31268

Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни “Елементи електропривода та тренажери електромеханічних комплексів” (частина ІІ)

Книга

Энергетика

Під час проведення лабораторних занять студенти повинні визначати швидкість обертання за допомогою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості; вимірювати струм і напругу за допомогою датчиків розраховувати якісні показники струму і напруги; працювати з системою імпульснофазового керування тиристорами; набувати навичок керування двигунами постійного струму за допомогою тиристорних перетворювачів реверсивних та нереверсивних широтноімпульсних перетворювачів. Короткі теоретичні відомості Одним із способів реґулювання напруги...

Украинкский

2013-08-28

8.45 MB

6 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОМЕХАНІКИ, ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ І
СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ТА ТРЕНАЖЕРИ  ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

(ЧАСТИНА ІІ)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ

ЗА НАПРЯМОМ 

6.050702 – “ЕЛЕКТРОМЕХАНІКА”

(У ТОМУ ЧИСЛІ СКОРОЧЕНИЙ ТЕРМІН НАВЧАННЯ)

КРЕМЕНЧУК 2011


Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної ди
сципліни Елементи електропривода та тренажери електромеханічних комплексів(частина ІІ) для студентів денної та заочної форм навчання за напрямом 6.050702 – “Електромеханіка” (у тому числі скорочений термін навчання)

Укладачі:   к.т.н., доц. А. П. Калінов,

асист. О. В. Скрипников,

  асп. В. О. Мельников,

  асп. О. В. Прітченко

Рецензент  д.т.н., проф. Д. Й. Родькін

Кафедра систем автоматичного управління та електропривода

Затверджено методичною радою Кременчуцького національного університету

імені Михайла Остроградського

Протокол №_________від__________2011 р.

Заступник голови методичної ради___________доц. С. А. Сергієнко


ЗМІСТ

Вступ......................................................................................................................

Перелік лабораторних робіт ...............................................................................

4

5

Лабораторна робота № 1 Дослідження нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача.................................................................................

5

Лабораторна робота № 2 Дослідження принципу дії та режимів роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача...........................

14

Лабораторна робота № 3 Дослідження перетворювача частоти............

26

Список літератури.................................................................................................

37


ВСТУП

Якість елементної бази автоматизованого електропривода (ЕП) значною мірою визначається його показниками (точність, діапазон реґулювання, динамічні та енергетичні показники). На сучасному етапі автоматизовані електроприводи характеризуються використанням силових напівпровідникових перетворювачів, високоточних датчиків, різних логічних та обчислювальних пристроїв, що виконуються на базі аналогових, цифрових мікросхем та мікроконтролерів. Метою вивчення дисципліни «Елементи електропривода та тренажери електромеханічних комплексів» є отримання майбутніми спеціалістами в галузі автоматизованого електропривода знань про властивості й характеристики основних елементів, які є складовими частинами систем автоматизованого електропривода.

Метою проведення лабораторних занять «Елементи електропривода та тренажери електромеханічних комплексів» є закріплення студентами теоретичних знань та набуття практичних навичок роботи з сучасними елементами ЕП, набуття навичок обробки експериментальних даних та визначення параметрів обладнання.

Під час проведення лабораторних занять студенти повинні визначати швидкість обертання за допомогою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості; вимірювати струм і напругу за допомогою датчиків, розраховувати якісні показники струму і напруги; працювати з системою імпульсно-фазового керування тиристорами; набувати навичок керування двигунами постійного струму за допомогою тиристорних перетворювачів, реверсивних та нереверсивних широтно-імпульсних перетворювачів.

В даних методичних вказівках розглянуті особливості сучасних елементів перетворювальних пристроїв, що використовуються в автоматизованому ЕП, наведені схемотехнічні рішення та характеристики напівпровідникових ключів, описані найпоширеніші способи керування силовими ключами.    


ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторна робота № 1

Тема. Дослідження нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача

Мета: ознайомлення з будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача.

План

1. Ознайомлення з будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача.

2. Зняття експериментальних даних за допомогою лабораторного стенда.

3. Набуття навичок обробки експериментальних даних.

4. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

Одним із способів реґулювання напруги споживачів є метод імпульсного реґулювання напруги. Існує два способи імпульсного реґулювання: перший – широтно-імпульсна модуляція напруги (ШІМ) – зміна інтервалу провідності ключа за постійної частоти включення, другий – частотно-імпульсна модуляція напруги (ЧІМ) – зміна частоти перемикань за постійного інтервалу провідності. При цьому реґулюється відносний час провідності ключа, від чого в свою чергу залежить велична середньої напруги на навантаженні.

Перетворювачі, що дозволяють здійснювати широтно-імпульсне реґулювання напруги на навантаженні, називають широтно-імпульсним перетворювачем (ШІП).

Класифікація ШІП постійної напруги:

1) Залежно від можливості зміни полярності напруги на навантаженні ШІП поділяються на:

– реверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою, різною тривалістю й полярністю за один період;

– нереверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою й полярністю, але різною тривалістю.

Нереверсивні ШІП поділяються на паралельні й послідовні.

У послідовних вентиль включається послідовно навантаженню, при цьому напругу на навантаженні одержують не вище вхідної. У паралельних ШІП робочий вентиль включається паралельно навантаженню. Характерною рисою паралельних ШІП є можливість одержання на навантаженні напруги вищою за напругу живлення, однак такі перетворювачі потребують встановлення накопичувачів енергії (дроселів).

