Manuals Romania

- 1 -

Manuale Scurte pentru Laboratorul la Distan al PEMCWebLab

Versiunea Romn

Timioara 2008

Aceste activiti au fost realizate n cadrul proiectuluit "nmnt practic n form electronic interactiv la distan (EDIPE)". Acest proiect a fost suportat de Comunitatea European n cadrul programului Leonardo da Vinci II (proiect Nr CZ/06/B/F/PP-168022). Opiniile exprimate de autori nu reflect n mod neaprat poziia Comunitii Europene, nici nu implic vreo responsabilitate din partea acesteia.

- 2 -

Cartea Manualelor Scurte

ale Laboratoarelor la Distan PEMCWebLab

Versiunea Romn

Copyright

ISBN 978-80-7204-625-6


- 3 -

Cuprins 1.1 Circuite Redresoare Monofazate i Trifazate . . . . . . . . . . . . 5 Universitatea Politehnica Timioara 1.2. Msurarea Circuitelor de Curent Continuu i a Circuitelor Rezonante de Curent Alternativ . . . . . . . . . . . . . . 13 Universitatea Politehnica Timioara 2.1 Electronic de Putere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Universitatea de Tehnologie Delft 2.2 Corecia Factorului de Putere . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Universitatea Politehnica Timioara 2.3 Modulaia Impulsurilor n Durat . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Universitatea de Tehnologie Warsaw 2.4 Convertor c.c. c.c. pentru Sursele de Energie Regenerabile i Microreele . 52 Institutul Naional Politehnic din Lorraine 2.5 Calitatea Puterii i Filtre Active . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Universitatea Ruhr din Bochum 2.6 Dinamica unei Comenzi de Acionare a unui Motor Asincron cu Convertor DC/DC . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Universitatea Tehnic Naional din Atena 3.1 Generator Sincron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Universitatea Tehnic Trencin 3.2 Msurarea Motoarelor de Curent Continuu . . . . . . . . . . . . 83 Universitatea de Tehnologie Brno 3.3 Motorul de Curent Continuu . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Universitatea Tehnic Trencin 3.4 Motorul Asincron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Universitatea Tehnic Trencin 4.1 Elementele de Baz ale Teleroboticii bazat pe Internet . . . . . . . . 100 BMGE Budapesta 4.2 Mecatronic i Hardware n Simularea Buclelor . . . . . . . . . . . 120 Universitatea din Maribor 4.3 Acionri cu Dinamic Ridicat Comanda Micrii . . . . . . . . . 129 Universitatea de Tehnologie Vienna 4.4 Acionri Electrice Automobilistice . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Universitatea de Tehnologie Brno 4.5 Sistem de Rezervoare de Ap Comandat cu Minicontrollere Logice . . . . 143 Universitatea Tehnic Kosice 4.6 Sistem de Transportoare Controlate de SLC . . . . . . . . . . . . 153 Universitatea Tehnic Kosice

- 4 -

Introducere n Laboratoarele Comandate la Distan

PEMC WebLab

- 5 -

Modulul 1.1

Circuite Redresoare Monofazate i Trifazate

Universitatea Politehnica Timioara

Autori: Dan Lascu Dan Negoiescu

Mihaela Lascu


- 6 -

1.1 Circuite Redresoare Monofazate i Trifazate

n laboratorul web al PUT s-a elaborat un laborator complex de la distan legat de redresoarele necomandate. Conexiunea de la distan a experimentului este explicat n seciunea experimentelor online pe pagina web. Pentru a rula experimentul de la distan "Circuite redresoare monofazate i trifazate", studentul trebuie s aib instalat pe computerul su personal LabView Run Time Engine 8.0.1.

La rezervare experimentului va aprea fereastra SELECTION FRONT PANEL (panoul frontal de selecie). Utilizatorul va comuta ntre dou panouri frontale: SELECTION FRONT PANEL i MEASUREMENT FRONT PANEL (panoul frontal de msurare). Funciile acestor panouri sunt explicate n documentul Manualul Redresoarelor.

Obiectivele experimentelor: Conceptele de baz ale redresoarelor:

Natura neliniar a circuitelor redresoare, Funcionarea redresoarelor este strict dependent de sarcin, Rolul diodei de nul.

