 |
шунтированием нагрузки в паузе
|
|
|
|
На рис. 4.6 приведены временные диаграммы реверсивного ШИМ с раздельным управлением и шунтированием нагрузки в паузе. При формировании положительного напряжения транзистор VT1 включен постоянно, а транзистор VT3 включается только при формировании положительного импульса. В паузе существует путь через транзистор VT1 и диод VD2 для замыкания тока нагрузки. Процесс рекуперации отсутствует, ток спадает с постоянной времени нагрузки.
Рис. 4.6. Диаграммы реверсивного ШИМ с раздельным
управлением и шунтированием нагрузки в паузе
При шунтировании нагрузки регулировочная характеристика не зависит от характера нагрузки и определяется выражением
. (4.5)
Усложняется алгоритм включения транзисторов, так как каждый их четырех транзисторов включается по своему отдельному алгоритму.
Уровень гармоник в напряжении нагрузки снижается в два раза
. (4.6)
Коэффициент пульсаций напряжения определяется уравнением
. (4.7)
4.1.4. Методика регистрации результатов
Выполнение лабораторной работы осуществляется с использованием электронного учебника «Силовая электроника», который читается русифицированным программным обеспечением MathCAD 11 или MathCAD 13. При выполнении отдельных пунктов лабораторной работы выбираются соответствующие модели реверсивного транзисторного ШИМ.
Временные диаграммы рекомендуется сохранять путем копирования экрана, обработкой в графическом редакторе Paint и помещение рисунка в Word. Следует выбирать масштаб в ПО MathCAD, обеспечивающий максимальный размер диаграмм. Для построения графиков предлагаются шаблоны, в которых необходимо заполнить массивы данных.
4.2. Программа лабораторной работы
|
|
|
Таблица 4.1
Варианты задания к исследованию реверсивного ШИМ
| № варианта | Совместное управление | Раздельное управление без шунтирования | Раздельное управление с шунтированием | ||||||
| QH0 | QH1 | QH2 | QH0 | QH1 | QH2 | QH0 | QH1 | QH2 | |
| 5.0 | 4.3 | 8.6 | 1.0 | 2.0 | |||||
| 4.0 | 8.0 | 3.3 | 6.6 | 1.28 | 2.56 | ||||
| 3.0 | 6.0 | 2.3 | 4.6 | 1.68 | 3.36 | ||||
| 4.5 | 9.0 | 5.0 | 2.0 | 4.0 | |||||
| 3.5 | 7.0 | 4.0 | 8.0 | 1.32 | 2.34 | ||||
| 2.5 | 5.0 | 3.0 | 6.0 | 1.6 | 3.2 | ||||
| 5.0 | 4.5 | 9.0 | 1.92 | 3.84 | |||||
| 4.2 | 8.4 | 3.5 | 7.0 | 1.12 | 2.24 | ||||
| 3.2 | 6.4 | 2.5 | 5.0 | 1.48 | 2.96 | ||||
| 4.7 | 9.4 | 5.0 | 1.88 | 3.76 | |||||
| 3.7 | 7.4 | 4.2 | 8.4 | 1.08 | 2.16 | ||||
| 2.7 | 5.4 | 3.2 | 6.4 | 1.8 | 3.6 | ||||
| 4.3 | 8.6 | 4.7 | 9.4 | 1.2 | 2.4 | ||||
| 3.3 | 6.6 | 3.7 | 7.4 | 1.52 | 3.04 | ||||
| 2.3 | 4.6 | 2.7 | 5.4 | 1.72 | 3.44 | ||||
| 4.6 | 9.2 | 4.6 | 9.2 | 1.4 | 2.8 |
4.2.1. Исследование реверсивного ШИМ с совместным управлением
· Для добротности QH =0 определить влияние напряжения управления и нагрузки на временные диаграммы напряжения и тока нагрузки. Зафиксировать временные диаграммы для двух напряжений управления, отличающихся величиной и знаком.
· Для добротности QH = QH1 определить влияние напряжения управления и нагрузки на временные диаграммы напряжения и тока нагрузки. Зафиксировать временные диаграммы для режима однополярного и разнополярного тока нагрузки.
· Для произвольных значений добротности и нагрузки снять и построить регулировочную характеристику UH=f(UУ), изменяя напряжение управления от -1 до +1.
