labor_posob_part-2

ственной частотой преобразователя f0=2500 Гц и индуктивностью LK=0,001 Гн и с помощью (15) найдем емкость

Ck =	1	=	1		=	1		= 4,0 ×10−6 Ф.
	ω02 Lk		(2πf0 )2			(2π × 2500)2 × 0,001
				Lk

Для простоты расчета возьмем трансформатор с коэффициентом трансформации KT=1 (Ll=L2=M). Сопротивление нагрузки возьмем R=100 Ом.

Б. ОДНОФАЗНЫЙ ПОЛУМОСТОВОЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ИНВЕРТОР С РАСЦЕПЛЕННОЙ КОММУТИРУЮЩЕЙ ЕМКОСТЬЮ

В данной схеме (рис. 7) вдвое уменьшено количество тиристоров и диодов с помощью емкостного делителя, который выполняет две функции:

–является элементом колебательного контура;

–позволяет использовать источник питания без средней точки.

Причем Сk =Ck1+Ck2 – емкость мостового инвертора разделена на две равные.

Воспользуемся расчетом мостового резонансного инвертора и при таких же исходных

данных: Ud=300В, f=2 кГц, f0=2,5 кГц получим LK=0,001 Гн, Сk1=Сk2=Сk/2=2,0 мкФ, KT=1, R=100 Ом.

1.4. РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ИППН)

А. ОДНОТАКТНЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ИППН

На рис. 8 показана схема понижающего преобразователя с диаграммами основных токов и напряжений для режима непрерывного тока [6].

Схему замещения можно представить в виде генератора прямоугольных импульсов на входе и низкочастотного фильтра на выходе с подключенной к нему нагрузкой.

Максимальное напряжение на нагрузке UH=Ud=300 В при t1=T. Коэффициент заполне-

ния (относительная длительность управляющих импульсов) γ = Tt1 = 1.

11

При уменьшении длительности управляющих импульсов напряжение на нагрузке будет уменьшаться. Коэффициент передачи напряжения ППН схемы

K П = U H = γ . Ud

Рассчитаем элементы схемы при t1=T. Исходные данные: UH =Ud=340В; РН=1 кВт; f=10

кГц.

Параметры нагрузки (в номинальном режиме):

I H	=			PH			=		1000		= 3,33 А,
			U H
								300
R =		U H				=		300		= 90 Ом.
								3,33
			I H

Параметры L–C фильтра выбираем так, чтобы погасить пульсации выходного напряже- ния. В данной схеме для уменьшения уровня пульсаций в 100 раз выберем элементы фильтра следующим образом: в 10 раз будем уменьшать пульсации за счет индуктивности и в 10 раз за счет емкости, что, в свою очередь, означает

X L

= ωL = 10R =

90 ×10 = 900 Ом

и

X C =

1

=

R

=

90

= 9 Ом ,

ωC

10

10

откуда

C =

1

=

1

= 1,8 ×10−6

и

L =

900

= 0,014 Гн.

9ω

9 × 2π ×10000

2π ×10000

Б. ОДНОТАКТНЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ИППН

Структура данного преобразователя (рис. 9) более сложная и не может быть сведена к системе: генератор прямоугольных импульсов — низкочастотный фильтр. Однако с учетом некоторых допущений можно воспользоваться той же методикой [6,7].

Для расчета возьмем следующие исходные данные: UH =400В; РН=1 кВт; f=10 кГц.

12

Коэффициент передачи напряжения ППН схемы

K П =

U H

=

1

, где γ ′ = γ −1 - относи-

γ ¢

тельная длительность проводимости диода.

U d

Параметры нагрузки (в номинальном режиме):

I H =

PH

=

1000

= 2,5 А,

U H

400

R =

U H

=

400

= 160 Ом.

I H

2,5

Для расчета индуктивности воспользуемся эквивалентной индуктивностью LЭ, пересчи-

танной в выходную цепь LЭ = (γL¢)2 .

Так же как и в предыдущей схеме, найдем индуктивность LЭ, а затем посчитаем L. Одна- ко на интервале проводимости транзистора (длительностью t1) дроссель отключен от выход- ной цепи, энергия в нагрузку поступает только от конденсатора С, поэтому для получения на выходе преобразователя малых пульсаций необходимо, чтобы емкость этого конденсатора была возможно большей.

Исходя из приведенных выше соображений найдем L и С:

X L

= ωLЭ

= 10R = 10 ×160 = 1600 Ом

и

X C

=

1

=

R

=

160

= 1,6 Ом ,

100

откуда

ωC

100

C =

1

=

1

= 10,0 ×10−6

и

L =

1600

= 0,025 Гн.

