Описание виртуальной лабораторной установки

Виртуальная лабораторная установка для исследования мостового широтно-импульсного преобразователя с симметричным законом управления показана на рисунке 13.

Рисунок 13 – Модель широтно-импульсного преобразователя

Модель широтно-импульсного преобразователя содержит:

• источник постоянного напряжения DC Voltage Source (240 В);

• активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с., представленную блоками Series RLC Branch (R, L) и DC Voltage Source (E);

• измерители мгновенных токов Current Measurement в источнике питания (I1) и нагрузке (I Load);

• измеритель мгновенного напряжения Voltage Measurement на нагрузке (U Load);

• блок для измерения среднего значения тока питания (Fourier I1);

• блок для измерения среднего значения тока нагрузки (Fourier I0);

• блок для измерения среднего значения напряжения на нагрузке (Fourier U0);

• блок для измерения среднего значения тока силового полупроводникового модуля (Fourier T0);

• блок для измерения действующего значения тока силового полупроводникового модуля (RMS T);

• блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);

• блок Multimeter для наблюдения (измерения) мгновенных значений величин, которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков;

• блок для измерения величины среднего значения тока в цепи питания (Display);

• блок для измерения величин средних значений тока и напряжения на нагрузке, а также среднего и действующего тока в силовом полупроводниковом модуле (Display 1);

• однофазный мостовой транзисторный широтно-импульсный преобразователь (Universal Bridge 2 arms);

• блок управления преобразователем (Control System);

• блоки Mux и Demux для собирания и разделения сигналов.

Модель блока управления (Control System) показана на рисунке 14. Блок управления Control System является подсистемой — блок Subsystem (Simulink/Ports & Subsystems). Блок Repeating Sequence является генератором пилообразного напряжения (ГПН). В исследуемой модели установлены следующие параметры:

• период пилообразного напряжения T₀ = 0,002 с (частота f₀ = 500 Гц);

• амплитуда пилообразного напряжения 2 В.

Соответственно, в блок измерения действующего значения тока RMS T вносится значение частоты, равное 500 Гц.

На вход блока управления (порт In1) подается постоянный сигнал задания управления.

Рисунок 14 – Модель блока управления Control System

Рисунок 15 – Окно настройки параметров транзисторного ШИП

Рисунок 16 – Окно настройки параметров блока Multimeter

Порядок и методика выполнения лабораторной работы

1. Составить модель транзисторного широтно-импульсного преобразователя, изображенную на рисунке 13 (раздел «Описание виртуальной лабораторной установки»).

2. Параметры источника питания и транзисторного широтно-импульсного преобразователя, а также параметры моделирования устанавливаются в соответствии с разделом «Краткое описание используемых блоков и первоначальная настройка параметров моделирования».

Параметры блоков Series RLC Branch и DC Voltage Source, моделирующих соответственно нагрузку и противо-э.д.с. в нагрузке, устанавливаются согласно приложению 2, т.к. в качестве нагрузки выступает двигатель постоянного тока.

Для получения среднего значения тока (напряжения) в настройках блока Fourier необходимо задать номер гармоники – 0.

В настройки блока RMS T измерения действующего значения тока вносится значение частоты, равное 500 Гц.

3. Снять регулировочные и энергетические характеристики широтно-импульсного преобразователя.

При снятии характеристик параметры RL нагрузки остаются без изменений, изменяется напряжение управления от –2 В до 2 В с шагом 0,5 В. Характеристики снимаются для трёх значений противо-э.д.с. нагрузки: 0, 100, 200 В. При этом моделирование проводится для каждого значения напряжения управления и противо-э.д.с. Результаты моделирования и последующих вычислений заносятся в таблицу 4.

Таблица 4

Данные

Измерения

Вычисления

Uу, В

E, В

Iн, А

Uн, В

I1, А

Iт, А

IтRMS, А

Umax, В

Iтmax, А

γ

P1, Вт

Pт, Вт

Pн, Вт

Средний ток в источнике питания определяется по показаниям Display. На блоке Display 1 (рис. 13) измеряемые величины представлены в следующей последовательности:

1. Средний ток нагрузки, Iн.

2. Среднее напряжение на нагрузке, Uн.

3. Средний ток в силовом полупроводниковом модуле, Iт.

4. Действующий ток в силовом полупроводниковом модуле, IтRMS.

Мгновенные значения тока питания, нагрузки и напряжения на нагрузке можно наблюдать на экране осциллоскопа (рисунок 17).

В графическом окне блока Multimeter наблюдаются и определяются максимальные напряжение и ток силового полупроводникового модуля.

Относительная продолжительность импульса напряжения на нагрузке определяется по формуле:

γ = t₀/T₀, где T₀ — период напряжения ГПН, а t₀ — длительность открытого состояния ключа, — определяется по осциллограмме Load Voltage (рис. 17) на оси абсцисс (т.е. при напряжении 0 В). Коэффициент заполнения импульсов определяется после снятия диаграмм, соответствующих своему варианту задания.

Рисунок 17 – Ток питания, ток нагрузки и напряжение на нагрузке ШИП

Мощность в цепи источника питания рассчитывается по выражению: , где U_П – напряжение питания.

Квазистатические потери в силовом полупроводниковом модуле рассчитываются по уравнению:

, где V_f, V_fd, R_on — параметры силового модуля (рис. 15), а I_T, I_T(RMS) — его средний и действующий ток.

Мощность в нагрузке определяется по выражению: .

4. По результатам таблицы 1 построить:

• регулировочные характеристики ШИП U_Н = f(γ);

• энергетические характеристики ШИП I₁ = f(I_Н), I_T(RMS) = f(I_Н), I_T = f(I_Н), I_Tmax = f(I_Н), P₁ = f(P_Н), P_T = f(P_Н).