· Для трех, заданных вариантом задания, значений добротности QH снять и построить зависимости коэффициентов пульсаций тока и напряжения от напряжения управления qI=f(UУ), qU=f(UУ). Ввиду симметрии зависимостей ограничится положительными значениями напряжения управления. Рекомендуется снять 11 точек для каждой зависимости.
|
|
|
4.2.2. Исследование реверсивного ШИМ с раздельным управлением без шунтирования нагрузки в паузе
· Изменяя добротность и напряжение управления определить их влияние на временные диаграммы ШИМ. Зафиксировать временные диаграммы для режима прерывистого и непрерывного тока нагрузки при обоих знаках напряжения управления.
· Для трех, заданных вариантом задания, значений добротности QH снять и построить зависимости напряжения нагрузки и коэффициентов пульсаций напряжения от напряжения управления UH=f(UУ), qU=f(UУ). Ввиду симметрии зависимостей ограничится положительными значениями напряжения управления. Рекомендуется снять 11 точек для каждой зависимости.
4.2.3. Исследование реверсивного ШИМ с раздельным управлением и шунтированием нагрузки в паузе
· Изменяя добротность и напряжение управления определить их влияние на временные диаграммы ШИМ. Зафиксировать временные диаграммы для нескольких режимов при обоих знаках напряжения управления.
· Для произвольных значений добротности и нагрузки снять и построить регулировочную характеристику UH=f(UУ), изменяя напряжение управления от -1 до +1.
· Для трех, заданных вариантом задания, значений добротности QH снять и построить зависимости коэффициентов пульсаций тока и напряжения от напряжения управления qI=f(UУ), qU=f(UУ). Ввиду симметрии зависимостей ограничится положительными значениями напряжения управления. Рекомендуется снять 11 точек для каждой зависимости.
4.2.4. Сравнительный анализ результатов исследования
Дать сравнительную оценку различных вариантов реверсивного ШИМ с точки зрения стабильности регулировочных характеристик и уровня пульсаций выходного напряжения и тока.
Контрольные вопросы
1. Как изменяется выходное напряжение компаратора (компараторов) в зависимости от напряжения управления в конкретной схеме управления реверсивным ШИМ?
2. Для каких вариантов ШИМ и зачем необходимы напряжения смещения на входе компараторов схемы управления?
3. Каков порядок работы полупроводниковых приборов в конкретной схеме ШИМ при различных режимах его работы?
4. Почему при наличии напряжения управления транзистор в импульсном усилителе мощности может остаться закрытым?
|
|
|
5. Почему регулировочная характеристика ШИМ с раздельным управлением без шунтирования нагрузки в паузе зависит от характера нагрузки?
6. Зачем нужны диоды в схеме импульсного усилителя мощности?
7. Чем объяснить характер изменения коэффициента пульсаций напряжения от напряжения управления для конкретной схемы ШИМ?
8. Что и каким образом влияет на коэффициент пульсаций по току в конкретной схеме ШИМ?
9. Какая методика используется для теоретического определения среднего значения напряжения (тока)?
10. Какая методика используется для теоретического определения гармонического состава выходного напряжения (тока)?
11. Что понимается под термином «Добротность нагрузки»?
12. Почему коэффициенты пульсаций при постоянстве добротности нагрузки не зависят от среднего значения тока?
Лабораторная работа № 5
ОДНОФАЗНЫЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР
ТОКА СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ
Цель работы. Ознакомится с принципами работы автономного инвертора на тиристорах. Изучить способы искусственной коммутации тиристоров. Получить понятия о влиянии параметров инвертора и нагрузки на временные и внешние характеристики инвертора.
5.1. Методические указания
5.1.1. Основные параметры однофазного инвертора тока
Ed, – е.д.с. источника постоянного напряжения, питающего инвертор, В.
RH – сопротивление нагрузки, Ом (емкость CK к нагрузке не относится).
Ld – индуктивность цепи постоянного тока, Гн.
CK – коммутирующая емкость, Ф.
fH – частота формируемого в нагрузке напряжения, Гц.
UН.ЭФ – действующее (эффективное) значение напряжения на нагрузке, В.
IН.ЭФ – действующее (эффективное) значение тока в нагрузке, А.
PH – активная мощность, выделяемая в сопротивлении нагрузки, Вт.
Id – среднее значение тока в цепи постоянного тока, А.
Pd – активная мощность источника постоянного тока, Вт.
– коэффициент нелинейных искажений напряжения на нагрузке.
