Исследование однофазного (мостового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку

К выполнению работы следует приступить после изучения разделов теоретического введения учебного пособия 5.2. В качестве дополнительной литературы рекомендуется воспользоваться [1, 2].

Содержание работы следующее:

1. Исследование внешних и энергетических характеристик однофазного (мостового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку.

2. Исследование регулировочных характеристик однофазного с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку.

3. Исследование гармонического состава напряжения и тока нагрузки

однофазного (мостового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Виртуальная лабораторная установка для исследований по п.3. показана на рис. 10.1. Она содержит:

· источник постоянного напряжения (240 В);

· активно-индуктивную нагрузку (R, L);

· измерители мгновенных токов в источнике питания (I1) и нагрузке (Load Current);

· измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (Load Voltage);

· блок для измерения гармонических составляющих тока питания (Fourier I1);

· блок для измерения гармонических составляющих тока силового модуля (Fourier IТ);

· блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки (Fourier I) и аналогичный блок для измерения гармонических составляющих напряжения на нагрузке (Fourier U);

Рис. 10.1. Модель однофазного инвертора с симметричным

управлением

· блок для измерения действующего значения тока силового модуля (IT(RMS);

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

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

· блок для измерения среднего значения тока в цепи питания (Display 1);

· блок для измерения амплитудных значений первой гармоники тока и напряжения на нагрузке, а также их фаз (Display);

· блок для измерения среднего и действующего значения тока в силовом модуле (Display 2);

· однофазный мостовой транзисторный инвертор (Universal Bridge 2 arms);

Рис. 10.2. Окно настройки однофазного мостового

транзисторного инвертора

· блок To Workspace, To Workspace 1, предназначенные для передачи исследуемых сигналов в рабочее пространство MatLab с последующей обработкой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармонического спектра напряжения и тока нагрузки;

· блок управления (Control system);

· блок задания модулирующего напряжения (Sine Wave).

Окно настройки параметров однофазного мостового транзисторного

инвертора показано на рис. 10.2.

Окно настройки параметров однофазного мостового транзисторного

инвертора показано на рис. 10.2. Этот блок уже рассматривался ранее (лабораторная работа № 6).

Модель блока управления показана на рис. 10.3. Блок содержит генератор пилообразного напряжения (ГПН) несущей частоты (блок Repeating Sequence), две схемы сравнения и два распределителя импульсов, собиратель Mux объединяет четыре сигнала и один векторный. На вход In1 подаётся синусоидальное модулирующее напряжение (рис. 10.1).

Рис. 10.3. Модель блока управления

Окно настройки параметров блока Repeating Sequence показано на рис.

10.4. Откуда видно, что несущая частота равна 500 Гц, а амплитуда сигнала ГПН равна 2 В.

Окно настройки блока Sine Wave показано на рис. 10.5. В полях окна

задаются амплитуда, частота и начальная фаза модулирующего напряжения.

Из рис. 10.5 следует, что частота модулирующего напряжения равна

25 Гц. На эту частоту, как на основную гармонику измерения, должны быть настроены параметры измерительных блоков Fourier I1, Fourier I, Fourier U, Fourier IТ, IT(RMS.

Окно настройки параметров блока To Workspace, To Workspace1 показано на рис. 10.6.

В первое поле окна настройки введено название переменной, под которой измеренный вектор будет фигурировать в рабочем пространстве. Во втором поле определена длина вектора (количество записанных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и с временем поля Sample time. Частота исследуемого сигнала в рассматриваемом случае равна 25 Гц (период 0, 04 с). При времени считывания сигнала 1е-4 на периоде

считывается 400 точек. Из этого следует, что в рабочую область при длине вектора 800 будут записаны два последних периода исследуемого сигнала.. Следует также подчеркнуть, что время в поле Sample Тime должно быть согласовано с шагом моделирования в окне параметров моделирования (рис. 10.7).