2) Залежно від способів комутації ШІП поділяються на:

– ШІП із залежними вузлами комутації (залежні);

– ШІП з автономними вузлами комутації (незалежні).

Функціональна схема та часові діаграми роботи нереверсивного послідовного широтно-імпульсного перетворювача представлені на рис. 1.1.

а)

б)

Рисунок 1.1 – Схема нереверсивного ШІП (а) та його часові
діаграми роботи (б)

Під час аналізу широтно-імпульсних перетворювачів будемо вважати що: вентилі є ідеальними ключами із часом перемикання, що наближається до нуля, внутрішній опір джерела дорівнює нулю.

Середнє значення напруги на навантаженні:

, (1.1)

де  – коефіцієнт заповнення імпульсів,  – час включеного стану вентиля,  – цикл роботи ШІП.

ШІП найбільшою мірою задовольняють основним вимогам, що пред'являються до напівпровідникових перетворювачів систем електропривода:

– практична відсутність зони переривчастих струмів;

– достатня перевантажувальна здатність для забезпечення форсування в перехідних режимах роботи електропривода;

– високий ККД;

– жорсткість зовнішньої характеристики і мала інерційність;

– одержання жорстких статичних і динамічних характеристик електропривода в цілому;

– висока перешкодозахищеність і надійність;

– мала маса і габарити;

  •  практична відсутність впливу на мережу живлення.

Опис лабораторного стенда

Схема лабораторного стенда з дослідження нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача напруги зображена на рис. 1.2.

Силова частина перетворювача побудована на основі UltraFast IGBT транзисторного ключа. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – являє собою біполярний p-n-p транзистор, керований від порівняно низьковольтного MOSFET-транзистора (MOSFET – польові транзистори з ізольованим затвором) з індукованим каналом (рис. 1.3).

Рисунок 1.2 – Схема лабораторного стенда з дослідження ШІП

а)

б)

Рисунок 1.3 – Еквівалентна схема ІGBT транзистора (а) та його умовно-графічні позначення (б)

ІGBT є компромісним технічним рішенням, що дозволило об'єднати позитивні якості як біполярних (мале спадання напруги у відкритому стані, високі робочі напруги), так й MOSFET-транзисторів (мала потужність керування, високі швидкості комутації).

У той же час втрати в них зростають пропорційно струму, а не квадрату струму, як у польових транзисторів. Максимальна напруга ІGBT-транзисторів обмежена тільки технологічним пробоєм і вже сьогодні випускаються прилади з робочою напругою до 4000 В, при цьому залишкова напруга на транзисторі у включеному стані не перевищує 2 – 3 В. В лабораторному стенді в якості силового ключа використовується ІGBT-транзистор IRG4BC20KD, з паспортними характеристиками, що наведено в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Параметри UltraFast IGBT ключа IRG4BC20KD

Symbol

Parameter

Параметр

VCES

Collector-to-Emitter Voltage

Максимальна напруга

На колектор-емітерному переході

600 V

IC  (TC = 25°C)

Continuous Collector Current

Тривалий струм колектора при TC = 25°C

16 A

IC (TC = 100°C)

Continuous Collector Current

Тривалий струм колектора при TC = 100°C

9,0 A

ICM

Pulsed Collector Current

Піковий струм колектора

32 A

IF  (TC = 100°C)

Diode Continuous Forward Current

Тривалий прямий струм діода

7,0 A

IFM

Diode Maximum Forward Current

Піковий прямий струм діода

32 A

tsc

Short Circuit Withstand Time

Час спрацювання

10 μs

PD  (TC = 25°C)

Maximum Power Dissipation

Максимальна потужність розсіювання

60 W

VGE

Gate-to-Emitter Voltage

Напруга керування

± 20 V

TJ , TSTG

Operating Junction and Storage Temperature Range

Діапазон робочих температур

-55 to +150 °C

Optimized for high operating frequencies > 5.0 kHz

Виконаний для роботи з частотами комутації >  5.0 кГц

Система керування лабораторного стенда побудована на мікросхемі TL494, що являє собою ШІМ-контролер, з фіксованою частотою роботи. Модуляція ширини вихідних імпульсів досягається порівнянням пилкоподібної напруги на конденсаторі  з керуючим сигналом, що подається на неінвертуючий вхід мікросхеми через дільник напруги  (рис. 1.2). Значення опорів дільника обираються таким чином, щоб напруга на вході змінювалася в діапазоні від 0 до 3,3 В.

Представлена система керування є гальванічно розв’язаною від силових кіл, що забезпечується оптопарою H11L1, за сигналами керування, та DC/DC перетворювачем за живленням елементів.

Для керування ІGBT транзистором у лабораторному стенді використаний драйвер ІR2104 компанії Іnternatіonal Rectіfіer (ІR) (рис. 1.4) з паспортними характеристиками, що представлені в таблиці 1.2. Вихідні струми драйверів ІR дозволяють використати їх у силових перетворювальних пристроях потужністю до 3 – 5 кВт.

У лабораторному стенді керування силовим транзистором побудовано за принципом керування верхнім транзистором напівмоста, що базується на встановленні бутстрепного каскаду живлення (,) на половину драйвера.

