Исследование двухтактного широтно - импульсного преобразовыателя

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы двухтактных широтно-

импульсных преобразователей

2. Изучить регулировочные характеристики двухтактного широтно-

импульсного преобразователя

3. Экспериментально исследовать работу двухтактного широтно-

импульсного преобразователя на активную, активно - индуктивную и

двигательную нагрузку на универсальном лабораторном стенде "Основы

электропривода и преобразовательной техники"

Краткие теоретические сведения [5].

Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного и

переменного тока должны характеризоваться следующими основными свойствами:

- двусторонней проводимостью энергии между источником питания и

исполнительным двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, для

обеспечения его работы во всех квадрантах механической характеристики;

- малым и не зависящим от тока выходным сопротивлением для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном

счете, для получения хороших статических и динамических характеристик

электропривода в целом;

- жесткой внешней характеристикой и малой инерционностью, высоким

КПД, достаточной перегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода;

- высокой помехозащищённостью и надежностью;

- малой массой и габаритами; отсутствием влияния на сеть.

Основным назначением полупроводникового преобразователя является

регулирование скорости исполнительного двигателя электропривода. В электроприводах постоянного тока это достигается регулированием напряжения на выходе преобразователя.

Перечисленным основным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют транзисторные преобразователи, работающие в режиме переключения и питающиеся от источника постоянного напряжения. Такие преобразователи в электроприводах постоянного тока получили название широтно-импульсных (ШИП).

ШИП подразделяются на однотактные и двухтактные. Современные однотактные и двухтактные ШИП выполняются на транзисторах, работающих в ключевом режиме.

Двухтактные преобразователисодержат в своем составе четыре транзистора, включенных по мостовой схеме, рис.9.1, а. Двухтактные ШИП в отличии от однотактных ШИП не только регулируют величину выходного напряжения, но и изменяют его знак. Поэтому такие преобразователи часто называют реверсивными.

Существует три способа управления ШИП:

– симметричный способ управления;

– несимметричный способ управления;

– комбинированное (поочередное) управление.

В лабораторном стенде реализованы два первых способа, а именно:

симметричный и несимметричный. Рассмотрим далее эти два способа.

Симметричный способ управления. Временные диаграммы, поясняющие реализацию этот способ, приведены на рис. 9.1, б и в. При этом способе управления импульсы управления поступают на все четыре транзистора мостовой схемы, причем транзисторы одной диагонали моста (VT1, VТ4 или VT2, VT3) управляются одинаковыми знакопеременными импульсами управления (u_у1=u_у4 или u_у2=u_у3). Сигналы управления u_у2, u_у3 находятся в противофазе сигналам управления u_у1, u_у4. (см. рис.9.1, б). Относительная продолжительность включенного состояние транзисторов VT1, VT4 cоставляет γ, а транзисторов VT2, VT3 t₂/Т=(Т-t₁)/T=1-γ.

Параметр γ=t₁/Тназывается коэффициентом скважности.

Напряжение на нагрузке положительно при работе транзисторов VT1, VT4 и отрицательно при работе транзисторов VT2, VT3.

При симметричном способе управления напряжении на выходе ШИП имеет двухполярную форму.

Среднее значение выходного напряжения ШИП при симметричном способе управления

(9.1)

Формула (9.1) является выражением регулировочной характеристики двухтактного ШИП при симметричном способе управления.

Из (9.1) следует, что среднее значение выходного напряжения ШИП равно нулю при γ=0,5, т.е. при t₁=t₂.

При двигательной нагрузке выходное напряжение ШИП подается на обмотку якоря. На рис.9.1, в приведены временные диаграммы напряжения якоря u_я и ток обмотки якоря i_я. При включении транзисторов VT1, VT4 ток обмотки якоря i₂ нарастает (интервалы 1–2–3, рис.9.1, б). В точке 3 транзисторы VT1, VT4 закрываются. Двигатель на интервале (1-γ)Т работает в режиме противовключения, возникающий при этом тормозной момент уменьшает скорость вращения двигателя.

В зависимости от величины и характера момента нагрузки, величины коэффициента γ и электромагнитной постоянной времени Т_э=L_я/R_я машина может работать при непрерывных токах якоря в двигательном режиме, непрерывных тормозных токах и переменных токах якоря.

Среднее значение тока якоря

. (9.2)

Выражение механической характеристики электропривода

(9.3)

где

U_п – напряжение источника питания ШИП;

Ω₀ =U_п/ k_Е – угловая скорость вращения двигателя в режиме холостого хода;

R_я – активное сопротивление обмотки якоря;

k_Е=С_ЕФ – коэффициент ЭДС двигателя;

С_Е – конструктивный коэффициент двигателя.

На рис.9.2, а приведено семейство электромеханических характеристик ν=f(I_я) при симметричном способе управления,

где ν= Ω/Ω_{0 ном} – относительная угловая скорость или относительная частота вращения. Электромеханические характеристики электропривода постоянного тока ν=f(I_я) линейны и непрерывны в смежных квадрантах. Штриховыми линиями на рис. 9.2, а показана область переменных токов якоря.

Кроме отмеченного достоинства ЭП с ШИП при двухполярном выходном напряжении отличается хорошими динамическими и регулировочными характеристиками и простотой схемы управления. Его недостатками являются большая глубина пульсаций напряжения якоря и тока якоря, повышенные потери в магнитопроводе якоря и ухудшенные условия коммутации тока в двигателе.

Симметричный способ управления находят применение в маломощных ЭП с частыми пусками, торможениями и реверсами, например, в ЭП роботов.

