2909

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

Факультет механический Кафедра автоматизации производственных процессов

СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В МЕХАТРОНИКЕ И РОБОТОТЕХНИКЕ

Методические указания к лабораторным работам для студентов

по направлению подготовки

15.03.06 Мехатроника и робототехника

Воронеж, 2019

2

УДК 658.5.011.56

Поляков С. И. Силовые электронные устройства в мехатронике и робототехнике

[Электронный ресурс]: методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / С. И. Поляков;

ВГЛТУ. - Воронеж, 2019. - 16 с. - ЭБС ВГЛТУ.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: профессор кафедры систем управления и информационных технологий в строительстве Воронежского государственного технического университета В.И. Акимов

2

3

Лабораторная работа № 1 ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

(шестифазная управляемая схема выпрямления)

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомится с временными диаграммами токов и напряжений шестифазной схемы выпрямления (СВ). Изучить влияние коммутации тока в тиристорах на форму напряжений, токов и внешнюю характеристику СВ. Исследовать влияние характера нагрузки на работу СВ.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Работа шестифазной СВ на активную нагрузку.

Принципиальная схема шестифазной СВ при активной нагрузке и отсутствии сопротивлений в цепях переменного тока приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема идеализированной шестифазной схемы выпрямления, работающей на активную нагрузку

UA, UB, Uc - переменные фазные напряжения, Ud, Id - постоянные напряжение и ток.

Нумерация тиристоров VS1,...,VS6 соответствует порядку их включения. Углом управления тиристоров называется время задержки отпирания тиристоров (выраженное в электрических градусах) относительно момента естественного отпирания неуправляемого диода (если бы он заменял тиристор). При подаче управляющего импульса открывается тот из тиристоров VS1, VS3, VS5, напряжение на аноде которого имеет положительную максимальную величину. При подаче управляющего импульса открывается тот из тиристоров VS2, VS4, VS6, напряжение на катоде которого имеет отрицательную максимальную величину.

Фазные напряжения и выходное напряжение идеализированной шестифазной СВ при угле управления =45o приведены на рисунке 2. Жирными линиями показано время включенного состояния соответствующего тиристора.

Если синхронизация схем формирования задержки управляющих импульсов осуществляется в момент изменения синхронизирующего напряжения с отрицательного на положительное (такой принцип принят в моделирующей программе), то напряжения синхронизации тиристоров определяются таблицей 1. Так как одновременно должны быть включены не менее двух тиристоров, а следующий тиристор включается через 60 эл. градусов, то длительность управляющих импульсов должна быть не менее 60 эл. градусов (рекомендуется брать ее 65 эл. градусов). Непрерывное постоянное напряжение (соответственно и непрерывный ток)

при активной нагрузке наблюдается при углах управления 60o . Максимальный угол управления при активной нагрузке 120o. В диапазоне 60o 120o постоянное напряжение и ток прерывисты.

3

4

Рисунок 2. Фазные напряжения, выпрямленное напряжение и интервалы открытого состояния тиристоров шестифазной схемы выпрямления при активной нагрузке и угле управления =45o

При нулевом угле управления (или для неуправляемого выпрямителя) максимальное выпрямленное напряжение равно

где Uф - действующее значение переменного фазного напряжения. Регулировочная характеристика (зависимость выпрямленного напряжения

от угла управления тиристорами) состоит из двух участков и описывается уравнениями

2.2. Работа шестифазной СВ при абсолютно сглаженном токе.