Рисунок 1.4 – Схема ввімкнення драйвера ІR2104 напівмоста з одним входом

Таблиця 1.2 – Характеристики драйвера ІR2104

Тип драйвера

ІR2104/21044  High and low side driver

Призначення

Драйвер напівмоста з одним входом

Напруга зсуву рівня, В

600

Струм ввімк./вимк., А

0,1/0,21

Діапазон напруги живлення, В

10-25

Час затримки ввімк./вимк., нс

600/90

Час спрацювання, нс

500

Додаткові функції

Under Voltage Lock Out – захист від зниження напруги живлення;

Shut Down – вхід вимкнення.

Тип корпуса

8-DIP

Підключення драйверів до вхідних кіл силових транзисторів зводиться до розв’язання питань конструктивного характеру, для мінімізації паразитних індуктивностей монтажу, а також використання додаткових схемних рішень – для реґулювання швидкості перемикання силового ключа.

Реґулювання швидкості перемикання транзисторів досягається шляхом ввімкнення резистора послідовно між виходом драйвера та входом ключа. Зазвичай значення опору даного резистора наводиться в довідковій літературі фірми-виробника для кожного типу силового ключа.

Для захисту ІGBT-транзисторів від комутаційних перенапруг у колі колектор-емітер варто застосовувати захисні (снаберні) RC- і RCD-кола (рис. 1.5), встановлені безпосередньо на силових вентилях.

В представленій схемі лабораторного стенда передбачений плавний заряд ємності кола постійного струму через обмежуючий резистор  (рис. 1.2). Для зниження пульсацій випрямленої напруги у колі постійного струму використовується ємнісний фільтр . Ємність електролітичного конденсатора  обирається за умови допустимих пульсацій напруги кола постійного струму на рівні 10 – 20% від номінальної напруги цього кола, та залежить від навантаження ШІП.

Для спостереження за зміною вихідної напруги у лабораторному стенді використані малогабаритні лампи накалювання та мікродвигун постійного струму ДПН 30–Н1–О2.

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Зняти експериментальні дані роботи нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача:

– порівняння сигналу керування з пилкоподібною напругою генератора ШІМ (рис. 1.6) та дослідити модуляцію ширини вихідних імпульсів (рис. 1.7);

Рисунок 1.6 – Осцилограми напруги керування і генератора ШІМ

Рисунок 1.7 – Осцилограма керуючих імпульсів на виході генератора TL494

– дослідити керуючі імпульси на виході оптопари H11L1 (рис. 1.8);

Рисунок 1.8 – Осцилограма керуючих імпульсів на виході оптопари H11L1

– дослідити принципи формування сигналів керування затвором IGBT транзисторів (рис. 1.9);

Рисунок 1.9 –Осцилограма керуючих імпульсів на виході драйвера ІR2104

– дослідити зміну напруги кола постійного струму при збільшенні навантаження (рис. 1.10);

Рисунок 1.10 – Осцилограма напруги ланки постійного струму

– дослідити сигнали напруги на навантаженні (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 – Осцилограма напруги на навантаженні

3. Виконати запис осцилограм проведених дослідів.

4. Визначити величину напруги керування , вихідної напруги навантаження , та коефіцієнт заповнення імпульсів . Експериментальні дані занести до таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Експериментальні дані роботи ШІП

, В

, В

1

n

5. Скласти звіт з лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенда.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Висновки щодо роботи.

Контрольні питання

  1.  Охарактеризуйте способи реґулювання постійної напруги. Як залежить напруга на виході ШІП від коефіцієнта заповнення імпульсів?
  2.  Поясніть принцип формування сигналів керування в генераторах ШІМ.
  3.  Обґрунтуйте необхідність використання гальванічної розв’язки силових кіл та керуючих сигналів.
  4.  Поясніть необхідність використання шунтового діода у силовій схемі нереверсивного ШІП.
  5.  Охарактеризуйте переваги ІGBT транзисторів порівняно із біполярними.
  6.  Охарактеризуйте способи керування IGBT транзисторами.
  7.  Надайте загальну характеристику драйверів ІGBT транзисторів.
  8.  Поясніть принцип формування керуючого сигналу верхнім транзистором напівмоста.
  9.  Який спосіб захисту транзистора використаний у лабораторному стенді?

Література: [5,7,8,9].

Лабораторна робота № 2

Тема. Дослідження принципу дії та режимів роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача

Мета: ознайомлення з будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача.

План

1. Ознайомлення з будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача.

2. Зняття експериментальних даних за допомогою лабораторного стенда.

3. Здобуття навичок обробки експериментальних даних.

4. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

Реверсивні імпульсні перетворювачі постійної напруги дають змогу здійснювати безконтактне плавне реґулювання та реверсування струму в споживачах постійного струму. Як правило, реверсивні перетворювачі виконуються за мостовою схемою (рис. 2.1), в одну діагональ якої подається постійна напруга від джерела живлення , а в іншу – вмикається навантаження. Зустрічно-паралельно транзисторним ключам вмикаються діоди, що забезпечують протікання струму в активно-індуктивному навантаженні під час розмикання ключів.

Рисунок 2.1 – Принципова схема транзисторного широтно-імпульсного перетворювача

Для реверсивних (мостових) перетворювачів застосовують три способи керування ключами: симетричний, несиметричний та почерговий.