Рис. 10.4. Окно настройки параметров блока Repeating Sequence

Рис. 10.5. Окно настройки параметров блока Sine Wave

Порядок выполнения работы. Исследование однофазного (мостового) инвертора с симметричным управлением, с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией при работе на активно-индуктивную нагрузку по п. 10.3.1 содержания работы проводится на виртуальной установке (рис. 10.1), подробное описание которой приведено выше.

Параметры источника питания, однофазного (мостового) транзисторного инвертора, его блока управления и амплитуда модулирующего напряжения задаются при самостоятельном изучении их такими же, как на рис. 10.1, 10.2, 10.4, 10.5 Параметры моделирования задаются такими же, как на вкладке Simulation/рarameters (рис. 10.7). В поле Stop time задаётся время в секундах. В поле Max step size устанавливается значение шага моделирования, это же значение заносится в поле Sample time всех блоков, которые это поле имеют. В оставшихся полях можно оставить то, что компьютер устанавливает по умолчанию.91

При снятии внешних характеристик изменяются параметры , .

Сопротивление изменяется в пределах от 10 до 100 Ом. При этом для каждого

Значения рассчитывается величина так, чтобы постоянная времен нагрузки оставалась неизменной, равной = 0, 01 с.

Рис. 10.6. Окно настройки параметров блока To Workspace

При этом моделирование проводится для каждого значения сопротивления нагрузки. Результаты моделирования заносятся в табл. 10.1.

Табл. 10.1

Данные

Измерения

Вычисления

RMS

(1)

Ом

Гн

град

ВА

Вт

Амплитуда первых гармоник тока и напряжения на нагрузке и их начальные фазы определяются по показаниям Display. Средний ток в источнике питания определяются по показаниям Display 1. Мгновенные значения этих величин

можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 10.8). Средний и действующий ток в силовом полупроводниковом модуле определяется по показаниям Display 2.

Рис. 10.7. Окно настройки параметров моделирования

В графическом окне блока Multimeter (рис. 10.9) наблюдаются максимальные напряжение и ток силового модуля.

Сдвиг по фазе между первой гармоникой тока и напряжения на нагрузке рассчитывается по формуле:

= - .

Полная и активная мощность по первой гармонике в нагрузке рассчитываются по выражениям:

= (Вт).

Мощность, потребляемая от источника питания, определяется по выражению:

(Вт)

Потери в силовом полупроводниковом модуле рассчитываются по выражению:

где , , - параметры силового модуля (рис. 10.2);

I , I (RMS) – его средний и действующий ток (табл. 10.1).

Коэффициент модуляции напряжения на нагрузке определяется по формуле:

где - амплитуда модулирующего синусоидального напряжения;

- амплитуда напряжения ГПН.

По результатам табл. 10.1 строятся:

· внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора ;

· энергетические характеристики , , ( ) = f( );

· энергетические характеристики управляемого выпрямителя , , = f( ).

Исследование регулировочной характеристики инвертора по п. 10.3.2 содержания лабораторной работы осуществляется на модели (рис. 10.1) при одном значении сопротивления нагрузки (задаётся преподавателем) и изменении амплитуды модулирующего напряжения от 0 до 2 В с шагом 0, 5 В. Моделирование осуществляется при каждом значении модулирующего напряжения, при этом заполняется табл. 10.2.

Рис. 10.8. Ток питания, ток нагрузки и напряжение

на нагрузке однофазного инвертора

Рис. 10.9. Напряжение и ток модуля

Табл. 10.2

Измерения
(В)	(В)

По данным таблицы строится регулировочная характеристика

;

Исследование спектрального состава напряжения и тока нагрузки инвертора осуществляется при одном значении модулирующего напряжения (задаётся преподавателем) в пакете расширения Signal Processing Toolbox. Подробное описание интерактивных средств этого пакета расширения было дано в гл. 1, гл. 3. Используя средства просмотра сигнала, записанного в рабочую область под именем Lab 10, можно просмотреть исследуемый сигнал тока в нагрузке (рис. 10.10).