграммы работы однофазного мостового симметрично управляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 20 Рисунок 2.5 – Временные диаграммы работы однофазного мостового сим- метрично управляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 21 Рисунок 2.6 – Имитационная модель однофазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя Рисунок 2.7 – Имитационная модель однофазного мостового выпрямителя с регулированием напряжения на стороне переменного тока 22 Параметры настройки блоков Diode1…Diode4 и тиристоров VS1, VS2 аналогичны приведенным на рис. 2.2. Параметры настройки блоков Pulse Generator и Pulse Generator 1 также аналогичны показанным на рис. 2.3 (для α = 60º). Рисунок 2.8 – Временные диаграммы работы однофазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 23 Рисунок 2.9 – Временные диаграммы работы однофазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 24 Рисунок 2.10 – Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя с регулированием напряжения на стороне переменного тока при работе на R нагрузку 25 Рисунок 2.11 – Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя с регулированием напряжения на стороне переменного тока при работе на R-L нагрузку 26 Лабораторная работа № 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы: приобретение навыков работы в системе MATLAB – Simulink на примере моделирования трехфазных выпрямителей: трехфазного мостового симметрично управ- ляемого, несимметрично управляемого и трехфазного нулево- го; исследование электромагнитных свойств указанных вы- прямителей. Введение На основании принципиальных схем различных ППЭЭ с ис- пользованием блоков библиотеки Simulink, и в частности ее модуля SimPowerSystem, можно составить имитационные мо- дели необходимых преобразователей и исследовать их элект- ромагнитные свойства. Угол открывания полупроводниковых вентилей задается с помощью блока Pulse Generator (библиотека Simulink→Sour- ces). В поле «Period» указывается период следования импуль- сов в секундах, который определяется частотой питающего напряжения (0,02 с для 50 Гц). В поле «Pulse Width» задается длительность открывающего импульса в процентах от перио- да (10–20 %). Угол открывания указывается в поле «Phase De- lay» в виде задержки времени следования импульсов и может быть задан, например, в виде выражения ПП о 2180 Тt   , где  – угол открывания; ПТ – период следования импульсов. 27 Например, для o40  и П 0,02 cТ  в поле записывают: 40 /180*0.02 / 2 . Порядок выполнения работы 1. Составить полные принципиальные электрические схемы трехфазных выпрямителей при питании от трехфазной сети переменного тока, работающих на активную и активно-индук- тивную нагрузки (схемы должны содержать датчик тока на- грузки и датчики напряжения сети на одном из диодов и на нагрузке). На основании принципиальных схем с использова- нием блоков библиотеки Simulink составить имитационные модели выпрямителей. 2. На основании принципиальных схем с использованием блоков библиотеки Simulink, в частности модуля SimPower- System, составить имитационные модели выпрямителей: 2.1) ввести параметры напряжения источника питания, па- раметры силовых полупроводниковых приборов, сопротивле- ния R и индуктивности L нагрузки (задаются преподавателем), параметры защитной R-С цепи; при составлении имитацион- ной модели управляемого выпрямителя ввести ещё и парамет- ры управляющих импульсов ГИ (угол открывания α задается преподавателем); 2.2) выбрать метод численного решения дифференциаль- ных уравнений, шаг и время расчета; 2.3) осуществить расчет. 3. В результате расчета получить графики зависимости тока iн = f(t) и напряжения uн = f(t) нагрузки, графики зависимости напряжения сети u1 = f(t), напряжения на диоде uVD = f(t) и на тиристоре uVS = f(t) при активной и активно-индуктивной нагрузках. 4. По результатам расчетов: 4.1) сделать вывод о влиянии индуктивности L на форму кривой тока нагрузки iн = f(t); 28 4.2) аналитически рассчитать максимальное, действующее и среднее значение тока при активной нагрузке, среднее зна- чение – при активно-индуктивной нагрузке, сравнить данные значения со значениями, полученными в результате модели- рования; 4.3) выполнить анализ формы напряжения на диоде, указав значения напряжения на нем в открытом и закрытом состояниях. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Привести полные принципиальные электрические схемы трехфазного мостового симметрично управляемого, несим- метрично управляемого и трехфазного нулевого при питании от трехфазной цепи переменного тока, работающих на актив- ную и активно-индуктивную нагрузки. 3. Имитационные модели выпрямителя с указанием введен- ных параметров диода, R и L нагрузки. 4. Графики зависимости токов iн = f(t) и напряжений uн = f(t) нагрузки, графики зависимости напряжения сети u1 = f(t), на- пряжений на диоде uVD = f(t) и на тиристоре uVS = f(t) при ак- тивной и активно-индуктивной нагрузках, графики зависимо- сти тока тиристора iVS = f(t). 5. Вывод о влиянии индуктивности L и угла α на форму кривой тока нагрузки iн = f(t). 29 Рисунок 3.1 – Имитационная модель трехфазного мостового симметрично управляемого выпрямителя Исходные данные для моделирования: Uф = 220 В; Uл = 380 В; Rнагр = 90 Ом. 30 Рисунок 3.2 – Имитационная модель трехфазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя Рисунок 3.3 – Параметры настройки блока Three-Phase Source 31 Рисунок 3.4 – Параметры настройки блоков Pulse Generator 1, 3 и 5 32 Рисунок 3.5 – Параметры настройки блоков ЭДС источников e1, e2 и e3 33 Рисунок 3.6 – Временные диаграммы работы трехфазного мостового симметрично управляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 34 Рисунок 3.7 – Временные диаграммы работы трёхфазного мостового симметрично управляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 35 Рисунок 3.8 – Временные диаграммы работы трехфазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя при работе на R нагрузку 36 Рисунок 3.9 – Временные диаграммы работы трехфазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 37 Рисунок 3.10 – Имитационная модель трехфазного нулевого выпрямителя Исходные данные для моделирования: Uф = 220 В; Uл = 380 В; Rнагр = 108 Ом. 38 Рисунок 3.11 – Параметры настройки блоков Pulse Generator 1, 2 и 3 39 Рисунок 3.12 – Временные диаграммы работы трехфазного нулевого выпрямителя при работе на R нагрузку 40 Рисунок 3.13 – Временные диаграммы работы трехфазного нулевого выпрямителя при работе на R-L нагрузку 41 Лабораторная работа № 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ Цель работы: изучить принцип работы импульсных регу- ляторов напряжения (ИРН) на примере однофазного ИРН; на основе принципиальной электрической схемы и принципа ра- боты однофазного ИРН составить его имитационную модель в среде MatLab (с помощью блоков из библиотек разделов Simulink и SimPowerSystems); провести анализ графиков рабо- ты однофазного ИРН при изменении параметров R-L нагруз- ки, скважности γ (напряжения управления Uy) и частоты ком- мутации кf . Введение С целью устранения основных недостатков тиристорных ре- гуляторов напряжения с фазовым управлением (наличие до- полнительного угла сдвига первой гармоники тока по отноше- нию к напряжению сети, зависящего от угла открытия тиристо- ров  ; искажение синусоидальной формы кривой питающего напряжения и, как следствие, появление высших гармоник, а также уменьшение коэффициента мощности входной цепи устройства) можно использовать ИРН на полностью управляе- мых силовых полупроводниковых приборах, например IGBT- транзисторах, где регулирование величины неизменного по ча- стоте питающего АД напряжения осуществляется изменением ширины управляющих импульсов по определенному закону при некоторой заданной частоте коммутации кf ключей сило- вой схемы такого устройства плавного пуска. Важно отметить следующую особенность работы ИРН на двигательную нагрузку. В регуляторах переменного напряже- 42 ния на базе силовых транзисторных ключей с высокочастот- ной широтно-импульсной модуляцией на интервалах переклю- чения на его силовых элементах и нагрузке возможно возник- новение значительных перенапряжений, если не принимать спе- циальные меры по замыканию реактивного тока нагрузки. По- этому при работе ИРН на двигательную или R-L нагрузку нуж- но шунтировать фазы во время отключения основных