За симетричного керування почергово відкриваються ключі VT1–VT2, потім VT3–VT4. Коли відкриті VT1–VT2, енергія споживається від мережі й забезпечується вказана полярність напруги на навантаженні. Часові діаграми роботи наведено на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Часові діаграми роботи ШІП при симетричному керуванні

При закритті ключів VT1–VT2 і відкритті VT3–VT4 (момент часу ) напруга на навантаженні реверсується, а струм навантаження за рахунок ЕРС самоіндукції зберігає свій напрям і замикається через зворотні діоди VD3–VD4 на джерело живлення. Потім у момент часу Т знову відкривається перша пара транзисторів VT1–VT2. Змінюючи інтервали позитивного та негативного імпульсів напруги, можна регулювати значення й полярність напруги на навантаженні. Середнє значення вихідної напруги визначають за виразом:

, (2.1)

або:

, (2.2)

де  – коефіцієнт реґулювання позитивного імпульсу;  – тривалість імпульсу позитивної та негативної напруг відповідно.

У ШІП із симетричним керуванням середня напруга на виході дорівнює нулю, коли =0,5.

Недоліком симетричного реґулювання є зміна знака миттєвих значень вихідної напруги та істотні пульсації напруги на навантаженні, що потребує досить великої індуктивності згладжувального дроселя. Тому такий спосіб керування застосовується в перетворювачах невеликої потужності.

Пульсації зменшуються, якщо на інтервалі  створюється нульовий рівень (пауза) вихідної напруги, і тому вона має форму однополярних імпульсів позитивної чи негативної полярності. Таку форму дістають за несиметричного керування. При цьому для створення вихідної регульованої напруги певної полярності ключів в одній колонці моста відкриваються почергово в протифазі, а в іншій – один транзистор постійно відкритий, а інший – закритий. Часові діаграми роботи приведені на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 – Часові діаграми роботи ШІП при несиметричному керуванні

Так, для створення вихідної напруги з указаною полярністю постійно відкритим має бути ключ VT2, а закритим – VT3. Керуючим ключем є VT1, який у протифазі працює з ключем VT4. Для активно-індуктивного навантаження при відкритому ключі VT1 (на інтервалі ) струм споживається від джерела живлення і протікає крізь ключі VT1 та VT2.

При закритті VT1 у момент часу  (у цей час одержує відкриваючий імпульс також ключ VT4) струм навантаження, зберігаючи свій напрям, замикається через ключ VT2, спільну мінусову шину та зворотний діод VD4. Напруга на навантаженні при цьому дорівнює нулю (інтервал ). Черговий імпульс вихідної напруги створюється за повторного відкриття VT1. Для забезпечення напруги протилежної полярності в протифазі керуються ключі VT2 і VT3, а постійно відкритим є ключ VT4. Тоді керуючим ключем є VT3, а розрядний контур створюється через VT4–VD2 та мінусову шину.

За почергового керування відкриваються два ключі, розташовані в протилежних сторонах моста, тоді як друга пара ключів постійно закрита. Якщо, наприклад, керування здійснюється ключами VT1 та VT2, то ключі VT3 та VT4 закриті. При цьому ключі VT1 та VT2 відкриваються не одночасно, як за симетричного керування, а зі зсувом у часі, що дорівнює періоду вихідних імпульсів напруги перетворювача. Таким самим інтервалом визначається й момент закриття цих ключів. У результаті частота роботи кожного ключа у два рази менша, ніж частота вихідної напруги. Часові діаграми роботи перетворювача з почерговим керуванням наведено на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 – Часові діаграми роботи ШІП за почергового керування

У ті моменти, коли, наприклад, відкриті обидва ключі VT1, VT2, енергія споживається від джерела живлення й забезпечується зазначена полярність на навантаженні. У разі закриття ключа VT1 енергія, накопичена в індуктивності навантаження, розряджається через відкритий ключ VT2, спільну мінусову шину та діод VD4. Напруга на навантаженні в цей час дорівнює нулю. Потім у момент Т знову відкривається ключ VT1 і навантаження підключається до джерела живлення, але після закриття ключа VT2 розряд енергії проходить контуром VT1 – плюсова шина – VD3, забезпечуючи нуль напруги на виході. При реверсі вихідної напруги аналогічно працюють ключі VT3-VT4 та діоди VD1-VD2.

Отже, за почергового керування вихідна напруга має вигляд однополярних імпульсів певної полярності, як і за несиметричного керування. В обох випадках зменшуються пульсації вихідної напруги й габарити згладжувальних дроселів у колі навантаження.

Таким чином, за симетричного та несиметричного керування забезпечується двосторонній обмін енергією між джерелом живлення й навантаженням, а за почергового керування – лише в одному напрямі — від джерела живлення до навантаження.

Опис лабораторного стенда

Схема лабораторного стенда з дослідження реверсивного широтно-імпульсного перетворювача напруги зображена на рис. 2.5.

Рисунок 2.5 – Схема лабораторного стенда з дослідження реверсивного ШІП

В лабораторному стенді в якості силових ключів використовуються UltraFast ІGBT-транзистори IRG4BC20KD.

Система керування побудована на основі симетричного способу керування ключами в мостових перетворювачах. У якості генератора імпульсів використовується мікросхема TL494. Даний ШІМ-контролер дозволяє формувати два протифазних імпульсних сигнали.

Гальванічна розв’язка сигналів керування здійснюється оптопарою H11L1, а для розв’язання елементів схеми за живленням використовується додаткове джерело живлення.