Большинство выпрямителей питаются через согласующий трансформатор или имеют на стороне переменного тока реакторы, которые ограничивают скорость нарастания тока в тиристорах. Нагрузка выпрямителей средней и большой мощности носит обычно активноиндуктивный характер и может содержать источник энергии постоянного тока. При хорошо сглаженном токе Id нагрузку условно можно представить источником тока. Принципиальная схема шестифазной

4

5

СВ (шестифазного преобразователя), которая учитывает сопротивления на стороне переменного тока и абсолютно сглаженный характер тока Id, приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема шестифазного преобразователя с учетом сопротивлений на стороне переменного тока и абсолютно сглаженном постоянном токе

Наличие индуктивного сопротивления X a La на стороне пере-

менного тока обуславливает возникновения в течение времени равного углу процесса коммутации тока, то есть уменьшение тока в запираемом тиристоре и увеличение тока в отпираемом тиристоре в течение некоторого времени. Временные диаграммы токов и напряжений для интервала коммутации тока с тиристора VS1 на тиристор VS3 показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение токов и напряжений при включении тиристора VS3 и выключении VS1

Возможны три режима коммутации.

Первый режим коммутации наблюдается при угле коммутации 3 , когда в интервале коммутации работают три тиристора, а вне коммутации два тиристора. Этот режим является нормальным режимом работы преобразователя при питании его от источника переменного напряжения. Получить аналитическое описание процесса коммутации удается, если активное сопротивление на стороне переменного тока пренебрежимо мало. Такое допущение справедливо для достаточно мощных преобразователей, когда индуктивное сопротивление согласующего трансформатора значительно

больше активного. Без учета активного сопротивления Ra угол коммутации для первого режима определяется уравнением

Внешняя характеристика при угле коммутации π3

При достаточно большом выходном напряжении преобразователя падением напряжения на открытом тиристоре UV можно пренебречь.

Второй режим коммутации наблюдается при сумме углов управления и коммутации π 2. . Режим характеризуется тем, что угол комму-

5

6

тации остается неизменным и равным π 3, то есть постоянно включены три тиристора. Сохранения угла коммутации обеспечивается задержкой момента отпирания тиристора относительно начала управляющего импульса, то есть принудительным увеличением угла управления. Второй режим возможен только при углах управления 6 . Ток, при котором начинается второй режим коммутации, определяется выражением

Внешняя характеристика описывается уравнением эллипса

Рисунок 5. Семейство внешних характеристик управляемой шестифазной СВ при ra=0, xa=0.1 o.e.

1, 4, 5, 6 - внешние характеристики для первого режима коммутации, описываемые уравнением (5) и различных углах управления.

2 - внешняя характеристика при втором режиме коммутации, описываемая уравнение (7). В точке В вынужденный угол управления равен π 6 .

3, 7 - внешние характеристики в третьем режиме коммутации, описываемые уравнением (8) при углах управления (в том числе и вынужденных) 6 и π4 , соответственно.

6

7

Третий режим коммутации возможен при угле управления (в том числе и вынужденном) 6 и угле коммутации 3. . Внешняя характеристика описывается уравнением

Ток короткого замыкания преобразователя равен

Напомним, что приведенные выражения справедливы при Ra=0, а все участки внешних характеристик должны стыковаться при граничных токах.

2.3. Краткие сведения о моделирующей программе "Nerr99"

Программа "Nerr99" позволяет моделировать переходные процессы в электрических цепях, включающих диоды, тиристоры, транзисторы в ключевом режиме и нелинейные элементы с однозначной вольтамперной характеристикой. Моделируемая схема изображается в виде ветвей, имеющих сквозную нумерацию, начинающуюся с единицы, и узлов, имеющих сквозную нумерацию с, задаваемым по умолчанию, базовым (нулевым) узлом. Схема замещения преобразователя, преобразованная к виду удобному для моделирования, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема замещения управляемой шестифазной СВ

Ветвями являются: резистор с включенным параллельно источником тока; конденсатор; индуктивность; диод; тиристор; нелинейный двухполюсник. Контроль напряжения возможен только на отдельных ветвях, поэтому для контроля линейных напряжений введены фиктивные резисторы (с заведомо большими сопротивлениями) R11,..,R12 и R19,...,R21. Для контроля выходного напряжения введен фиктивный резистор R22. Ветвь имеет начальный и конечный узел, напряжение ветви есть разница потенциалов начального и конечного узла. Номера узлов на рисунке 6 показаны в прямоугольниках.

