Режим прерывистого тока в дросселе

Если ток нагрузки I_нг < I_нг.кр при заданной индуктивности дросселя, либо L < L_кp при заданном токе нагрузки, то преобразователь переходит в режим прерывистых токов в дросселе [5]. Для этого случая регулировочная характеристика преобразователя отличается от его регулировочной характеристики в режиме непрерывных токов и может быть получена в предположении, что I_min = 0. Обозначая время проводящего состояния диода через t′_п и полагая, что к концу работы шунтирующего диода в этом режиме ток в обмотке дросселя, i_др.2, при t=t_п' равен 0, находим

t′_п = (U_п – U_нг)t_и/U_нг.

Среднее значение тока в нагрузке за период Т найдем в виде

Отсюда после умножения обеих частей равенства на сопротивление нагрузки R_нг и ряда преобразований получим регулировочную характеристику регулятора в режиме прерывистого тока

(8.9)

где τ_{др нг} = L/R_нг.

Регулировочная характеристика изображена на рис. 8.7 для двух значений τ_др.нг штриховыми линиями 2 и 3. Видно, что режим непрерывных токов в дросселе наступает тем раньше, чем больше τ_{др нг}. Заменив левую часть уравнения (8.9) на γ, находим значение γ_кр, при котором наступает критический режим:

γ _кр = 1 - 2τ_{др нг}ƒ. (8.10)

Рис.8.7 –Регулировочные характеристики ОШИП:

1 — для основной схемы регулятора в режиме непрерывного тока;

2 и 3 — то же в режиме прерывистого тока при двух значениях τ_др.нг1 и

τ_др.нг2 > τ_др.нг1

Раскрывая τ_{др нг} и заменяя R_нг = U_нг/I_нг, преобразуем выражение (8.9) к виду

U_нг/U_п = Ū_нг = γ²/ [γ² – (2LI_нгƒ/U_вх)], (8.11)

который является по существу внешней характеристикой идеального ОШИП в режиме прерывистого тока. Эти характеристики при различных значениях γ показаны в относительных единицах на рис. 8.8. При I_нг > I_нг.кр внешняя характеристика идеального ОШИП не зависит от тока нагрузки (сплошные линии в области 2). Отметим, что идеальным преобразователем принято считать преобразователь без потерь мощности на элементах схемы.

Внешняя характеристика реальногоОШИПв режиме непрерывного тока зависит от тока нагрузки и при I_нг > I_нг.кр, что обусловлено наличием активного сопротивления обмотки дросселя R_L [5]. Эту характеристику ОШИП определим из условия равенства вольт - секундных площадей в установившемся режиме, действующих на индуктивности дросселя на интервалах t_и и t_п, в предположении, что сопротивление обмотки дросселя R_L отлично от нуля. Тогда

(U_вх - U_нг – I_нгR_сх)t_и = (U_нг+ I_нгR_сх)t_п,

откуда

U_нг/U_вх = γ – I_нгR_сх/U_вх, (8.12)

где R_сх – активное сопротивление элементов схемы, по которым течет ток нагрузки. В данной схеме R_сх равно активному сопротивлению обмотки дросселя, т.е. R_сх = R_L.

Эти характеристики показаны на рис. 8.8 штриховыми линиями в области 2.

Рис. 8.8- Внешние характеристики ОШИП при различных γ для режимов прерывистого (область 1) и непрерывного (область 2) тока

Выходное сопротивление ОШИП

R_вых=-δU_н/ δI_н= R_сх.

Пульсации выходного напряжения. При расчете сглаживающего фильтра всегда необходимо установить значения коэффициента пульсаций напряжения на входе фильтра k_п1 и коэффициента пульсаций напряжения на выходе фильтра k_п2.

Коэффициент пульсаций напряжения на входе сглаживающего фильтра без учета падения напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя определяется отношением амплитуды основной (первой) гармоники переменной составляющей напряжения пульсаций U_{п m(1)} к среднему значению выходного напряжения преобразователя U_нг т.е.

k_п1= U_{п m(1)}/ U_нг.