При побудові системи керування напівмостовими та мостовими перетворювачами необхідно, щоб сигнали схеми керування мали захисну паузу (dead time). Це пов’язано з тим, що в момент подачі закриваючого імпульсу транзистор VT1 не встигає одразу закритися, а в цей момент транзистор VT2 відкривається (рис. 2.6). В результаті через обидва транзистори протікає наскрізний струм, який подібний до струму короткого замикання, та моментально виводить із ладу обидва транзистори. У зв’язку з цим схема керування повинна «рознести» моменти комутації силових ключів (рис. 2.7).

Рисунок 2.6 – Наскрізний струм у мостових схемах

Рисунок 2.7 – Спосіб захисту від наскрізних струмів

Для керування ІGBT транзистором у лабораторному стенді використаний драйвер напівмоста ІR2104 з одним входом. У даній мікросхемі у вихідних сигналах керування передбачено встановлення часу запізнення на ввімкнення та вимкнення. Часові діаграми роботи драйвера представлені на рис. 2.8.

а)

б)

Рисунок 2.8 – Часові діаграми роботи драйвера ІR2104:

а) інверсивний вихід, б) неінверсивний вихід

Для реґулювання швидкості перемикання транзисторів також використовуються додаткові однонаправлені кола, що ввімкнені послідовно між виходом драйверу та входом силового ключа.

Принцип керування верхнім транзистором напівмоста базується на встановленні бутстрепного каскаду живлення на половину драйвера.

Захист ІGBT-транзисторів від комутаційних перенапруг у колі колектор-емітер побудований на снаберних RC-колах, встановлених безпосередньо на силових вентилях.

В представленій схемі для зниження пульсацій випрямленої напруги у колі постійного струму використовується ємнісний фільтр . Для спостереження за зміною вихідною напругою у лабораторному стенді використовується мікродвигун постійного струму ДПН 30–Н1–О2.

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Зняти експериментальні дані роботи нереверсивного широтно-імпульсного перетворювача:

– порівняти сигналу керування з пилкоподібною напругою генератора ШІМ (рис.2.9) та дослідити модуляцію ширини вихідних імпульсів (рис. 2.10);

Рисунок 2.9 – Осцилограми напруги керування і генератора ШІМ

Рисунок 2.10 – Осцилограма керуючих імпульсів на виході генератора TL494

– дослідити керуючі імпульси на виході оптопари H11L1 (рис. 2.11);

Рисунок 2.11 – Осцилограма керуючих імпульсів на виході оптопари H11L1

– дослідити принципи формування сигналів керування затвором IGBT транзисторів першого напівмоста (рис. 2.12);

Рисунок 2.12 – Осцилограма керуючих імпульсів першого напівмоста

– дослідити принципи формування сигналів керування затвором IGBT транзисторів другого напівмоста (рис. 2.13);

Рисунок 2.13 – Осцилограма керуючих імпульсів першого напівмоста

– дослідити зміну напруги кола постійного струму при збільшенні навантаження (рис. 2.14);

Рисунок 2.14 – Осцилограма напруги ланки постійного струму

– дослідити сигнали напруги та струму на якорі двигуна (рис. 2.15, 2.16).

Рисунок 2.15 – Осцилограма напруги на якорі двигуна

Рисунок 2.16 – Осцилограма струму на якорі двигуна

– дослідити сигнали напруги та струму при активно-індуктивному навантаженні (рис. 2.17, 2.18).

Рисунок 2.17 – Осцилограма напруги при активно-індуктивному навантаженні

Рисунок 2.18 – Осцилограма струму при активно-індуктивному навантаженні

3. Виконати запис осцилограм проведених дослідів.

4. Визначити величину напруги керування , вихідної напруги навантаження , та коефіцієнт заповненя імпульсів . Експериментальні дані занести до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Експериментальні дані роботи РШІП

, В

, В

1

n

5. Скласти звіт з лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенда.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Висновки щодо роботи.

Контрольні питання

  1.  Дайте порівняльну характеристику нереверсивних та реверсивних перетворювачів постійної напруги.
  2.   Охарактеризуйте симетричний спосіб керування транзисторами в реверсивних мостових схемах перетворювачів постійної напруги.
  3.  Охарактеризуйте несиметричний спосіб керування транзисторами в реверсивних мостових схемах перетворювачів постійної напруги.
  4.  Охарактеризуйте почерговий спосіб керування транзисторами в реверсивних мостових схемах перетворювачів постійної напруги.
  5.  Поясніть принцип формування сигналів керування в генераторах ШІМ.
  6.  Поясніть роль гальванічної розв’язки силових кіл та керуючих сигналів.
  7.  Поясніть необхідність формування затримки часу ввімкнення та вимкнення в мостових перетворювачах.
  8.  Надайте характеристику драйвера керування напівмостом.
  9.  Поясніть необхідність використання фільтруючої ємності в ланці постійного струму.

Література: [7,8,9].

Лабораторна робота № 3

Тема. Дослідження перетворювача частоти

Мета: ознайомлення з принципами формування синусоїдної ШІМ, будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи перетворювача частоти з автономним інвертором напруги.

План

1. Ознайомлення з будовою, схемотехнічною реалізацією та принципом роботи перетворювача частоти.

2. Зняття експериментальних даних на лабораторному стенді за допомогою цифрового осцилографа.

3. Набуття навичок обробки експериментальних даних.

4. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

В електроприводах змінного струму для задач керування асинхронними трифазними двигунами з короткозамкненим ротором широкого розповсюдження набули перетворювачі частоти з ланкою постійного струму. Такий тип перетворювача містить керований чи некерований випрямляч на виході якого встановлюється ємнісний фільтр для згладжування форм випрямленої напруги та автономний інвертор, що може працювати як джерело напруги (АІН) так і як джерело струму (АІС).

Найбільш поширеною схемою силової частини інвертора є трифазна мостова схема (рис. 3.1), що складається з шести керованих транзисторних  ключів (ТК1–ТК6). Керування частотою напруги на виході перетворювача здійснюється шляхом впливу на систему керування інвертора, у якій сигнал завдання частоти перетворюється в тривалість сигналів керування, що подаються на транзистори інвертора відповідно до встановленого алгоритму. Значення амплітуди напруги змінного струму на виході інвертора визначається значенням випрямленої напруги , із якого формується вихідна напруга перетворювача.

Рисунок 3.1 – Мостова схема автономного трифазного інвертора

Статорні обмотки АД при живленні від такого інвертора включаються або за схемою «зірка», або за схемою «трикутник». Як у першому, так і в другому випадку перемикання транзисторних ключів фаз інвертора викликає зміну напруги на всіх обмотках двигуна.

На даний час відома велика кількість різних способів керування силовими ключами інвертора. Найбільш простим з них є спосіб, у якому кутова тривалість замкнутого стану ключів (відкритого стану транзисторів, що працюють у ключовому режимі) дорівнює  () (рис. 3.2). У даному випадку в кожен момент часу замкнуті три ключі. Стан ключів змінюється через кожну шосту частину періоду, тривалість якої в одиницях часу  визначається заданим значенням частоти на виході інвертора як . Таким чином, зміна сигналу завдання частоти на вході системи керування інвертором призводить до зміни цієї тривалості. Послідовність замикання ключів 1-2-3-4-5-6 (рис. 3.2) відповідає певному напрямку обертання двигуна. Для його зміни ця послідовність повинна бути змінена на зворотну. Форма вихідної фазної та лінійної напруги перетворювача при даному способі керування представлена на рис. 3.3.

Рисунок 3.2 – Діаграма стану ключів інвертора

Рисунок 3.3 – Форма напруги на виході інвертора

З діаграми видно, що існує шість ненульових станів ключів, за яких завжди замкнені два парних і один непарний або один парний і два непарних транзисторні ключі. Окрім них можуть ще використовуватися два нульових стани, при яких замкнуті ключі 1-3-5 або 2-4-6 і всі три фази статора будуть замкнені на позитивний або негативний вихід випрямляча, що відповідає нулю напруги на навантаженні. Послідовність керування транзисторними ключами наступна – 123, 234, 345, 456, 561, 612.

Несинусоїдність вихідної напруги перетворювача призводить до несинусоїдності струму в статорних обмотках і пульсації моменту двигуна. Ці пульсації особливо сильно проявляються при зниженій частоті і невеликому моменті інерції механізму та викликають нерівномірність обертання двигуна, а іноді і виникнення крокового режиму, коли двигун обертається з зупинками. Таким чином, несинусоїдний характер напруги на виході випрямляча накладає обмеження на можливий діапазон реґулювання швидкості електропривода. Тому останнім часом широкого поширення набули перетворювачі частоти з ланкою постійного струму, в яких форма струму статора близька до синусоїдної, що досягається застосуванням інверторів з широтному-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Найбільш поширеним типом перетворювача частоти з ШІМ є перетворювач з некерованим випрямлячем напруги в ланці постійного струму. При цьому напруга на вході інвертора не змінюється, а реґулювання вихідної напруги здійснюється методом широтно-імпульсної модуляції.

При такому способі керування на інтервалі часу від 0 до  на керуючий вхід транзисторного ключа (ТК1) подається постійний сигнал, а в інтервалі від  до  – широтно-імпульсний модульований сигнал – 4 імпульси, тривалість яких постійно зменшується (рис. 3.4). В протифазі транзистора ТК1 перемикається ТК4. Аналогічні сигнали але з відповідним фазовим здвигом поступають на входи інших транзисторний ключів. При даному способі керування сигнали поступають почергово то на два, то на три транзисторних ключі.

Рисунок 3.4 – Діаграма стану ключів інвертора

На рис. 3.5 представлені фазні та лінійні напруги на виході інвертора.

а)

б)

Рисунок 3.5 – Форма напруги на виході інвертора: а) фазна, б) лінійна

Опис лабораторного стенда

Лабораторний стенд з дослідження частотно-керованого електропривода умовно можна поділити на 2 частини, а саме: канал керування та силовий канал.

Силова канал лабораторного стенду включає в себе:

– випрямляч;

– ємнісний фільтр;

– трифазний мостовий інвертор.

Вхідна змінна напруга за допомогою випрямляча перетворюється в постійну напругу, що поступає на ємнісний фільтр. Зазначений фільтр згладжує форми напруги та знижує рівень пульсацій. Крім задачі згладжування напруги фільтр також знижує рівень перешкод, що поступають з мережі. Після фільтрації напруга поступає на трифазний мостовий інвертор. В якості навантаження інвертора напруги є асинхронний двигун. Схема лабораторного стенда з дослідження перетворювача частоти представлено на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 – Схема лабораторного стенду по дослідженню ПЧ

Трифазний інвертор, який складається з шести IGBT-транзисторів і шести зворотних діодів, забезпечує роботу двигуна шляхом генерації трифазної змінної напруги способом широтно-імпульсної модуляції.