силовых ключей специальными шунтирующими устройствами (ключами, конденсаторами, диодными мостами и т. д.). Именно для этой цели в схеме однофазного ИРН на рис. 4.1, а используется ключ S2. Там же приведены кривые выходного напряжения и тока такого регулятора, а также алгоритм работы транзисто- ров его силовой схемы. Рисунок 4.1 – Схема однофазного ИРН и кривые выходного напряжения и тока фазы А при активно-индуктивной нагрузке (а), алгоритм работы транзисторов силовых ключей однофазного ИРН (б) Согласно схеме (рис. 4.1, а) транзисторы VT1 и VT2 клю- ча 1S , работая с определенной частотой коммутации кf , яв- ляются основными, т. е. они участвуют в формировании соот- ветственно положительной и отрицательной полуволны вы- ходного напряжения ИРН из импульсов напряжения, количе- 43 ство которых зависит от величины кf , а транзисторы VT3 и VT4 ключа 2S – шунтирующими нагрузку соответственно при выключенных транзисторах VT2 и VT1 основного ключа 1S , т. е. на интервалах пауз в работе этих транзисторов (рис. 4.2). Рисунок 4.2 – Состояние транзисторов основного S1 (а) и шунтирующего S2 (б) ключа однофазного ИРН, выполненного по схеме рис. 4.1, а Как видно из рис. 4.2, транзисторы такого ИРН на каждом интервале iT работают в паре (один основной и один шунти- рующий транзистор). Последовательность работы пар транзи- сторов силовой схемы этого ИРН показана на рис. 4.1, б и, как следует из этого рисунка, зависит от знака входного напряже- ния и тока нагрузки. Согласно рис. 4.1, б, когда полуволна входного переменного напряжения положительная, а полувол- на тока нагрузки отрицательная, работает транзистор VT2 ос- новного ключа 1S . При этом шунтирующий транзистор VT3 ключа 2S работает на интервалах пауз (в противофазе) в рабо- те VT2 (см. рис. 4.1, б) и осуществляет закорачивание (шунти- рование) нагрузки, а транзисторы VT1 и VT4 все время на- ходятся в выключенном состоянии. Когда входное напряже- ние и ток нагрузки положительные, включается транзистор VT1 ключа 1S , а в моменты пауз в его работе – транзистор VT4 ключа 2S для шунтирования нагрузки, при этом транзисторы VT2 и VT3 все время выключены. После изменения знака входного напряжения с положительного на отрицательный 44 снова работает транзистор VT1 ключа 1S , а на интервалах его пауз для закорачивания нагрузки используется транзистор VT4 ключа 2S . При этом транзисторы VT2 и VT3 все время вы- ключены. И наконец, когда входное напряжение и ток нагруз- ки имеют одинаковый знак, отрицательный, включается тран- зистор VT2 ключа 1S , при этом транзисторы VT1 и VT4 все время выключены, а транзистор VT3 ключа 2S шунтирует нагрузку на интервалах пауз в работе VT2 . Благодаря такому алгоритму работы транзисторов основного и шунтирующего ключа обеспечивается непрерывное протекание тока по сило- вой цепи ИРН и отсутствуют перенапряжения на его силовых элементах и в нагрузке. Порядок выполнения работы 1. Составить полную принципиальную электрическую схе- му однофазного ИРН, работающего на R-L нагрузку. 2. На основании принципиальной электрической схемы cо- ставить имитационную модель однофазного ИРН с использо- ванием блоков библиотек Simulink и SimPowerSystems. 3. Ввести параметры напряжения источника питания, сило- вых ключей, R-L нагрузки (задаются преподавателем), парамет- ры защитных R-С цепочек и управляющих импульсов (скваж- ность управляющих импульсов γ, которая задается в модели напряжением управления Uy, и частота коммутации кf ). 4. В настройках моделирования Simulation→Configuration Parameters выбрать метод численного решения дифференци- альных уравнений, шаг и время расчета. 5. В результате расчета получить: временные диаграммы на- пряжения источника питания uс = f(t), тока и напряжения на нагрузке iн = f(t) и uн = f(t), тока и напряжения пары основного и шунтирующего транзисторов iVТ = f(t) и uVТ = f(t), например, VT1 и VT4 или VT2 и VT3, а также временные диаграммы управляющих импульсов всех транзисторов схемы. 