labor_posob_part-2

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

621.314	№1831
С 365

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ЧАСТЬ 2

Методическое руководство к лабораторным работам для студентов III курса РЭФ

(направление 5507, специализация 200400)

дневного отделения

НОВОСИБИРСК

1999

621.314(076.5)

Составили: д-р техн. наук, проф. Г.С. Зиновьев,

инж. А.Ю. Макаревич,

канд. техн. наук, доц. В. И. Попов

Рецензент проф. Е. А. Подъяков

Работа подготовлена кафедрой промышленной электроники

© Зиновьев Г. С, Макаревич А. Ю., Попов В. И., 1999 г.

© Новосибирский государственный технический университет, 1999 г.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................	3
1. РАСЧЕТ СХЕМ ...........................................................................................................................	4
1.1. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРОВ ТОКА ...........................................................................................	4
1.2. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ...........................................................................	7
1.3. РАСЧЕТ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ.......................................................................	10
1.4. РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
(ИППН).......................................................................................................................................	11
2. МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ......	15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1...............................................................................................	15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2...............................................................................................	16
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3...............................................................................................	18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4...............................................................................................	19
ЛИТЕРАТУРА ...............................................................................................................................	21
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее методическое руководство к лабораторным работам является вторым из за-
планированной серии пособий по компьютерному лабораторному практикуму по курсу «Си-
ловая электроника» [1]. Цель лабораторных работ второй части курса «Силовая электроника»,
охватывающей базовые автономные преобразователи, - исследование основных схем таких
преобразователей. Исследование ориентировано, как и в лабораторном практикуме [1], на ре-
шение в основном задач анализа базовых схем, т.е. определение зависимости основных харак-
теристик схемы от значений варьируемых параметров элементов и управления. Но при этом в
программы работ вставлены фрагменты решения задач синтеза, которые требуют от студента
нахождения значения какого-то параметра элемента схемы по заданному значению какой-либо
выходной характеристики схемы.
Для выполнения лабораторных работ студенту необходимо:

1.Защитить предыдущую лабораторную работу (общий отчет на бригаду при коллектив- ной защите или отдельный отчет при индивидуальной защите).

2.Освоить теоретический материал к предстоящей работе, проверив степень своей го- товности по контрольным вопросам к лабораторной работе.

3.Предварительно рассчитать требуемые параметры схем, которые предстоит исследо-

вать.

4.Знать методику проведения лабораторной работы.

5.Пройти собеседование с преподавателем и получить допуск к работе.

Впроцессе выполнения лабораторной работы выводятся на принтер следующие резуль-

таты:

- исследуемая схема преобразователя; - временные диаграммы характерных токов и напряжений исследуемой схемы;

- таблица с численными данными снимаемых зависимостей; - графики зависимостей.

Вотчет по работе добавляются титульный лист, методика и результаты расчета требуе- мых по программе параметров элементов схем и выводы по работе, где анализируются полу- ченные результаты.

Вслучае использования методического руководства для дистанционного обучения необ- ходимо еще приобрести дискету с соответствующим программным обеспечением.

Втечение лабораторного цикла занятий студент выполняет четыре лабораторные работы.

Впервой лабораторной работе студенты знакомятся с параллельным и последовательно- параллельным инверторами тока по однофазным мостовым схемам.

3

Во второй работе исследуются однофазный и трехфазный мостовые инверторы напряже- ния, в последнем случае – в режиме ШИР.

Втретьей работе исследуются мостовой и полумостовой резонансные инверторы в ре- жимах непрерывного и прерывистого токов.

Вчетвертой работе изучаются три вида импульсных преобразователей постоянного на- пряжения в постоянное: понижающий, повышающий и понижающе-повышающий с инверсией полярности напряжения.

Модели базовых схем автономных вентильных преобразователей могут быть использо- ваны и при выполнении расчетной курсовой работы по проектированию вентильного преобра- зователя, которую студенты выполняют в том же семестре, что и лабораторные работы. Для этой же цели созданы и электронные базы данных по удельным массо-габаритным и энергети- ческим показателям элементов силовых схем вентильных преобразователей DBASE1 и DBASE2 [2,3].