Канал керування перетворювача частоти включає в себе:

– керуючий мікроконтролер;

– драйвер керування IGBT-транзисторами інвертора;

– джерело живлення.

Основною структурною одиницею системи керування є мікроконтролер MC3PHAC. Представлений контролер містить програмне забезпечення для створення систем керування асинхронним частотно-реґульованим електроприводом. Програмне забезпечення даного МК не може бути модифіковане, адаптація алгоритма керування до конкретного типу електропривода здійснюється за допомогою зміни чисельних констант.

Завдання констант можливо здійснити двома способами: потенціометрами на платі контролера блоку керування або від ПК верхнього рівня, зв'язаного з платою керування за послідовним інтерфейсом. Основні характеристики алгоритму керування, що реалізується MC3PHAC:

– формує 6 ШІМ модульованих сигналів керування драйверами силових ключів трифазного мостового інвертора. Форма вихідної напруги синусоїдальна, частота комутації може варіюватися в межах від 5,291 до 21,164 кГц. В алгоритмі керування ключами передбачена можливість зміни мертвого часу від 0,5 до 6,0 мкс. Є вхід апаратного захисту силових ключів, високий логічний рівень якого переводить сигнали керування вентилями у неактивний стан;

– реалізує закон керування  з програмованою користувачем вольт-добавкою при нульовій частоті (рис. 3.7). Граничне значення частоти  може бути встановлено, в залежності від типу двигуна: 50 або 60 Гц. Допускає завдання темпу процесу розгону або гальмування: від 0,5 до 128 Гц / с;

Рисунок 3.7 – Залежність вихідної напруги від частоти

– поточне значення уставки за швидкістю задається в аналоговому вигляді. Відповідний вхід може бути використаний для організації замкнутої за швидкістю або за іншим технологічним параметром системи.

– керування режимами роботи схеми здійснюється за допомогою двох логічних сигналів: "пуск / зупинка" та "напрям обертання".

За закладеною програмою і залежно від положення регуляторів завдання, мікроконтроллер виробляє сигнали керування шістьома транзисторами інвертора. Сигнали керування інвертором проходять через гальванічну розв'язку та поступають на вхід драйвера IGBT-транзисторів. Драйвер IGBT-транзисторів перетворює рівень вхідних логічних сигналів до рівня, який необхідний для надійного відмикання і замикання IGBT-транзисторів. Джерело живлення формує ряд гальванічно-розв'язаних напруг живлення для активних компонентів системи.

В якості драйвера керування транзисторами трифазного мостового інвертора використовується драйвер IR2233. Особливості зазначеного драйвера:

– робота при напрузі від +600 V до +1200 V;

– нечутливість до від’ємного переходу напруги du / dt;

– напруга на затворі від 10V/12V до 20V та до 25V у перехідному процесі;

– блокування всіх каналів керування при зниженій напрузі;

– незалежні три напівмостових драйвера;

– узгоджений розподіл затримки для всіх каналів керування.

Типова схема ввімкнення драйверу IR2233 представлена на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 – Типова схема підключення драйвера

У табл. 3.1 наведено загальний опис драйвера керування трифазним мостовим інвертором.

Таблиця 3.1 – Опис виводів драйвера IR2130

Вивід

Опис виводу

Вивід

Опис виводу

HIN1,2,3

Логічні входи для виводів на затвори транзисторів верхнього плеча

CA-

Негативний вхід підсилювача струму

LIN1,2,3

Логічні входи для виводів на затвори транзисторів нижнього плеча

CA+

Позитивний вхід підсилювача струму

FAULT

Вказує на блокування від перенапруги або зниженого напруги

VSS

Логічна земля

VCC

Логічна фіксована напруга низького рівня

COM

Зворотний сигнал низького рівня

ITRIP

Вхід для відключення перенапруги

VB1,2,3

Напруга високого рівня

FLT-CLR

Логічний вхід скидання помилки

HO1,2,3

Виходи на затвори транзисторів верхнього плеча

SD

Логічний вхід відключення

VS1,2,3

Зворотній сигнал напруги високого рівня

CAO

Вивід підсилювача струму

LO1,2,3

Виходи на затвори транзисторів нижнього плеча

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Зняти експериментальні дані роботи перетворювача частоти:

– сигнали формування ШІМ з виходу мікроконтролеру (рис. 3.9);

Рисунок 3.9 – Сигнали керування, сформовані мікроконтролером

– дослідити принципи формування сигналів керування затвором IGBT транзисторів інвертора (рис. 3.10);

Рисунок 3.10 – Осцилограма керуючих імпульсів одного напівмоста інвертора

– дослідити сигнали напруги на статорі асинхронного двигуна (рис. 3.11).

Рисунок 3.11 – Осцилограма міжфазної напруги обмоток статора АД

3. Виконати запис осцилограм проведених дослідів.

4. Скласти звіт з лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.


Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенда.

3. Осцилограми експериментальних даних.

4. Висновки щодо роботи.

Контрольні питання

  1.  Дайте загальну оцінку принципів побудови силової частини перетворювачів частоти.
  2.  Дайте порівняльну характеристику автономних інверторів струму та інверторів напруги.
  3.  Охарактеризуйте спосіб керування транзисторами трифазних інверторів при кутовій тривалості замкнутого стану ключів .
  4.  Поясніть принцип керування транзисторами трифазних інверторів при широтно-імпульсній модуляції.
  5.  Опишіть побудову силового каналу лабораторного стенда.
  6.  Поясніть необхідність використання зворотних діодів в структурі трифазного мостового інвертора.
  7.  Охарактеризуйте канал керування лабораторним стендом.
  8.  Надайте характеристику драйвера керування трифазним інвертором.
  9.  Поясніть необхідність використання фільтруючої ємності в ланці постійного струму.