45 6. По результатам расчетов: 6.1) исследовать влияние индуктивности L на форму кривой тока и напряжения нагрузки. Несколько разных значений L задаются дополнительно преподавателем; 6.2) исследовать влияние скважности управляющих импуль- сов γ (напряжения управления Uy) и частоты коммутации кf   на форму кривой тока нагрузки и напряжения. Несколько раз- ных значений Uy и кf задаются преподавателем. Параметры настройки основных блоков имитационной мо- дели однофазного ИРН приведены ниже в виде отдельных ри- сунков либо указаны над самими блоками в виде числовых значений. Значение напряжения управления Uy (0…10 В) задается об- ратно пропорционально скважности γ управляющего импульса с помощью блока Constant1, представленного на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3). Так, например, скваж- ности γ = 0,1 соответствует напряжение управления Uy ≈ 9 В, а γ = 0,9 – напряжение управления Uy ≈ 1 В. Рисунок 4.3 – Общий вид имитационной модели однофазного ИРН Значение частоты коммутации кf задается в подсистеме «Pulse generator» (рис. 4.4) в блоках Signal Generator 1 и 2. Так, 46 чтобы обеспечить кf =1 кЦ, в обоих блоках Signal Generator параметр Frequency нужно задать равным 500. Параметр Magnitude при этом следует оставить равным 10. Для задания кf = 500 Гц параметр Frequency в обоих блоках Signal Generator соответственно должен быть равен 250. Subsystem 1 Subsystem 2 4 VT4_pulse 3 VT3_pulse 2 VT2_pulse 1 VT1_pulse u_seti i_nagr Pulses VT4 VT4 pulse formation u_seti i_nagr Pulses VT3 VT3 pulse formation u_seti i_nagr Pulses VT2 VT2 pulse formation u_seti i_nagr Pulses VT1 VT1 pulse formation Uy Pulses Pulse generator 3 Uу 2 i_nagr 1 u_seti Рисунок 4.4 – Общий вид подсистемы «Pulse formation subsystem» для формирования импульсов управления транзисторами силовой схемы ИРН Содержание отчета 1. Титульный лист. 2. Цель работы. 3. Полная принципиальная электрическая схема однофаз- ного ИРН и алгоритм его работы. 4. Общий вид имитационной модели однофазного ИРН, со- ставленной из блоков библиотек Simulink и SimPowerSystems с раскрытием ее подсистем в виде отдельных рисунков, с ука- занием введенных параметров напряжения источника пита- ния, R и L нагрузки, параметров защитных R-С цепочек и управляющих импульсов. 47 5. Временные диаграммы напряжения источника питания uс = f(t), тока и напряжения на нагрузке iн = f(t) и uн = f(t), тока и напряжения выбранной пары (VT1, VT4 или VT2, VT3) ос- новного и шунтирующего транзисторов iVТ = f(t) и uVТ = f(t), временные диаграммы управляющих импульсов для транзи- сторов VT1…VT4. 6. Выводы по работе. out in sum1 sum2 1 0 1 0-1 -1 wave form - triangular wave form - triangular 1 Pulse train M F Signal generator 2 M F Signal generator 1 Sign2 Sign1 Saturation2 Saturation1 10 Magnitude2 10 Magnitude1 OR Logical Operator 500 Frequency2 500 Frequency1 1 Uy Рисунок 4.5 – Подсистема «Pulse generator», представленная в виде единого блока на рис. 4.4 if I (+) if I (-) i f U (+) if U (-) U (+) I (+) U (-) I (+) in out >0 >=0 >0 >=0 >=1 1 VT1 Terminator Switch5 Switch4 Switch3 Switch2 Switch1 AND OR AND 1 0 0 1 1 0 0 Constant3 0 Constant2 1 3 Pulses 2 i_nagr 1 u_seti Рисунок 4.6 – Подсистема «VT1 pulse formation», представленная в виде единого блока на рис. 4.4, для формирования управляющих импульсов на основной транзистор VT1 в соответствии с алгоритмом на рис. 4.1 48 I (-) U (-) I (-) U (+) if U (-) if U (+) i f I (-) i f I (+) >=1 >0 >=0 >0 >=0 1 VT2 Terminator Switch5 Switch4 Switch3 Switch2 Switch1 AND OR AND 1 0 0 1 1 0 0 0 1 3 Pulses 2 i_nagr 1 u_seti Рисунок 4.7 – Подсистема «VT2 pulse formation», представленная в виде единого блока на рис. 4.4, для формирования управляющих импульсов на основной транзистор VT2 в соответствии с алгоритмом на рис. 4.1 i f I (+) if I (-) if U (+) if U (-) U (+) I (-) U (-) I (-) >=1 >0 >=0 >0 >=0 1 VT3 Terminator2 Switch5 Switch4 Switch3 Switch2 Switch1 AND OR AND 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 3 Pulses 2 i_nagr 1 u_seti Рисунок 4.8 – Подсистема «VT3 pulse formation», представленная в виде единого блока на рис. 4.4, для формирования управляющих импульсов на основной транзистор VT3 в соответствии с алгоритмом на рис. 4.1 49 I (+) U (-) I (+) U (+) if U (-) if U (+) if I (-) if I (+) >=1 >0 >=0 >0 >=0 1 VT4 Terminator1 Switch5 Switch4 Switch3 Switch2 Switch1 AND OR AND 