1. РАСЧЕТ СХЕМ

Автономные преобразователи, как правило, являются источниками питания для различ- ных устройств, представляющих собой различные типы нагрузки. Причем резонансные инвер- торы, как правило, работают на повышенных частотах (несколько кГц), тогда как инверторы напряжения и тока - на низких частотах (десятки-сотни герц). Очень часто источником посто- янного напряжения для инверторов является выпрямитель (как правило, трехфазный). Нагруз- ка преобразователей опять же, как правило, присоединяется через трансформатор для со- гласования уровня напряжения и электромагнитной развязки. Однако в курсе лабораторных работ использовать трансформатор мы будем только в самых необходимых случаях: когда он является неотъемлемой частью конструктивного решения конкретной схемы; это объясняется тем, что наша задача - более наглядно показать работу инверторов, не загромождая схемы до- полнительными элементами, требующими дополнительных расчетов.

Исходя из сказанного выше возьмем для базовых схем преобразователей следующие одинаковые параметры:

- постоянное напряжение источника Ud=300 В (для трехфазных преобразователей – 540

В);

-мощность нагрузки: Рн=2 кВт для инверторов тока, Рн=1 кВт (для трехфазных преобра- зователей – 3 кВт) - для остальных преобразователей;

-cosφн=0.8;

-частота выходного напряжения инверторов тока и напряжения fн=50 Гц, резонансных инверторов fн=2,5 кГц.

На практике, особенно при анализе многофазных схем, очень часто ограничиваются лишь учетом основной гармоники токов и напряжений. При этом характеристики, полученные методом основной гармоники, пригодны для инженерных расчетов, так как мало отличаются от характеристик, полученных путем решения дифференциальных уравнений (расхождение меньше 10... 15 %) [4].

1.1. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРОВ ТОКА

А. ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА

При расчете однофазного мостового параллельного инвертора тока (рис. 1,я) примем следующие допущения: ток от источника питания идеально сглажен, т.е. индуктивность дрос- селя Ld очень большая, потери в элементах преобразователя малы, а значит, не окажут сущест- венного влияния на расчет.

4

С учетом принятых допущений, можно построить векторную диаграмму для нашей схе- мы (рис. 1,6), где Uн – напряжение нагрузки; IR – ток активного сопротивления; IL – ток индук- тивного сопротивления; Iн – ток нагрузки; φн – угол нагрузки; Ic – ток конденсатора; I1 - ток преобразователя; б - угол запирания, необходимый для нормальной работы инвертора. Данная диаграмма построена для первых гармоник токов и напряжений.

Исходные данные: Ud=300В; Uн=380В; РН=2 кВт; cos φн =0,8; f=50 Гц.

Так как частота преобразователя 50 Гц (период выходного напряжения T=1/50=0,02 с), то для работы инвертора необходима система управления, вырабатывающая импульсы управле- ния попарно на тиристоры Т1, Т4 н Т2, ТЗ с периодом 0,02 с.

Рассчитаем ток сопротивления нагрузки

I R(1)

=

PH

=

2000

= 5,263A.

(1)

U H

380

С помощью векторной диаграммы найдем токи

нагрузки, индуктивности, емкости:

Ток нагрузки

I R

5,263

I H (1)

=

=

= 6,579 А.

cosϕ

0,8

н

Ток индуктивности нагрузки

I L(1)

= I H sin ϕн

= 6,579 × 0,6 = 3,947 A.

Ток емкости

IC (1)

= I H (sin ϕн

+ cosϕн + tgσ )

(2)

Угол инвертирования σ, найдем из формулы:

2

U H cosσ ,

Ed =

2

(3)

π

cosσ =

Ud

π

=

300

×3,14

= 0,877

U H

2 2

2

2 ×380

σ = 28,7°.

Теперь вернемся к формуле (2) и найдем ток емкости

IC (1) = 6,579 × (0,6 + 0,8×tg28,7°) = 6,833A.

Ток преобразователя

5

I1(1) = cosI Rσ = 50,,877263 = 6,0 A.

Теперь, после того как токи и напряжения элементов схемы найдены, можем рассчитать значения этих элементов:

RH

=

U H

=

380

= 72,2 Ом,

(4)

IR

5,263

L =

X L

=

U H

=

380

= 0,307 Гн,

(5)

ω

3,947 ×314,16

где ω = 2πf , f = 50 Гц.

I Lω

C =

IC

=

6,833

= 57,3 мкФ.

(6)

U H ω

380 ×314

Для того, чтобы построить внешнюю характеристику данного инвертора в ходе лабора- торной работы, студентам необходимо изменять параметры нагрузки таким образом, чтобы cosφн=0,8 оставался постоянным. Рассчитаем соотношение параметров нагрузки для cosφн=0,8.