Поскольку U_{п m(1)}=[2/π]U_вхsin (180^оγ) [4],

а U_нг= U_вхγ, то коэффициент пульсаций на входе фильтра

k_п1 = [2/(πγ)]sin (180^оγ). (8.13)

Зависимость амплитуды пульсаций напряжения нагрузки, которое равно амплитуде пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра С₂, ΔU_C2, от параметров фильтра можно установить, определив заряд ΔQ в фильтрующем конденсаторе С₂, обусловливающий изменение выходного напряжения от минимального его значения до максимального [4]:

ΔQ=[0,5(U_вх-U_нг)t_и/2L]T/2.

Учитывая, что ΔQ = С₂ ΔU_C2, находим

ΔU_С2 = U_вхγ(1-γ)/(8LC₂f²) = U_нг(1-γ)/(8LC₂f²). (8.14)

Из соотношения (8.14) легко определить величину коэффициента пульсаций k_п2 при уже известных параметрах сглаживающего фильтра, значении частоты f и значении коэффициента скважности γ:

k_п2 = (1- γ)/( 8LC₂f²). (8.15)

Порядок выполнения работы:

1.Изучить краткие теоретические сведения о широтно - импульсных

преобразователях.

2. Теоретически построить регулировочные характеристики для однотактного ШИП для заданного типа нагрузки:

- для активной нагрузки;

- для активно-индуктивной нагрузки.

3. Исследовать работу однотактного ШИП на активную нагрузку.

4. Исследовать работу однотактного ШИП на активно-индуктивную нагрузку.

5. Сравнить экспериментально снятые регулировочные характеристики

по п. 3, 4 с теоретически построенными по п.2 и сделать выводы.

6. Оформить отчет по лабораторной работе.

Описание универсального лабораторного стенда [1].

Для проведения необходимых экспериментальных исследований универсальный лабораторный стенд в своем составе имеет трехфазный широтно-импульсный преобразователь, в состав которого входят два широтно – импульсных преобразователя:

- двухтактный ШИП;

- однотактный ШИП.

Двухтактный ШИП представляет собой мост на IGBT-транзисторах, собранных в одном силовом модуле. Два плеча моста используются для получения реверсивного ШИП для питания якоря ДПТ НВ электромашинного агрегата, входящего в состав стенда.

Оставшееся плечо, состоящее из двух транзисторов используется в стенде в качестве однотактного нереверсивного ШИП и применяется для питания обмотки возбуждения ДПТ НВ.

Схема силовой части трехфазного широтно-импульсного преобразователя приведена на рис. 8.9.

Отметим особенность управления транзисторов двухтактного ШИП для управления IGBT-транзистором нужно напряжение. Поскольку верхний транзистор каждого плеча моста включается от конденсатора, который требуется периодически заряжать, в алгоритм работы системы управления ШИП необходимо ввести дополнительную операцию. Реальная работа транзисторов одного плеча ШИП на интервале заряда конденсатора имеет следующий вид:

- нижний транзистор– открывается на короткие промежутки времени для заряда конденсатора.

- верхний транзистор – закрывается на время «открыт нижний транзистор

плюс интервал паузы для защиты от токов короткого замыкания».

Рис.8.9 – Схема силовой части трехфазного ШИП

Универсальный стенд позволяет исследовать работу однотактного ШИП на активную, активно-индуктивную и двигательную (активно-индуктивную с противо - ЭДС) нагрузку.

Для проведения необходимых измерений в состав универсального стенда

входят измерительные приборы, позволяющие измерять действующие и

средние значения постоянного и переменного тока и напряжения. Для измерения параметров цепи переменного тока, питающей ШИП, дополнительно включен измерительный комплект К – 50 (см. рис.8.10).

Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и

передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.

Для более детального исследования работы трехфазного широтно -

импульсного преобразователя необходим осциллограф (желательно с памятью).