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 3 Pulses 2 i_nagr 1 u_seti Рисунок 4.9 – Подсистема «VT4 pulse formation», представленная в виде единого блока на рис. 4.4, для формирования управляющих импульсов на основной транзистор VT4 в соответствии с алгоритмом на рис. 4.1 Рисунок 4.10 – Параметры настройки блока AC Voltage Source, представленного на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3) 50 Рисунок 4.11 – Параметры настройки блока IGBT/Diode_1, представленного на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3) Блоки IGBT/Diode_2, IGBT/Diode_3 и IGBT/Diode_4, пред- ставленные на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3), имеют аналогичные рис. 4.11 параметры настройки. Рисунок 4.12 – Параметры настройки блока R-L нагрузки (R-L load), представленного на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3) 51 Рисунок 4.13 – Параметры настройки блока To Workspace3 (рис. 4.3) для вывода значений напряжения на нагрузке u_nagr в рабочую область Все остальные блоки типа To Workspace, представленные на общем виде имитационной модели ИРН (рис. 4.3), имеют аналогичные настройки, за исключением имени переменной Variable Name. Рисунок 4.14 – Параметры настройки моделирования «Simulation→Configuration Parameters» 52 В качестве примера ниже приведены результаты моделирова- ния работы однофазного ИРН при кf = 1 кЦ и Uy ≈ 4 В (γ = 0,6) и параметрах R-L нагрузки R = 2 Ом, L = 0,006 Гн. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t, c u c , В Рисунок 4.15 – Временная диаграмма питающего напряжения сети 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t, c u н , В Рисунок 4.16 – Временная диаграмма напряжения на нагрузке 53 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 t, c i н, В Рисунок 4.17 – Временная диаграмма тока в нагрузке 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 t, c u V T1 , В Рисунок 4.18 – Временная диаграмма напряжения на основном транзисторно-диодном ключе VT1 54 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 t, c i V T1 , A Рисунок 4.19 – Временная диаграмма тока основного транзисторно-диодного ключа VT1 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 t, c u V T4 , В Рисунок 4.20 – Временная диаграмма напряжения на шунтирующем транзисторно-диодном ключе VT4 55 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 t, c i V T4 , A Рисунок 4.21 – Временная диаграмма тока шунтирующего транзисторно-диодного ключа VT4 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.5 1 t, с V T1 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.5 1 t, с V T2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.5 1 t, с V T3 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.5 1 t, с V T4 Рисунок 4.22 – Временные диаграммы управляющих импульсов для транзисторов VT1…VT4 силовой схемы однофазного ИРН 56 Список использованных источников 1. Розанов, Ю. К. Основы силовой преобразовательной тех- ники / Ю. К. Розанов. – М. : Энергия, 1979. – 392 с. 2. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Бурков. – М. : Транспорт, 1999. – 435 с. 3. Розанов, Ю. К. Основы силовой электроники / Ю. К. Ро- занов. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 295 с. 4. Засорин, С. Н. Электронная и преобразовательная техни- ка / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. – М. : Транс- порт, 1981. – 319 с. 5. Гультяев, А. Визуальное моделирование в среде Matlab : учебный курс / А. Гультяев. – СПб. : Питер, 2000. – 432 с. 6. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование по- лупроводниковых систем в MATLAB 6.0 : учебное пособие / С. Г. Герман-Галкин. – СПб. : КОРОНА принт, 2001. – 320 с. 7. http: // exponenta.ru 57 Учебное издание СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Лабораторные работы (практикум) для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» В 2 частях Часть 1 Составители : УЛАЩИК Николай Михайлович ВАСИЛЬЕВ Дмитрий Сергеевич Редактор Л. Н. Шалаева Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 17.10.2013. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,31. Уч.-изд. л. 2,59. Тираж 100. Заказ 816. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.