С помощью векторной диаграммы инвертора тока запишем выражение

	tgϕ =	sin ϕ	=	I L	=	U H / X L	=	R	=		R
		cosϕ		IR		U H / R		X L		ωL

при cos(φн)=0,8 sin(φн)=0,8 tg(φн)=0,8 учитывая это и ω =314.16, найдем соотношение

R = 235,62L.

Б. ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА

Исходные данные последовательно-параллельного инвертора (рис. 2,а) такие же, как и у параллельного: Ud=300В; Uн=380В; РН=2 кВт; cos φн =0,8; f=50 Гц.

Для более полного сходства параллельного и последовательно-параллельного инверторов возьмем предыдущий расчет за основу. Оставим величину угла а, данной схемы (рис. 2,6) рав- ной о из предыдущего расчета 28,73°, а чтобы найти напряжение на емкости С2, включенной последовательно с нагрузкой – UC2 (исходя из времени восстановления запирающих свойств тиристоров), зададимся углом инвертирования преобразователя σ = 45°.

С помощью векторной диаграммы, построенной для первых гармоник токов и напряже- ний (рис. 2,6), найдем напряжения схемы. Обозначим напряжение на емкости С1, как Uаб; оно же будет и напряжением UH, U1 – напряжение инвертора.

Используем расчет предыдущего инвертора (1...6) для параллельной части схемы:

	I R(1) =	PH	=	2000	= 5,263 A.
		U H		380

6

Ток нагрузки

I H (1) = cosI Rσ = 5,2630,8 = 6,579 А.

Ток индуктивности нагрузки

I L(1) = I H sin ϕH = 6,579 ×0,6 = 3,947 A.

Ток емкости

IC1 = IH (sin ϕH + cosϕH ×tgσ1 )

Угол инвертирования σ1, берем тоже из предыдущего расчета:

IC1 = 6.579(0.6 + 0.8×tg28.7°) = 6,833 A.

Ток преобразователя (он же ток емкости С2)

I1(1)

= IC 2(1)

=

IR

=

5.263

= 6,0 A.

cosσ

0.877

Используя формулу (3), найдем напряжение инвертора

U1

=

Ud

π

=

300 ×3.14

= 471,2 В.

cosσ

2

2

2

2 × 0.707

Из векторной диаграммы найдем величину напряжения на емкости С2:

	UC 2 =	U ii	=	106.46		= 150.56 В,
		1
		cosσ		0.707

где U1ii = U aб sin sin(σ -σ1 ) = 380sin(45 - 28.73) = 105,46 В.

Теперь, после того как токи и напряжения элементов схемы найдены, можем рассчитать значения этих элементов:

RH

=

U H

=

380

= 72.2 Ом,

IR

5.263

L =

X L

=

U H

=

380

= 0.307 Гн,

ω

3.947 ×314.16

где ω = 2πf , f = 50 Гц.

ILω

C

=

IC1

=

6.833

= 57,3 мкФ,

1

U H ω 380 ×314

C2

=

IC 2

=

6

= 127 мкФ.

UC2 ω

150.53×314

Так же, как и в предыдущей схеме, при постоянном cos φн соотношение параметров на-

грузки R = 235,62L .

1.2. РАСЧЕТ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

А. ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

В основе инвертора напряжения лежит принцип преобразования напряжения постоянно- го источника в переменное, с помощью электронных полностью управляемых ключей (тран- зисторов или двухоперационных тиристоров). Причем нагрузка, как правило, носит индук- тивный характер, а это значит, что в ней накапливается энергия, которую необходимо «сбра- сывать». С этой целью параллельно ключам инвертора ставят диоды, включенные встречно, через которые энергия из нагрузки сбрасывается в источник питания (рис. 3,а).

7

Исходные данные инвертора напряжения: Ud=300В; РН=1 кВт; cos φн =0,8; f=50 Гц Форма напряжения на нагрузке - меандр с амплитудой, равной Ud [4].

Его действующее значение

U H =

1

2πU H2 (ϑ)dϑ =

1

U d2

(2π - 0) = Ud .

2π

ò0

2π

Действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке [4]:

=

2

Ud

U H (1)

2

» 0.9Ud

= 300 ×0.9 = 270 В.

π

Погрешность – 10 %, поэтому можем рассчитать преобразователь аналогично инвертору

тока – методом первой гармоники.