Несимметричный способ управления. Временные диаграммы, поясняющие этот способ, приведены на рис.9.1, в и г. При несимметричном способе управления переключаются лишь два транзистора из четырех транзисторов мостовой схемы. Из двух других оставшихся транзисторов один должен быть постоянно закрыт, а другой – постоянно открыт. Рассмотрим случай, когда переключаются транзисторы VT1 и VT2, транзистор VT3 заперт, а транзистор VT4 открыт (см. рис.9.1, г). Напряжение на якоре двигателя при этом имеет вид однополярных широтно– модулированных повторяющихся импульсов (см. рис.9.1, г), частота следования которых равна частоте импульсов управления u_у(t), подаваемых на базы транзисторов схемы. Преобразователь в этом случае работает в режиме однополярного выходного напряжения.

Выходное напряжение ШИП при несимметричном способе управления

U_вых=U_пt_и/Т=U_пγ. (9.4)

Формула (9.4) является выражением регулировочной характеристики ШИП при несимметричном способе управления.

При включении транзистора VT1 на интервалах 1–2–3 (см. рис.9.1, г) машина работает в двигательном режиме, развивая противо – ЭДС вращения Е_я <U_я.

Электрическая энергия источника питания преобразуется в механическую энергию, передаваемую на вал двигателя, и электромагнитную энергию, запасаемую в индуктивности обмотки якоря L_я. В точке 3 (см. рис.9.1, г) транзистор VT2 открывается. Из – за возникшей ЭДС самоиндукции обмотки якоря е_L>Е ток якоря в интервале 3–5 (см. рис.9.1, г) будет протекать по внутреннему контуру, образованному диодом VD2 и транзистором VT4. Электромагнитная энергия, запасенная индуктивностью L_я, на интервале 3– 5 преобразуется двигателем в механическую энергию.

На интервале 5– 6 (см. рис.9.1, г) ток якоря меняет свое направление и протекает по контуру, образованному транзистором VT2 и диодом VD4, под воздействием ЭДС двигателя Е_я. Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, часть которой рассеивается на активном сопротивлении замкнутого контура, а другая часть этой энергии запасается в индуктивности обмотки якоря L_я. Переключение транзисторов VT1 и VT2 в исходное состояние происходит в точке 6 (см. рис. 9.1, г). Так как перед этим ток в обмотке якоря протекал в отрицательном направлении, то после закрытия транзистора VT2 этот ток будет протекать под воздействием ЭДС самоиндукции е_L через диоды VD1 и VD4 в направлении, противоположном направлению напряжения источника питания U_п. Происходит процесс рекуперации энергии. Поскольку ШИП питается от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель, то из-за односторонней проводимости и неуправляемости выпрямителя это энергия не может быть передана в сеть переменного тока, а может быть передана только конденсатору фильтра С_ф, напряжение на котором начнет возрастать.

Для разряда электрической энергии, запасенной конденсатором, параллельно ему следует установить специальное разрядное устройство, представляющее собой последовательно соединенные резистор и транзисторный ключ. Это устройство часто называют «чоппер». При возрастании напряжения конденсатора выше допустимого уровня система управления подает сигнал на базу транзистора, что приводит к открытию транзистора VT27 и разряду конденсатора на разрядный резистор R23 (см рис.9.3).

Механические характеристики ЭП в режиме питания однополярными импульсами выходного напряжения ШИП располагаются во всех четырех квадрантах системы координат (см. рис. 9.2, б). Отключенному состоянию двигателя соответствует режим при γ=0 для транзисторов VT1 и VT3. Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить алгоритм управления ШИП – поменять импульсы транзисторов VT1 ↔VT3 и VT2↔ VT4.

Штриховыми линиями на рис. 9.2, б показана область прерывистых токов якоря. Для ограничения области прерывистых токов якоря необходимо увеличивать индуктивность цепи обмотки якоря, включив в эту цепь дроссель.

Глубина пульсаций тока якоря при несимметричном способе управления в два раза меньше, чем при симметричном способе управления ШИП. Это достоинство несимметричного способа управления. Недостатком несимметричного способа управления является ограничение темпа торможения и реверсирования, а также неодинаковые условия работы транзисторов.

Рис. 9.1. Схема (а) и временные диаграммы, поясняющие симметричный (б, в) и несимметричный (г, д) способы управления

Рис.9.2 -Электромеханические характеристики ЭП при симметричном (а) и несимметричном (б) способах управления двухтактного ШИП

Порядок выполнения работы:

1.Изучить краткие теоретические сведения о широтно-импульсных

преобразователях.

2. Теоретически построить регулировочные характеристики для двухтактного широтно-импульсного преобразователя для заданного типа нагрузки:

- для активной нагрузки;

- для активно - индуктивной нагрузки.

3. Исследовать работу двухтактного широтно - импульсного преобразователя

на активную нагрузку.

4. Исследовать работу двухтактного широтно - импульсного преобразователя на активно - индуктивную нагрузку.

5. Исследовать работу двухтактного широтно - импульсного преобразователя

на двигательную нагрузку.

6. Сравнить экспериментально снятые регулировочные характеристики

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

7. Оформить отчет по лабораторной работе.

Описание 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 левой пары транзисторов ШИП на интервале заряда конденсатора имеет следующий вид:

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

- верхний левый – закрывается на время «открыт нижний транзистор

плюс интервал времени паузы для защиты от токов короткого замыкания».

Рис.9.3 – Схема силовой части трехфазного ШИП

Универсальный стенд позволяет исследовать работу двухтактного 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).