Funcionarea redresorului cu priz median. Funcionarea punii monofazate:

Sarcina inductiv, Sarcina capacitiv detecia de vrf

Avantajele i dezavantajele dintre punte i configuraia cu priz median Dublorul de tensiune Redresor trifazat simplu cu diode:

Funcionarea sub forma a trei redresoare monofazate, cu curent de sarcin interschimbabil cnd sarcina este inductiv (analogia cu circuitul SAU)

Principiul de funcionare al redresorului trifazat n punte, sub forma a dou redresoare trifazate simple, independente:

Sarcinile inductive i capacitive, Avantajele i dezavantajele redresorului n punte n comparaie cu redresorul trifazat

simplu. Proiectarea redresorului trifazat cu punte.

Simularea se va efectua folosind pachetul CASPOC. Dac nu se specific altfel, toate tensiunile sunt raportate ca referin n funcie de nodul de mas. Pentru a urmri formele de und ale tensiunii i curentului, cu acelai osciloscop, folosii butoanele de amplificare la afiarea curenilor. Pentru fiecare experiment amplitudinea tensiunii de intrare se va msura separat nainte de alte msurtori.

Tema 1 Redresor monoalternan sarcin rezistiv Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 1: Redresor monoalternan sarcin rezistiv Tema 1.1 Analizai formele de und ale tensiunii de intrare v2 i tensiunii de ieire v0. Explicai de ce amplitudinea tensiunii de ieire este puin mai mic dect tensiunea de intrare. Tema 1.2 Examinai spectrul tensiunii de intrare i tragei concluziile referitoare la puritatea sa spectral. Msurai valoarea sa efectiv, amplitudinea sa i THD-ul su, verificnd dac se poate atribui tensiunii de intrare un caracter

R 25

~

ro 1

D

vo

v2

io

50V 50H

z

i2

r2 1

Exp 1

- 7 -


sinusoidal. ntr-o astfel de situaie, estimai valorile medii i efective ale tensiunii de ieire. Tema 1.3 Msurai valorile medii i efective tensiunii de ieire folosind butoanele de msurare corespunztoare, amplasate deasupra osciloscopului. Comparai valorile msurate cu cele teoretice, calculate anterior. Analizai spectrul tensiunii de ieire i forma i und i tragei concluziile referitoare la frecvena sa fundamental i la armonici (pare i impare). Tema 1.4 Vizualizai pe acelai osciloscop curentul de ieire i0 mpreun cu de tensiunea de ieire i estimai teoretic valoarea sa medie i efectiv. Cum sunt asociate aceste valori valorilor corespunztoare ale tensiunii de ieire? Dai un PrintScreen (tiprire ecran) al spectrului curentului de sarcin (se va folosi ulterior pentru comparaie). Reinei c v2 este tensiunea din secundarul unui transformator. Analizai curentul absorbit de la surs i corelai-l cu curentul de ieire. Care este dezavantajul folosirii unui astfel de redresor din punctul de vedere al formei curentului de intrare.

Tema 2 - Redresor monoalternan sarcin rezistiv Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 2: Redresor monoalternan sarcin inductiv

Tema 2.1 Analizai formele de und ale tensiunii de intrare v2 i tensiunii de ieire v0. Explicai din punct de vedere calitativ partea negativ a formei de und din tensiunea de ieire. Msurai tensiunea de ieire medie. Tema 2.2 Examinai curentul de ieire corelat cu tensiunea de ieire i specificai dac valoarea unghiului de conducie al diodei este mai mare sau mai mic dect jumtatea perioadei reelei (180o ntr-o abscis unghiular). Msurai vrful curentului de sarcin i efectuai PrintScreen-uri separate ale

spectrelor tensiunii de ieire i curentului de ieire (se vor folosi ulterior n experiment).

Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 3: Redresor monoalternan sarcin inductiv ntr-o astfel de situaie configuraia circuitului este aceeai cu excepia faptului c

valoarea rezistorului de sarcin a sczut la 25. Tema 2.3 Ce s-a ntmplat cu partea negativ a tensiunii de ieire? Dai o explicaie fizic a fenomenului. Efectuai msurarea tensiunii medii de ieire i explicai de ce este mai mic dect aceeai valoare msurat la Tema 1.3 i Tema 2.1. Msurai, de asemenea, ct timp este n conducie dioda i prin urmare unghiul de conducie al diodei . Tema 2.4 Lund n considerare rezultatele de la toate temele de mai sus, deducei ecuaia diferenial a curentului prin inductor. Soluionai literal aceast ecuaie i determinai valoarea de vrf a curentului de sarcin i unghiul de conducie al diodei. Indiciu: pentru a determina unghiul de conducie al diodei impunei, pentru a doua oar, valoarea zero pentru curentul prin inductor (evident c, curentul inductor pornete de la zero la nceputul fiecrei perioade). Reinei c este dat de o ecuaie transcendent care trebuie rezolvat numeric. Verificai dac, calculele dumneavoastr corespund cu msurtorile efectuate prin calculul teoretic al tensiunii medii de ieire. Tema 2.5 Msurai valoarea medie a curentului de sarcin. Aceast valoare este mai mic sau mai mare dect cea din cazul rezistiv (Tema 1.4)? Explicai de ce. Msurai valoarea vrfului curentului de sarcin i comparai-o cu aceeai valoare msurat la Tema 2.2. i dai explicaii referitoare la diferene. Comparai, de asemenea, spectrul tensiunii i curentului cu cele salvate anterior la Tema 2.2 raportnd toate armonicile la valoarea medie. Ce putei spune despre natura sarcinii vzute ca un filtru de curent?

L 60mH 1.15

R 94

(25) ~

ro 1

D

vo

v2

io

50V 50Hz

i2

r2 1

Exp 2 (Exp3)

- 8 -


Tema 3 - Redresor monoalternan sarcina inductiv i dioda de nul Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 4: Redresor monoalternan sarcin inductiv i diod de nul. Acest experiment prezint conceptul diodei de nul, asociat ntotdeauna sarcinilor inductive.

Tema 3.1 Analizai simultan formele de und ale tensiunii de intrare v2 tensiunii de ieire v0, curentului prin dioda redresoare D1 i2 i curentului prin dioda de nul iD2. Lund n considerare felul n care conduc cele dou diode, explicai forma tensiunii de ieire. Reinei c tensiunea de ieire este uor negativ n jumtatea negativ a perioadei tensiunii de intrare. Care este cauza unui astfel de comportament? Tema 3.2 Msurai tensiunea medie de ieire i comparai-o cu valoarea msurat n cazul

rezistiv (Tema 1.3). Explicai diferena ntre cele dou valori. n ce situaie, tensiunea de intrare i tensiunea de ieire se pot considera n ambele situaii identice? Tema 3.3 n aceeai fereastr vizualizai curenii diodelor i2 i iD2 i curentul de sarcin io. Indicai o relaie ntre valorile instantanee i verificai experimental corelaia dintre valorile lor medii. Comparai valoarea medie a curentului de sarcin i spectrele cu cele din cazul rezistiv i din cazul cu sarcin inductiv (Tema 1.4 i 2.4). Examinai curentul de sarcin i decidei dac atinge zero sau nu. Demonstrai matematic rspunsul dumneavoastr. Prezentai dou avantaje importante de folosire a diodei de nul n cazul unei sarcini inductive.

Tema 4 - Redresor monoalternan sarcin capacitiv Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 5: Redresor monoalternan sarcin capacitiv

Tema 4.1 Examinai formele de und ale tensiunii de intrare v2 i tensiunii de ieire v0 alturi de curentul prin diod i2. Cum este asociat ncrcarea capacitiv cu conducia diodei? Cu ce fel de circuit analogic seamn aceast configuraie? Care va fi tensiunea de ieire medie n situaia unei valori capacitive deosebit de mari? Tema 4.2 Msurai tensiunea medie de ieire i explicai de ce rezultatul nu este n conformitate cu valoarea teoretic specificat mai sus. Estimai pulsaia

tensiunii de ieire n funcie de constanta de timp a sarcinii RC, frecvena tensiunii de intrare f i amplitudinea VM. Lund n consideraie formula pulsaiei, mbuntii estimarea dumneavoastr asupra valorii tensiunii de ieire. Msurai pulsaia vrf la vrf a tensiunii de ieire i comparai-o cu ateptrile dumneavoastr teoretice, apoi explicai de ce apar diferene. Tema 4.3 Msurai valorile unghiului de conducie a diodei , curentul mediu i curentul de vrf al diodei. Msurai, de asemenea, curentul mediu de sarcin i comparai-l cu valoarea medie a curentului prin diod. Explicai de ce cele dou valori medii sunt identice, dei formele de und sunt complet diferite.