5.1.2. Базовая схема однофазного параллельного инвертора
тока со средней точкой
Принципиальная схема однофазного параллельного инвертора тока с выводом средней точки трансформатора приведена на рис.5.1, а. Плюс питающего напряжения Ed приложен к средней точке трансформатора. Сопротивление нагрузки инвертора RH и коммутирующий конденсатор С К подключены к вторичной обмотке трансформатора w3 (возможно подключение конденсатора параллельно первичным обмоткам трансформатора).
|
|
|
Наличие трансформатора со средней точкой позволяет уменьшить число тиристоров до двух и упрощает схему управления тиристорами. Индуктивность Ld обеспечивает сглаживание входного тока инвертора, то есть делает его инвертором тока. Схема управления тиристорами (на рис.5.1, а не показана) формирует для каждого тиристора управляющие импульсы длительностью, равной половине периодаформируемого инвертором напряжения.
Для упрощения дальнейшего анализа схемы будем считать, что:
а) се обмотки трансформатора одинаковы и 
;
б) ток в индуктивности Ld практически не меняется и равен Id.
Рис.5.1. Автономный параллельный инвертор со средней точкой:
а) - принципиальная схема;
б) - схема замещения для первого интервала.
Так как схема симметрична, ограничимся анализом ее работы от момента включения тиристора VS1 до момента включения тиристора VS2.
В исходном состоянии открыт тиристор VS2, емкость СК заряжена до напряжения питания с полярностью, показанной без скобок. При включении тиристора VS1 к катоду тиристора VS2 прикладывается (через трансформатор) отрицательное напряжение конденсатора СК, которое его закрывает. После запирания тиристора VS2 и отпирания тиристора VS1 схема замещения инвертора соответствует рис.5.1, б. Напряжение на нагрузке и конденсаторе СК, при условии, что положительное напряжение на емкости СК указано в скобках, а положительный ток в индуктивности совпадает с током открытого тиристора VS1, описывается уравнением
, где (5.1)
UCO – начальное напряжение на емкости (предстоит еще найти),
– установившееся (при 
) напряжение на емкости,
ТК = RHCК – постоянная времени цепи коммутации. На конец интервала при t = T/2,где T - период формируемого напряжения, ввиду симметрии процесса выполняется условие UCк(T/2) = – UCO. Для упрощения формы записи уравнений введем обозначение
d = exp(-T /2TK) (5.2)
Разрешив уравнение (5.1) относительно напряжения UC 0, получим
. (5.3)
Время, предоставляемое для запирания тиристора, это время, в течение которого на тиристоре и, соответственно, конденсаторе СК присутствует отрицательное напряжение. Из уравнения (5.1) с учетом уравнения (5.2) легко найти время t3, предоставляемое для запирания тиристора, определив, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе станет равным нулю
|
|
|
,
с учетом уравнения (5.2) 
, отсюда
. (5.4)
Средний ток в цепи постоянного тока и индуктивности Ld практически не зависит от величины индуктивности, но зависит от сопротивления нагрузки и величины коммутирующей емкости и равен
. (5.5)
Напряжение на нагрузке сильно зависит от величины сопротивления нагрузки и возрастает с его увеличением. Схема оказывается неработоспособной на холостом ходу. Срыв работы наступает и при существенном уменьшении сопротивления нагрузки, так как при этом уменьшается время, предоставляемое для запирания тиристоров, и тиристоры не успевают закрыться. Указанные недостатки ограничивают область применения рассмотренной схемы.
Диаграммы напряжений и токов элементов схемы инвертора при абсолютно сглаженном токе Id (бесконечном значении индуктивности Ld) приведены на рис. 5.2, а при конечном значении индуктивности Ld на рис. 5.3. Видно, что при уменьшении величины индуктивности Ld, переходные процессы после включения очередного тиристора носят колебательный характер, а полученные ранее аналитические зависимости (5.1),…,(5.5) перестают соответствовать реальным процессам в инверторе.
Рис.5.2. Диаграммы токов и напряжений инвертора
при абсолютно сглаженном токе Id;
Рис.5.3. Диаграммы токов и напряжений инвертора
при конечном значении индуктивности Ld
Схема рис. 5.1, а считается базовой схемой однофазного параллельного инвертора тока со средней точкой, а реальное применение нашли ее модификации, обладающие улучшенными характеристиками.
5.1.3. Однофазный параллельный инвертор тока с выводом
|
|
|