Література: [9,10,11].


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1

Терехов В. М. Элементы автоматизированного электропривода: учебник для вузов / В. М. Терехов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 224 с.

2

Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования / Ю. М. Келим. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. – 384с.

3

Дорожовець М. М. Уніфікуючі перетворювачі інформаційного забезпечення мехатронних систем: посібник / М. М. Дорожовець, О. В. Івахів,
В. О. Мокрицький. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. – 304 с.

4

Ткачук В. О. Електромеханотроніка: підручник / В. О. Ткачук. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2006. – 440с.

5

Чиженко И. М. Справочник по преобразовательной технике / И. М. Чиженко. – К., «Техніка», 1978. – 447 с.

6

Руденко В. С . Основы промышленной электроники / В. С. Руденко,
В. И. Сенько, В. В. Трифонюк.  – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. – 400 с.

7

Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Мелешин. – Москва: Техносфера, 2006. – 632 с.

8

Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение: изд. 2-е, перераб. и доп. / П. А. Воронин.
– М.: Издательский дом Додэка – XXI, 2005. – 384 с

9

Попович М. Г., Лозинський О.Ю., Клепіков В.Б. Електромеханічні системи керування та електроприводи: навч. посібник. / М. Г. Попович,
О. Ю. Лозинський, В. Б. Клепіков. – К.: Либідь, 2005. – 680с.

10

Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин.– СПб.: Корона-Век, 2008. – 368с.

11

Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А. Б. Виноградов. – ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 298 с.


Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної ди
сципліни Елементи електропривода та тренажери електромеханічних комплексів(частина ІІ) для студентів денної та заочної форм навчання за напрямом 6.050702 – “Електромеханіка” (у тому числі скорочений термін навчання)

Укладачі:   к.т.н., доц. А. П. Калінов,

асист. О. В. Скрипников,

  асп. В. О. Мельников,

  асп. О. В. Прітченко

Відповідальний за випуск зав. кафедри САУЕ   Д. Й. Родькін

Підп. до др. ____________. Формат 6084 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк. __________. Наклад_____прим. Зам № _____. Безкоштовно.

Видавничий відділ

Кременчуцького національного університету

імені Михайла Остроградського

вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39600

PAGE  2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19784. Компоненти Splitter, Timer, Image, ScrollBar, тощо 17.86 KB
  Splitter Используется для создания в приложении панелей с изменяемыми пользователем размерами. Timer позволяет задавать в приложении интервалы времени. Таймер находит многочисленные применения: синхронизация мультипликации закрытие какихто окон с которыми пользователь...
19785. Компоненти StringGrid, RichEdit 17.38 KB
  StringGrid являє собою таблицю що містить рядки. Дані таблиці можуть бути тільки для читання або редагуються. Таблиця може мати смуги прокручування причому задане число перших рядків і стовпців може бути фіксованим і не прокручуватися. Таким чином можна задати заголовки ст
19786. Компоненти керування – Button, RadioButtonGroup, CheckBox, etc 28 KB
  Компоненти керування – Button RadioButton/Group CheckBox. Компоненти керування стандартні для Windows інтерфейсні елементи такі як головне і спливаюче меню кнопка однорядковий і багаторядковий редактори перемикачі мітки списки і деякі інші компоненти що застосовуються найчасті
19787. Компоненти списків ListBox, ComboBox 22 KB
  Компоненти списків ListBox ComboBox. Компоненти керування стандартні для Windows інтерфейсні елементи такі як головне і спливаюче меню кнопка однорядковий і багаторядковий редактори перемикачі мітки списки і деякі інші компоненти що застосовуються найчастіше. Компонент...
19788. Робота з текстом. Клас TStrings 16.16 KB
  При роботі з інформацією текстом потрібно виконувати її відображення введення і редагування. Підкреслимо що ми розглядаємо поняття текстав широкому сенсі припускаючи що до складу тексту можуть входити літери іціфри. При роботі з текстовими даними вони можуть об'єдну
19789. Розподіл оперативної пам’яті. Вказівники види, об’явлення, операції 34.5 KB
  4.Розподіл оперативної пам’яті. Вказівники: види об’явлення операції. Вказівником називається змінна яка містить в собі певниу адресу мається на увазі адресу в оперативній пам'яті. Як правило вказівники містять адресу деякої іншої змінної або виділеної д
19790. Створення меню. Компоненти MainMenu та PopupMenu 28 KB
  1.Створення меню. Компоненти MainMenu та PopupMenu. MainMenu невізуальний на відміну від візуальних компонентів TEdit і TLabel в точності відповідних своєму зовнішньому вигляду в працюючій програмі. Це означає що хоча його видно на формі як невеликий квадрат у вікні створеної програми ...
19792. Текстові компоненти Label, Edit, Memo 26.5 KB
  Текстові компоненти Label Edit Memo Компоненти керування стандартні для Windows інтерфейсні елементи такі як головне і спливаюче меню кнопка однорядковий і багаторядковий редактори перемикачі мітки списки і деякі інші компоненти що застосовуються найчастіше. Компонен