R 25

ro 1

D1

vo

io

D2

rD2 1

iD2

~ v2 50V

50Hz

i2

r2 1

Exp 4

L 60mH 1.15

C 470F

(235 F)

R 94

ro 1

D

vo

io

~ v2 50V

50Hz

i2

r2 1

Exp 5 (Exp 6)

- 9 -


Tema 4.4 Examinai spectrul curentului de intrare i msurai THD-ul su (se va face referire la el mai ncolo n cadrul experimentului).

Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 6: Redresor monoalternan sarcin capacitiv

Acest experiment este la fel ca cel anterior, dar cu jumtate din valoarea condensatorului. Tema 4.5 Msurai pulsaia tensiunii de ieire. Ce a determinat creterea pulsaiei tensiunii de ieire fa de valoarea msurat la Tema 4.2? Msurai unghiul de conducie al diodei , valoarea medie i de vrf a curentului prin diod, dup care comparai aceste valori cu cele msurate la Tema 4.3. Explicai diferenele. Tema 4.6 Examinai spectrul curentului de intrare, msurai THD-ul su i comparai-l cu cel din Tema 4.4. Tragei cteva concluzii calitative cu privire la diferene. Afiai tensiunea i curentul de ieire mpreun i urmrii forma lor similar. Tema 5 Redresor bialternan cu priz median Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 7: Redresor bialternan cu priz median sarcin inductiv

Tema 5.1 Examinai cele dou tensiuni de intrare v21 i v22 i urmrii proprietatea lor de defazare. Aceste tensiuni sunt obinute n secundarul unui transformator cu priz median. Explicai funcionarea redresorului, considernd c prin sarcin curentul nu atinge niciodat zero i descompunei-l n dou redresoare monoalternan independente, fiecare alimentat de una din cele dou tensiuni de intrare. Explicai funcionarea gsind asemnrile cu un circuit logic SAU. Tema 5.2 Afiai tensiunea de ieire i

specificai frecvena sa fundamental. Aproximai tensiunea medie de ieire n funcie de amplitudinea tensiunii de intrare. Msurai aceast valoare i verificai dac rezultatul dumneavoastr este ntemeiat. Afiai tensiunea pe dioda D1, vD1 i reinei valoarea sa de vrf (solicitarea n tensiune a diodei). Reinei c tensiunea de ieire prezint valori negative mici la trecerea prin zero a tensiunii de intrare. Explicai acest comportament. Indiciu: Luai n considerare faptul c diodele nu au comutaia ideal. Cum putei explica faptul c nu exist pri negative semnificative ale tensiunii de ieire (la fel ca n cazul monoalternan) dei se conecteaz aceeai sarcin inductiv? Tema 5.3 Examinai curentul de sarcin i formele de und ale tensiunilor. Care sunt motivele pentru care curentul de sarcin este mult mai neted dect n cazul monoalternan? Msurai valoarea media a curentului de sarcin. Dai relaia dintre curentul mediu de sarcin i valoarea tensiunii de sarcin. Aceast valoare medie este influenat de inductor? Explicai de ce. Afiai spectrele v0, i0 i i2 i dai un PrintScreen pentru fiecare dintre ele (se vor folosi pentru comparaie). Tema 5.4 Afiai curentul i2 alturi de tensiunea i curentul de ieire. Cum explicai formele lor i care este unghiul de conducie al diodei ? Msurai valoarea medie a lui i2 i comparai-o cu valoarea medie a curentului de sarcin. Explicai modul n care aceste valori sunt corelate ntre ele.

R 25

ro 1

D1

vo

io

D2

v22

~ v21

50V 50Hz

i21 r2

1

~

50V 50Hz

Exp 7 vD1

L 60mH 1.15

- 10 -


Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 8: Redresor bialternan cu priz median sarcin capacitiv. Se folosete aceeai sarcin cu acelai filtru capacitiv, la fel ca n cazul monoalternan (Experiment 5).