1,6ω

1,6

× 2π ×10000

2π ×10000

Для того чтобы найти L, найдем γ ′:

γ ¢ =

Ud

=

300

= 0,75 ,

U H

400

γ ′ = γ −1 = 1− 0,75 = 0,25 ,

L = LЭ (γ ¢)2 = 0,025 ×(0,75)2

= 0,014 Гн.

В. ОДНОТАКТНЫЙ ПОВЫШАЮЩЕ-ПОНИЖАЮЩИЙ ИППН

Этот преобразователь также часто называют инвертирующим, так как он меняет поляр- ность напряжения на нагрузке (рис. 10).

Данная схема по протекающим процессам более похожа на повышающий ИППН, поэто- му его расчет произведем аналогично: UH =400В; РН=1 кВт; f=10 кГц.

Коэффициент передачи напряжения ППН схемы

13

K П

=

U H

=

γ

.

Ud

1

-γ

Параметры нагрузки (в номинальном режиме):

I H =

PH

=

1000

= 2,5 А,

U H

400

R =

U H

=

400

= 160 Ом.

I H

2,5

Для расчета индуктивности опять воспользуемся эквивалентной индуктивностью LЭ, пе-

ресчитанной в выходную цепь L

Э

=

L

. Так же как и в предыдущей схеме, найдем индук-

¢

2

(γ )

тивность LЭ, и емкость С, а затем рассчитаем L.

R

X L

= ωLЭ

= 10R = 10 ×160 = 1600 Ом

и

X C

=

1

=

=

160

= 1,6 Ом ,

ωC

100

откуда

100

C =

1

=

1

= 10,0 ×10−6

и

L =

1600

= 0,025 Гн.

1,6ω

1,6

× 2π ×10000

2π ×10000

Для того чтобы найти L, найдем γ ′:

γ ′ = 1− γ ,

1-γ

=

U d

=

300

= 0,75 ,

U H

γ

400

1

= 1,75 Þ γ = 0,57 ,

γ

γ ′ = 1− γ = 1− 0,57 = 0,43,

L = LЭ (γ ¢)2 = 0,025 ×(0,43)2 = 0,0046 Гн.

14

2. МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТОРОВ ТОКА

Цель работы. Исследовать модели параллельного и последовательно-параллельного од- нофазных мостовых инверторов тока (ИТ) (рис. 11).

Исходные данные

Оба инвертора тока имеют следующие одинаковые параметры: E=300 В, РH=2 кВт,

UH=380 B, f=50 Гц, cosϕН = 0,8, R=72 Ом, L=0,3 Гн, C=C1=57 мкФ.

Предварительный расчет

1.Для параллельного ИТ (рис. 11,а) необходимо найти угол инвертирования σ.

2.Для последовательно-параллельного ИТ (рис. 11,б), задавшись σ =45° , найти величину емкости С2.

3.Определить соотношение между параметрами нагрузки при постоянном cosϕН = 0,8 и

привести его к виду R=kL, где k – число.

Программа работы

1.Задать параметры элементов схемы.

2.Задать параметры выводимой графической информации.

3.Получить мгновенные значения напряжений и токов для характерных элементов схе- мы. Распечатать графики на принтере.

4.С помощью моделирования с варьированием параметров, получить внешнюю характе- ристику (при этом параметры нагрузки должны меняться согласно соотношению п.3 предва- рительного расчета). Распечатать табличные значения и график.

5. Рассчитать коэффициент искажения (KИ) напряжения нагрузки KИ	=	U H (1)		=	U	H	(1)m	,
			U H
						2U H

определив необходимые величины с помощью меню «интегральные значения» и «спектраль- ный анализ».

6. Определить интегральные коэффициенты гармоник тока на выходе вентильного моста

(на Rд) K Г , K Г(2) .

7. Построить график зависимости коэффициента гармоник напряжения (KГ) от парамет- ров нагрузки (параметры взять такими же, как при построении внешней характеристики), рас-

считав его с помощью выражения

15

U

U 2

−U(1)2

U 2

K Г =

Г

=

=

−1 =

1

−1 .

U(1)

U(1)

U(1)2

K

И2

8. Пункты 1-7 выполнить для обеих схем инверторов.

Контрольные вопросы

1.Область применения инверторов тока.

2.Почему данные схемы называются инверторами тока?

3.Какова роль конденсатора(ов) в инверторе тока?

4.Как рассчитать конденсатор в параллельном инверторе тока?

5.Нарисовать схему параллельного ИТ и пояснить его работу эпюрами токов и напряже-

ний.

6.Нарисовать схему последовательно-параллельного ИТ и пояснить его работу эпюрами токов и напряжений.

7.Нарисовать эквивалентную схему параллельного инвертора и соответствующую ей векторную диаграмму.