7

8

После запуска программа "Nerr99" предлагает меню: 1 - ВВОД ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ИЗ ПАМЯТИ 2 - РУЧНОЙ ВВОД ПАРАМЕТРОВ НОВОЙ СХЕМЫ

3 - ИНСТРУКЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОГРАММЫ Рекомендуется ознакомиться с инструкцией, после чего ввести пара-

метры схемы из памяти, набрав имя файла "СВ6", ввести базовую частоту 50 Гц и прочитать графическое изображение схемы.

О С Н О В Н О Е М Е Н Ю:

1 - АНАЛИЗИРУЕМАЯ СХЕМА (если схема была введена)

2 - ЗАДАТЬ (изменить) ПЕРЕЧЕНЬ ВЫВОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ

3 - ЗАДАТЬ (изменить) МАСШТАБ ВЫВОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ

4 - ПРОДОЛЖИТЬ РАСЧЕТ С НЕ НУЛЕВЫМИ УСЛОВИЯМИ

5 - НАЧАТЬ (повторить) РАСЧЕТ 6 - ВЫВОД ТЕКУЩИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОЦЕНОК(если считались)

7 - ВЫВОД НА ДИСПЛЕЙ ТЕКУЩИХ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ

8 - ИЗМЕНИЕ ТЕКУЩИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТВЕЙ СХЕМЫ

9 - РАБОТА С МАССИВАМИ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ЗАПИСЬ ТЕКУЩИХ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ В ФАЙЛ ИЗМЕНЕНИЕ БАЗОВОЙ ЧАСТОТЫ РАСЧЕТ СЕРИИ ИНТЕГР. ОЦЕНОК С ЗАПИСЬЮ В ФАЙЛ

ЧТЕНИЕ И ВЫВОД СЕРИИ ИНТЕГР. ОЦЕНОК ИЗ ФАЙЛА КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОГРАММЕ ГРАФИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР Paint (только в WINDOWS-95) <Esc> - ЗАВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ

Графический вывод токов и напряжений и расчет интегральных оценок осуществляется, только если были заданы номера ветвей, токи и напряжения которых необходимо вывести. Задание контролируемых ветвей осуществляется при выборе пункта 2 меню или (при первом задании) пункта 5. Номера контролируемых ветвей запоминаются и далее могут повторно не вводится.

Масштаб (размер графика тока или напряжения) осуществляется в пункте 3 или (при первом задании) в пункте 5. При выборе масштаба надо учитывать, что размер экрана составляет 640*480 точек. В зависимости от количества осей и величин токов и напряжений определяется масштаб как количество точек отводимое на один вольт или один ампер контролируемой величины.

Внимание: Неправильный выбор масштаба, когда выводимая точка оказывается за пределами экрана, может привести к принудительному завершению выполнения программы операционной системой.

Пункт 5 "Начало..." позволяет начать моделирование с нулевыми или нет начальными условиями, а пункт 4 "Продолжить..." позволяет только продолжить моделирование с использованием достигнутых ранее значений в качестве начальных.

8

9

Пункт 7 выводит все параметры моделируемой схемы без возможности их изменения. Пункт 8 позволяет изменить параметры одной ветви. При этом резисторы, конденсаторы и индуктивности взаимозаменяемы, а диоды, тиристоры и нелинейные элементы нет.

Пункт 9 позволяет, если было задано условие записывать результаты моделирования в файл, повторить вывод контролируемых величин изменив их расположение, масштаб и интегральную оценку.

Пункт 6 позволяет вывести интегральные оценки, если их вычисление было задано в пункте 2 или 5. Под интегральными оценками понимается вычисление среднего, действующего значения тока или напряжения или вычисление его гармонического состава.

Примечание: В программе "Nerr99" вводятся и выводятся действующие значения токов и напряжений, в том числе и для отдельных гармоник.

3. ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

3.1. Определение базисных величин.