Tema 5.5 Examinai tensiunea de ieire i msurai valoarea sa medie, frecvena fundamentalei i pulsaia vrf la vrf. Explicai de ce pulsaia este aproximativ jumtate comparativ cu cea din cazul monoalternan (Tema 4.2.) dei sarcina este aceeai. Reinei c dei forma tensiunii de ieire este diferit fa de cazul sarcinii inductive (analizat anterior), armonicile tensiunii de ieire sunt la aceleai frecvene. Comparai spectrul tensiunii de ieire cu cel din cazul sarcinii inductive. Care spectru este mai bun?

Tema 5.6 Msurai valoarea medie a curentului de sarcin. Comparai spectrul curentului de sarcin n cele dou cazuri i explicai diferenele. Tema 5.7 Msurai valoarea de vrf a curentului diodei D1 i unghiul su de conducie . Examinai spectrul curentului de intrare i comparai-l cu cazul sarcinii inductive (Tema 5.3). Care este frecvena fundamentalei curentului de intrare?

Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 9: Redresor bialternan cu priz median sarcin capacitiv. Acesta este acelai experiment ca cel anterior, dar cu o valoare a rezistenei de sarcin mai mare. Tema 5.8 Msurai valorile medii ale tensiunii de ieire i curentului i explicai de ce ele s-au schimbat fa de experimentul anterior. Tema 5.9 Examinai pulsaia tensiunii de ieire i explicai de ce aceasta a sczut. Msurai, de asemenea, valoarea vrfului curentului de intrare i unghiul de conducie al diodelor i comparai-le cu cazul anterior. Furnizai anumite explicaii calitative pentru aceste valori diferite. Tema 5.10 Enumerai cel puin patru avantaje principale ale topologiei cu priz median fa de redresorul monoalternan. Indiciu: urmrii calitatea tensiunii de ieire comparativ cu o tensiune continu pur, solicitarea n curent a diodei i netezimea curentului de sarcin. Tema 6 Redresorul bialternan n punte Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 10: Redresor bialternan n punte sarcin inductiv

Tema 6.1 Examinai formele de und ale tensiunii de ieire i curentului. Msurai frecvena fundamentalelor i valorile medii i comparai-le apoi cu cazul cu priz median (Tema 5.2, 5.3). Explicai de ce valorile medii n cazul punii sunt puin mai mici dect n cazul cu priz median. Comportamentul este similar din punct de vedere al formelor de und ale tensiunii de ieire i curentului? Explicai de ce, cele dou poriuni redresate pe jumtate de perioad ale tensiunii de ieire

R 25

(94)

ro 1

D1

vo

io

D2

v22

~ v21

50V 50Hz

i21 r2

1

~

50V 50Hz

C 470F

Exp 8 (Exp 9)

R 25

ro 1

D1

vo

io

D4

D2

D3

rD2 1

iD2 ~ v2

50V 50Hz

i2

r2 1

Exp 10

N

P

L 60mH 1.15

- 11 -


nu sunt identice n ceea ce privete valoarea lor de vrf i prin urmare, exist o asimetrie n forma pulsatorie a curentului de sarcin. Tema 6.2 Comparai curentul iD2 cu curentul printr-una din diodele din cazul cu priz median. (vezi Printscreen corespunztor de la Tema 5.3). Comparai, de asemenea, valorile lor medii (vezi Tema 5.4) i explicai de ce sunt aproape egale. Msurai solicitarea n tensiune a diodei D1 i comparai-o cu solicitarea similar a diodei la redresorul cu priz median (Task 5.2). Explicai valorile acestor solicitri. Tema 6.3 Trasai teoretic formele de und vP i vN i aproximai valorile lor medii. Apoi, vizualizai aceste forme de und i msurai valorile lor medii i comparai-le cu ateptrile teoretice. Dovedii c redresorul cu punte se poate diviza n dou redresoare monoalternan independente (eventual cu diode de nul)? Redesenai schema pentru a scoate n eviden cele dou redresoare independente. Tema 6.4 Afiai curentul de intrare i2 i spectrul su. Verificai c exist numai armonici impare i c nu exist o component continu. Comparai-l cu spectrul curentului de intrare din cazul cu priz median (Tema 5.3). Estimai modul n care transformatorul este solicitat din punctul de vedere al magnetizrii n cazul punii i n cazul cu priz median. Indiciu: raportai toi curenii la primar. Msurai THD-ul curentului de intrare i factorul de putere de intrare.

Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 11: : Redresor bialternan n punte sarcin capacitiv Tema 6.5 Examinai formele de und ale tensiunii i curentului de ieire. Msurai frecvena fundamentalei tensiunii de ieire, valoarea medie i pulsaia, dup care comparai-le cu cazul cu priz median (Tema 5.5). Comportamentul este similar din punctul de vedere al formelor de und ale tensiunii i curentului de ieire? Msurai valoarea medie a curentului de sarcin. Tema 6.6 Comparai curentul iD2 cu curentul prin una din diode din cazul cu priz median (Tema 5.7). Tema 6.7 Afiai curentul de intrare i2 i spectrul su i facei un PrintScreen. De ce este valoarea negativ maxim mai redus dect valoarea maxim pozitiv? Exist n spectrul curentului de intrare numai armonici impare? Motivai-v rspunsul. Comparai-l cu spectrul

curentului de intrare n cazul cu priz median (Tema 5.7) i n cazul punii cu sarcin inductiv (Tema 6.4). Tema 6.8 Msurai THD-ul curentului de intrare i factorul de putere de intrare. Tragei cteva concluzii despre factorul de putere n cazul sarcinilor inductive i capacitive. Facei o comparaie ntre redresoarele cu punte cu sarcin inductiv i capacitiv. Urmrii urmtoarele aspecte: ct de aproape este tensiunea de ieire comparativ cu o tensiune continu

pur, ct de aproape este curentul de ieire comparativ cu un curent continuu pur, solicitrile n curent ale diodei n funcie de curentul mediu de sarcin, consideraii asupra factorului de putere. Tema 6.9 Comparai puntea cu topologia cu priz median n toate aspectele pe care vi le putei imagina. Furnizai rezultatele n forma unui tabel. Tema 7 Dublorul de tensiune Mai nti Simulai apoi Rulai Experimentul 12: Dublorul de tensiune sarcin rezistiv

R 25

ro 1

D1

vo

io

D4

D2

D3

rD2 1

iD2 ~ v2

50V 50Hz

i2

r2 1

C 470F

Exp 11

- 12 -


Tema 7.1 Explicai funcionarea dublorului de tensiune privindu-l ca dou redresoare monoalternan independente, cu sarcin capacitiv, avnd sarcina conectat ntre ieirile lor. Specificai elementele care aparin fiecruia din cele dou redresoare monoalternan. Tema 7.2 Msurai tensiunile vP i vN i tragei o concluzie cu privire la starea diodelor D2 i D3. Corespunde aceast concluzie consideraiilor teoretice anterioare referitoare la funcionarea dublorului de tensiunea. Explicai de ce vP i vN sunt n oglind una fa de cealalt i defazate.

Tema 7.3 Msurai tensiunea medie de ieire i frecvena sa. Realizai o simulare cu un condensator egal cu 235F i investigai din nou frecvena tensiunii de ieire. Argumentai de ce frecvena difer de cazul de simulare. Tema 7.4 Determinai teoretic solicitarea n tensiune a diodei D1 i comparai-o cu cazul cu punii capacitive. Verificai rspunsul prin msurarea solicitrii n tensiune a diodei D1, vD1. Tema 7.5 Msurai curentul mediu de

sarcin i comparai-l cu valoarea msurat n cazul punii (Tema 6.5). Comparai forma de und i2 cu cazul n punte (Tema 6.7). Msurai valoarea sa de vrf i explicai de ce vrfurile curentului de intrare sunt mai mari n comparaie cu cazul n punte.

R 94

ro 1

D1

vo

io

D4

D2

D3

~ v2 50V

50Hz

i2

r2 1

C 470F

C 470F

S

Exp 12 P

N

- 13 -

Modulul 1.2

Msurarea circuitelor de curent continuu i a circuitelor rezonante de curent alternativ

Universitatea Politehnica Timioara

Autori: Dan Lascu Mircea Bbi

Adrian Popovici Mihaela Lascu


- 14 -

1.2 Msurarea cicuitelor de curent continuu i a circuitelor rezonante de curent alternativ

Msurarea rezistenei n circuitele de curent continuu.

n laboratorul web al PUT s-a realizat un laborator pentru nvmnt la distan, n cadrul cruia se pot studia i circuitele de curent continuu.

Legtura la distan cu experimentul este explicat n seciunea experimentelor online de pe pagina web EDIPE. Pentru a rula experimentele de la distan pentru Msurarea circuitului de c.c., studentul trebuie s aib instalat pe computerul su personal, pachetul software LabView Run Time Engine 8.0.1.