Напряжения на элементах нагрузки (по векторной диаграмме (рис, 3,б)):

U R(1)

= U H cosϕH

= 270 × 0.8 = 216 В,

(7)

U L(1)

= U H sin ϕH

= 270 × 0.6 = 162 В.

(8)

Ток нагрузки

PH

1000

I H (1)

= I R =

=

= 4.63 А.

(9)

U R

216

Определив напряжения и токи элементов, найдем их параметры:

R =

U R

=

216

= 46,7 Ом,

(10)

4,63

I R

L =

U L

=

162

= 0,111 Гн.

(11)

I Lω

4,63×314

Соотношение параметров нагрузки при постоянном cos φн =0,8.

С помощью векторной диаграммы (рис.Зб) запишем выражение

tgϕ =

sin ϕ

=

U L

=

I L X L

=

X L

=

ωL

,

cosϕ

I R R

R

U R

R

при cos φн =0,8 sin φн =0,6 tgφн =0,75, учитывая это и ω=314,16 найдем соотношение

R = 418,7L .

(12)

Б. ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Трехфазный инвертор (рис.4) напряжения выполнен по мостовой схеме: нагрузка соеди- нена в звезду, продолжительность открытого состояния рабочих вентилей соответствует поло- вине периода λ=180° (180-градусное управление).

8

Каждая фаза либо включена параллельно с другой фазой и последовательно с третьей, либо последовательно с двумя другими фазами, соединенными параллельно. Поэтому к каж-

	дой фазе прикладывается напряжение, равное	U d	или	2Ud	(при равных сопротивлениях
		3		3

фаз), и фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму (рис. 5) .

Для питания 3-фазного инвертора напряжения необходим более мощный источник по- стоянного напряжения, чем в однофазных схемах, Им, как правило, является 3-фазный выпря- митель, выпрямленное напряжение которого приближенно равно 540 вольт. Поэтому исход- ные данные соответственно изменятся:

Ud=540В; РН=3 кВт; cos φн =0,8; f=50 Гц

Действующее значение фазного напряжения [4]
UФ =		2		Ud =		2	540 = 225 В.	(13)
	3				3

Коэффициент искажения данной формы напряжения [4]:

	KИ =	U	Ф(1)	=		3	≈ 0,955 .	(14)
		UФ			π

С помощью (13), (14) определим действующее значение первой гармоники фазного на- пряжения:

UФ(1) = KИUФ = π3 255 = 243,5 В.

9

Теперь аналогично однофазному инвертору напряжения определим токи и напряжения, а также значения элементов для одной из фаз данного преобразователя (7) – (12).

U Ra(1) = U Ha cosϕH = 243,5 ×0,8 = 194,8 В,

	U La(1)	= U Ha sin ϕH			= 243,5× 0,6 = 146,1 В.
	Ток нагрузки		PH a
	I H a(1)	= I R =		=		1000	= 5,13	А.
			U Ra		194,8

Определив напряжения и токи элементов, найдем их параметры

	R =		U R		=	194,8		= 38 Ом,
			I R			5,13
	L =		U L		=		146,1		= 0,09 Гн.
			I Lω			5,13×314

Соответственно в других фазах преобразователя параметры будут такими же. Соотношение параметров нагрузки при постоянном cos φн =0,8

R = 418,7L

Для регулирования качества и уровня выходного напряжения трехфазного инвертора на- пряжения применяют широтно-импульсное регулирование (ШИР), широтно-импульсное мо- делирование (ШИМ). В данном случае для ШИР мы будем менять длительность открытого состояния вентилей схемы, подавая на них управляющие импульсы соответствующей длины.

1.3. РАСЧЕТ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ

А. ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ИНВЕРТОР

Резонансные инверторы работают, как правило, на частоте несколько килогерц. Мы ос- тановимся на частоте f=2500 Гц. Нагрузка через трансформатор вводится параллельно индук- тивности, входящей в состав колебательного контура из LK и CK (рис. 6).

Для резонансных инверторов характерны два режима работы:

а) режим непрерывного тока нагрузки	f	< f0 < 2 f ;
б) режим прерывистого тока нагрузки	f0	> 2 f , где				f0 – собственная резонансная часто-
та выходной цепи, определяемая параметрами Lk и Сk следующим образом [5]:
ω0	=	1			,	(15)
			LK CK

где ω0 = 2πf0 .

В ходе лабораторной работы необходимо рассмотреть оба режима работы. За основной для расчета возьмем непрерывный режим, как наиболее часто используемый. Зададимся соб-

10