Используя данные заданного варианта лабораторной работы рассчитать следующие величины:

Расчет абсолютных значений Хабс через его относительное значение хотн и номинальное значение ХН определяется по формуле: Хабс = ХН хотн.

3.2. Преобразователь с активной нагрузкой и малымисопротивлениями на стороне переменного тока.

3.2.1. В ветвях 13,...,18 установить активные сопротивления величиной не более 0.001ZФН. В ветвях 23, 24 установить активные сопротивления равные

0.5ZdH.

3.2.2. Изменяя угол управления тиристорами от 0o до 120o вычислять средние значения напряжения на выходе преобразователя. Для нескольких значений угла управления зафиксировать форму выходного напряжения, входные токи выпрямителя и напряжение на одном из тиристоров. Построить на одном графике теоретическую (по выражениям (2), (3)) и модельную регулировочные характеристики.

3.3. Преобразователь с активной нагрузкой и конечными сопротивлениями на стороне переменного тока.

3.3.1. В ветвях 13,...,15 установить активные, а в ветвях 16,...,18 индуктивные сопротивления согласно заданному варианту лабораторной работы. В ветвях 23, 24 установить активные сопротивления равные 0.5ZdH.

9

10

3.3.2. Изменяя угол управления тиристорами от 0o до 120o вычислять средние значения напряжения на выходе преобразователя. Для нескольких значений угла управления зафиксировать форму выходного напряжения, входные токи выпрямителя и напряжение на одном из тиристоров. Построить на одном графике теоретическую (по выражениям (2), (3)) и модельную регулировочные характеристики.

3.4.Преобразователь с активноиндуктивной нагрузкой и малыми сопротивлениями на стороне переменного тока.

3.4.1.В ветвях 13,...,18 установить активные сопротивления величиной не

более 0.001ZФН. В ветви 23 установить индуктивное сопротивление согласно варианту лаб. работы, в ветви 24 установить активное сопротивление равное ZdH.

3.4.2.Изменяя угол управления тиристорами от 0o до 120o вычислять средние значения напряжения на выходе преобразователя. Для нескольких значений угла управления зафиксировать форму выходного напряжения и тока, входные токи выпрямителя и напряжение на одном из тиристоров. Построить на одном графике теоретическую (по выражениям (2), (3)) и модельную регулировочные характеристики.

3.5.Преобразователь с активноиндуктивной нагрузкой и конечными сопротивлениями на стороне переменного тока.

3.5.1.В ветвях 13,...,15 установить активные, а в ветвях 16,...,18 индуктивные сопротивления согласно заданному варианту лабораторной работы. В ветви 23 установить индуктивное сопротивление согласно варианту лаб. работы, в ветви 24 установить активное сопротивление равное ZdH.

3.5.2.Изменяя угол управления тиристорами от 0o до 120o вычислять средние значения напряжения на выходе преобразователя. Для нескольких значений угла управления зафиксировать форму выходного напряжения и тока, входные токи выпрямителя и напряжение на одном из тиристоров. Построить на одном графике теоретическую (по выражениям (2), (3)) и модельную регулировочные характеристики.

3.6.Преобразователь, работающий на источник тока (в режиме непрерывного тока)

3.6.1.В ветвях 13,...,15 установить активные, а в ветвях 16,...,18 индуктивные сопротивления согласно заданному варианту лабораторной работы. В ветви 23 ус-

тановить активное сопротивление равное 0.01ZdH, в ветви 24 установить активное сопротивление равное 100ZdH и источник постоянного тока с током IdH.

3.6.2.Изменяя угол управления тиристорами от 0o до 160o вычислять средние значения напряжения на выходе преобразователя. Для нескольких значений угла управления зафиксировать форму выходного напряжения и тока, входные токи выпрямителя, одно из линейных напряжений на входе преобразователя и напряжение на одном из тиристоров. Построить на одном графике теоретическую (по выражениям (5) без учета падения напряжения на тиристоре) и модельную регулировочные характеристики.

10