Описание лабораторного стенда
Принципиальная схема стенда приведена на рис. 17.
Лабораторная установка состоит из четырех функционально законченных блоков:
– блок В1 – задающий генератор прямоугольных импульсов, реализованный на операционном усилителе DA1, и интегратор на операционном усилителе DA2, предназначенный для преобразования прямоугольного сигнала в пилообразный;
– блок В2 – модулятор длительности импульсов (МДИ), устройство, имеющее два входа, на один вход подается периодический пилообразный сигнал, на другой – управляющий. В качестве МДИ обычно используется триггер Шмитта;
– блок В3 – инвертор, формирует инвертируемый сигнал, необходимый для управления импульсным усилителем мощности и обеспечения реверса двигателя;
– блок В4 – импульсный усилитель мощности (ИУМ), устройство, усиливающее сигнал с блоков В3, В4 в мощный сигнал, управляющий двигателем.
Рассмотрим работу усилителя мощности. Предположим, что на вход 1 (К3) и вход 2 (К4) ИУМ поступают прямоугольные импульсы положительной полярности со скважностью g = 0,5.
Рис. 17. Принципиальная схема стенда
Это приводит к открыванию всех транзисторов. На якорь двигателя к точкам К5 и К6 приходит усиленный сигнал с g = 0,5. Ротор двигателя уравновешивается, w = 0. Если на вход 1 (рис.18, а) поступает положительный импульс со скважностью g = 0,1, то на вход 2 поступает сигнал с g = 9/10 (рис. 18, б). Импульсы с ИУМ подаются на выводы К5, К6 двигателя. В обмотке якоря двигателя импульсы суммируются, суммарный импульс напряжения приводит якорь во вращение (рис. 18, в). Направление вращения якоря двигателя зависит от скважности импульса, выделяемого МДИ.
Для измерения частоты вращения якоря двигателя в установке используется тахометр.
Рис. 18. Работа усилителя мощности:
а – γ < 0,5; б – γ > 0,5; в – напряжение на якоре двигателя
Порядок выполнения работы
1. Установить ручку регулятора частоты вращения (R11) в нулевое положение.
2. Включить источник питания лабораторного стенда.
3. Поочередно подключая кабель осциллографа к контрольным точкам К1…К6, зарисовать эпюры напряжений. Эпюры напряжений привести в отчете.
4. Подключить кабель осциллографа к контрольной точке К1 и измерить частоту следования импульсов. Результаты записать в отчет.
5. Определить диапазон регулирования угловой скорости
.
5.1. Вращая ручку регулятора частоты вращения, добиться нулевого положения тахометра.
5.2. Постепенно увеличивая частоту вращения двигателя, установить минимальные равномерные обороты выходного вала. Частоту вращения контролировать по тахометру и занести в отчет (nmin = …).
5.3. Установить максимальную частоту вращения вала двигателя, замерить показания nmax .
5.4. Рассчитать диапазон регулирования D.
5.5. Повторить операции пп. 5.2, 5.3 и 5.4 при реверсивном вращении вала двигателя. Рассчитать диапазон регулирования D. Сравнить результаты.
6. Определить линейность широтно-импульсного регулятора .
6.1. Подсоединить кабель осциллографа к К5.
6.2. Установить минимальную устойчивую частоту вращения двигателя.
6.3. Замерить длительность импульса t1 (по осциллографу) и число оборотов n (по тахометру).
6.4. Увеличить частоту вращения двигателя и измерить t1 и n.
6.5. Сделать 6 – 8 измерений t1 и n (от nmin до nmax) и данные занести в таблицу.
Результаты измерений
| Параметр | Номер измерения | |||||||
| n, об/мин | ||||||||
| t1, с | ||||||||
| t'1, с |
6.6. Подсоединить кабель осциллографа к К5 и, обеспечив реверсирование двигателя, произвести операции пп. 6.2 – 6.5.
6.7. Проанализировав график , записать сделанные выводы.
Контрольные вопросы
1. Каким образом можно уменьшить пульсацию тока якоря?
2. Поясните назначение диодов VD7 – VD11.
3. Каковы преимущества мостовой схемы ИУМ?
4.
Лабораторная работа №4
Моделирование трехфазного инвертора.
Цель работы. Моделирование и исследование трехфазного автономного инвертора напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией.