8.Нарисовать эквивалентную схему последовательно-параллельного инвертора и соот- ветствующую ей векторную диаграмму.

9.Какую роль в инверторах тока играет угол инвертирования а, из каких соображений он выбирается?

10.Чем ограничивается диапазон нагрузок в параллельном ИТ?

11.Какие ограничения возникают в последовательно-параллельном ИТ при увеличении и уменьшении нагрузки?

12.Как выглядят внешние характеристики в данных инверторах?

13.Объясните различия внешних характеристик схем.

14.В чем преимущество последовательно-параллельного инвертора по сравнению с па- раллельным инвертором?

15.Как рассчитать сглаживающий фильтр источника тока?

16.Как оценить коэффициент гармоник в данных схемах?

17.Как определяются интегральные коэффициенты гармоник тока (напряжения)?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы. Исследовать модели однофазного и трехфазного мостовых инверторов на- пряжения (рис. 12, 13).

16

Транзисторы данных схем смоделированы последовательным включением ключа и дио- да. Сопротивление Rд1 необходимо для регистрации фазного напряжения нагрузки.

Исходные данные

3. Однофазный инвертор напряжения (ИН) имеет следующие параметры: E=300 В, РH=1

кВт, f=50 Гц, cosϕН = 0,8, R=47 Ом, L=0,11 Гн.

2. Параметры трехфазного ИН: E=540 В, РH=3 кВт, f=50 Гц, cosϕН = 0,8, R=38 Ом, L=0,09 Гн, α = 180° (длительность открытого состояния каждого из вентилей).

Предварительный расчет

1.Для обеих схем определить коэффициент искажения напряжения нагрузки.

2.Определить соотношение между параметрами нагрузки при постоянном cosϕН = 0,8 и

привести его к виду R=kL, где k – число.

Программа работы

1.Задать параметры элементов схемы.

2.Задать параметры выводимой графической информации.

3.Получить мгновенные значения напряжений и токов для характерных элементов схе- мы. Распечатать графики на принтере.

4.С помощью моделирования с варьированием параметров получить внешнюю характе- ристику (при этом параметры нагрузки должны меняться согласно соотношению п.2 предва- рительного расчета). Распечатать табличные значения и график.

5.Определить интегральный коэффициент гармоник напряжения инвертора Кг.

6. Рассчитать коэффициент искажения (KИ) напряжения нагрузки KИ	=	U H (1)		=	U H (1)m
			U H
						2U H

определив необходимые величины с помощью меню «интегральные значения» и «спектраль- ный анализ».

7.Построить график зависимости коэффициента гармоник (KГ) от параметров нагрузки (параметры взять такими же, как при построении внешней характеристики), рассчитав его с

помощью выражения

8.Пункты 1-7 выполнить для обеих схем инверторов.

Для трехфазного инвертора напряжения:

9. Построить график зависимости первой гармоники напряжения нагрузки от величины сигнала Uz, меняющего глубину модуляции преобразователя.

U

U 2

−U(1)2

U 2

K Г =

Г

=

=

−1 =

1

−1

U(1)

U(1)

U(1)2

K

И2

Контрольные вопросы

1.Область применения инверторов напряжения (ИН).

2.Почему данные схемы называются инверторами напряжения?

3.Какова роль конденсатора в инверторе напряжения, в каком месте он ставится?

4.Требования, предъявляемые к ключам инверторов напряжения.

5.Нарисовать схему однофазного ИН и пояснить его работу эпюрами токов и напряже-

ний.

6. Нарисовать схему трехфазного ИН и пояснить его работу эпюрами токов и напряже-

ний.

7.Как выглядят внешние характеристики в ИН?

8.Как рассчитать сглаживающий фильтр источника напряжения?

9.Как оценить коэффициент гармоник в данных схемах?

10.Как определяется интегральный коэффициент гармоник напряжения?

17

11.Какую роль в ИН играют диоды?

12.Поясните принцип широтно-импульсного регулирования (ШИР).

13.Для каких целей применяют ШИР в ИН? Объясните на примере трехфазного ИН, ис- следуемого в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Цель работы. Исследовать модели однофазных мостовой и полумостовой схем резо- нансных инверторов (рис. 14).

Исходные данные

Оба инвертора тока имеют следующие одинаковые параметры: E=300 В, РH=1 кВт, f=2

кГц, f0=2,5 кГц, R=100 Ом, L=0,001 Гн.

Предварительный расчет

1.Для указанных схем РИ (рис. 14) необходимо найти величины емкостей колебательно- го контура, задавшись собственной частотой f0.

2.Выполнить п.1 для f0=5 кГц.