Модель трехфазного инвертора с синусоидальной ШИМ показана на рис.7.1.
Рис.7.1. Модель трехфазного инвертора с синусоидальной ШИМ
гис. /.z. ластроика суосистемы i. Параметры модели:
Напряжение питания U=540 В, сопротивление, включенное в блок питания 0,1 Ома, инвертор (Universal Bridge) -трехфазный мост на IGBT транзисторах, частота модулирующего напряжения - 25 Гц., коэффициент модуляции т=0.9, параметры нагрузки - L=0.1 Гн., R=10 Ом., время моделирования - 0.5 с, шаг моделирования - 0.1 мс.
На рис. 2 показано окно субсистемы 1. Пилообразное напряжение несущей частоты, генерируемое блоком Control System, имеет амплитуду 1 В. Поэтому величина сигнала блока Meg равна коэффициенту модуляции инвертора. На вход блока Subsystem (рис. 2) подано три сигнала: и(1) — амплитуда модулирующего напряжения (блок Mag), u(2) — угловая частота модулирующего напряжения со= 2л£, где f= 25 Гц (блок Omega) и и(3) — текущее время (блок Clock). Во всех моделях шаг дискретизации (Max Step Size = le-4).
Программируемый источник, окно настройки которого показано на рис.3, предназначен для изменения нагрузки инвертора в течение моделирования.
J
Измерительная часть модели содержит 5 блоков (4). Блоком Multimeter измеря мгновенные значения тока нагрузки, напряжения нагрузки, тока в цепи питания и тока в i проводниковом ключе инвертора. Блок Powergui служит для спектрального анализа мгнов! го тока и напряжения нагрузки, зафиксированных блоком Scope. Блок То Workspace служи записи в рабочее пространство Matlab величин, измеренных блоком Subsystem. Содерл блока Subsystem представлено на рис. 4 В этом блоке последовательно измеряются:
• амплитуда первой гармоники тока нагрузки;
• фаза первой гармоники тока нагрузки;
• амплитуда первой гармоники линейного напряжения нагрузки;
• средний ток питания инвертора;
• средний и эффективный токи в полупроводниковом ключе инвертора;
• мгновенные ток и напряжение нагрузки.
Для построения основных характеристик служит программа, представленная в листинге 1. Эти характеристики показаны на рис.5.
Листинг 1
IlLoad=Out(:,l);% Амплитуда первой гармоники тока нагрузки
Fi=Out(:,2);% Фаза тока нагрузки
UlLoad=Out(:,3);% Амплитуда первой гармоники линейного напряжения нагрузки
ISource=Out(:,4);% Средний ток источника питания
IT0=Out(:,5);% Средний ток в пп плече инвертора
IT=Out(:,6);% Эффективный ток в пп плече инвертора
Sll=(1.73*UlLoad.*IlLoad)/2;% Полная мощность в нагрузке
PI 1=S1 l.*cos(Fi*pi/180);% Активная мощность в нагрузке
Ql 1=S1 l.*sin(-Fi*pi/180);% Реактивная мощность в нагрузке
subplot(3,l,l);
plot(HLoad,UlLoad);
grid on;
ylabel('U Load (V)');
subplot(3,l,2);
plot(IlLoad,ISource,IlLoad,ITO,HLoad,IT);
grid on;
ylabel('I Source,ITO,IT (A)');
subplot(3,l,3);
plot(HLoad,Sl l,HLoad,Pl 1);
grid on;
xlabel('Load current (A)');
ylabel('Sl(VA),Pl(Wt)');
Линейное напряжение на выходе инвертора и его спектр представлены на рис.6. Ток на выходе инвертора и его спектр показаны из рис.7.
Рис.7.5.Основные характеристики инвертора.
Рис.7.6. Спектр выходного напряжения инвертора.
Рис.7.7. Спектр тока на выходе инвертора.
Задание
1. Собрать схему модели, выполненную в MATLAB,
2. Рассчитать основные характеристики инвертора.
3. Провести анализ спектра тока и напряжения на выходе инвертора.
Контрольные вопросы
1. Предложите алгоритм расчета КПД инвертора?
2. Какое назначение инвертора напряжения?
3. Какое назначение инвертора тока?
*Особенностью данной схемы является то, что характеристики снимаются при изменении величины противо-эдс и неизменном значении сопротивления нагрузки