Программа работы

1.Задать параметры элементов схемы.

2.Задать параметры выводимой графической информации.

3.Получить мгновенные значения напряжений и токов для характерных элементов схе- мы в двух режимах:

– непрерывном (f0=2,5 кГц);

– прерывистом (f0=5 кГц). Распечатать графики на принтере.

4.С помощью моделирования с варьированием параметров получить внешнюю характе- ристику при работе инвертора в непрерывном режиме. Распечатать табличные значения и гра- фик.

5. Рассчитать коэффициент искажения (Ки) напряжения нагрузки KИ	=	U H (1)		=	U	H	(1)m	,
			U H
						2U H

определив необходимые величины с помощью меню «интегральные значения» и «спектраль- ный анализ».

6. Определить интегральный коэффициент гармоник напряжения K Г на выходе вен- тильного моста (на Rд).

18

7. Построить графики зависимости коэффициентов гармоник KГ и K Г от параметров

нагрузки (параметры взять такими же, как при построении внешней характеристики), посчитав

его с помощью выражения

U

U 2

−U(1)2

U 2

K Г =

Г

=

=

−1 =

1

−1

U(1)

U(1)

U(1)2

K

И2

K Г = U ВГ ω

U(1)

8. Пункты 1-7 выполнить для обеих схем инверторов.

Контрольный вопросы

1.Область применения резонансных инверторов (РИ).

2.Почему данные схемы называются резонансными инверторами?

3.Какие режимы работы исследовались в данной работе, в чем их различие, как выбрать тот или иной режим?

4.Как зависит собственная частота от величин элементов резонансного контура?

5.Нарисовать схему мостового РИ и пояснить его работу эпюрами токов и напряжений.

6.Нарисовать схему полумостового РИ с емкостным делителем и пояснить его работу эпюрами токов и напряжений.

7.Как выглядят внешние характеристики в РИ?

8.Назовите различия между изучаемыми схемами.

9.Назовите «плюсы» и «минусы» изучаемых схем.

10.Как оценить коэффициент гармоник в данных схемах?

11.Какую роль в РИ играют диоды?

12.Как подключена нагрузка в исследованных РИ? Почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ИППН)

Цель работы. Исследовать модели однотактных ИППН (рис. 15).

Исходные данные

Все схемы ИППН имеют следующие одинаковые параметры: E=300 В, РH=1 кВт, fу=10

кГц.

Остальные параметры схем различаются: 1) понижающий ИППН (рис.15,а)

U H = 150 B, R = 90 Ом, C = 1,8 мкФ, L = 0,014Гн; 2) повышающий ИППН (рис.15,б)

U H = 400 B, R = 160 Ом, C = 10 мкФ, L = 0,014Гн; 3) инвертирующий ИППН (рис.15,в)

U H1 = 400 B, U H 2 = 200B, R = 160 Ом, C = 10 мкФ, L = 0,0046Гн;

19

Предварительный расчет

Для указанных схем ИППН (рис. 15) необходимо найти коэффициенты заполнения (от- носительную длительность управляющих импульсов) для напряжений нагрузки, указанных выше.

Программа работы

1.Задать параметры элементов схемы.

2.Задать параметры выводимой графической информации.

3.Получить мгновенные значения напряжений и токов для характерных элементов схе- мы. Распечатать графики на принтере.

4.С помощью моделирования с варьированием параметров получить внешние характе- ристики при работе преобразователей в заданных режимах. Распечатать табличные значения и графики.

5.Аналогично получить и распечатать регулировочные характеристики ИППН.

6.Определить интегральный коэффициент гармоник напряжения K Г и K Г(2) на входе LС-фильтра в схеме рис. 15,а.

Контрольные вопросы

1.Область применения импульсных преобразователей постоянного напряжения (ИППН).

2.Принцип работы ИППН.

3.Каким образом выбираются элементы LC-фильтра в рассмотренных схемах?

4.Нарисовать схему понижающего ИППН и пояснить его работу эпюрами токов и на- пряжений.

5.Нарисовать схему повышающего ИППН и пояснить его работу эпюрами токов и на- пряжений,

6.Нарисовать схему повышающего ИППН и пояснить его работу эпюрами токов и на- пряжений.

7.Нарисовать схему инвертирующего ИППН и пояснить его работу эпюрами токов и на- пряжений.

8.Записать и объяснить различия коэффициента передачи (Кп) схем ИППН по напряже-

нию.

9.Как выглядят внешние характеристики в ИППН?

10.Назовите различия между изучаемыми схемами.

11.Назовите «плюсы» и «минусы» изучаемых схем.

12.Как оценить пульсации выходного напряжения в данных схемах?

13.Какую роль в ИППН играют диоды?

20