La nregistrarea n experiment va aprea SELECTION FRONT PANEL (panoul frontal de selectare). n setarea iniial de baz, dispozitivele sunt inactive (nu exist alimentare cu tensiune). Utilizatorul va comuta ntre cele dou panouri frontale: SELECTION FRONT PANEL i MEASUREMENT FRONT PANEL (panoul frontal de msurare). Funciile acestor panouri sunt explicate n documentul DC Circuit Measurements Manual (manualul msurri n circuitele de c.c.). Teoria i relaiile necesare sunt prezentate n documentul DC Circuit Measurements Theoretical background (bazele teoretice ale msurtorilor circuitului de c.c.). Aceiai valoare a rezistorului se va msura prin metodele Upstream (amonte) i Downstream (aval) i se vor trage concluziile.

Etapele experimentului:

Setul de obiective 1

Rulai experimentul 1: Upstream

Tema 1.1. Citii i scriei valorile indicate de voltmetrul digital (VDC) i de ampermetrul digital (ADC).

Tema 1.2. Calculai valorile rezistenei Rx1. Neglijai rezistena intern a ampermetrului Ra. Tema 1.3. Calculai valoarea rezistenei Rx1 dac rezistena intern a ampermetrului este Ra=0.33.

Tema 1.4. Calculai eroarea absolut sistematic a metodei. Tema 1.5. Calculai eroarea relativ sistematic a metodei.


Rulai experimentul 2: Downstream

A

V RX2 VCC Rv

A

V RX1 VCC

Ra

- 15 -


Tema 2.1. Citii i scriei valorile indicate de voltmetrul digital (VDC) i de ampermetrul digital (ADC).

Tema 2.2. Calculai valoarea rezistenei Rx2. Neglijai rezistena intern a voltmetrului Rv. Tema 2.3. Calculai valoarea rezistenei Rx2 dac rezistena intern a voltmetrului este Rv=100M.

Tema 2.4. Calculai eroarea absolut sistematic a metodei. Tema 2.5. Calculai eroarea relativ sistematic a metodei.

Tema 2.6. Explicai rezultatele experimentale. Explicai de ce apar erori datorate msurrilor n cazul experimentelor Downstream i Upstream. Explicai care metod este indicat pentru msurarea rezistenelor n funcie de valoarea acestora.


Rulai experimentul 3: Bridge (punte)

Tema 3.1. Alegei rezistena Rv=330 (valoarea de baz). Tema 3.2. Citii i scriei valoare indicat de Zero Indicator (indicatorul de nul).

Tema 3.3. Alegei rezistena Rv=1,8k. Tema 3.4. Citii i scriei valoare indicat de Zero Indicator.

Tema 3.5. Crui interval i aparine valoarea rezistenei necunoscute? Calculai valoarea rezistenei necunoscute prin interpolarea liniar dintre indicaiile indicatorului i valorile rezistorului corespunztor.

Tema 3.6. Alegei rezistena Rv=1,2k. Tema 3.7. Citii i scriei valoare indicat de Zero Indicator.

Tema 3.8. Explicai de ce apar erori n cazul experimentului Bridge. De ce nu este precis interpolarea liniar? Specificai n ce situaie interpolarea liniar d rezultate destul de precise.

NI

RX3 Rv

R R

VCC

- 16 -


Circuitele de c.a. rezonante

n laboratorul web al PUT s-a realizat un laborator pentru nvmnt la distan, n cadrul cruia se pot studia i circuitele rezonante de curent alternativ.

Legtura la distan cu experimentul este explicat n seciunea experimentelor online de pe pagina web EDIPE. Pentru a rula experimentele de la distan pentru Msurarea circuitului de c.c., studentul trebuie s aib instalat pe computerul su personal, pachetul software LabView Run Time Engine 8.0.1.

La nregistrarea n experiment va aprea fereastra SELECTION FRONT PANEL (SELECTARE PANOU FRONTAL). La reglajul iniial, de baz, dispozitivele experimentale sunt inactive (nu exist alimentare cu tensiune). Utilizatorul va comuta ntre dou panouri frontale: SELECTION FRONT PANEL i MEASUREMENT FRONT PANEL (PANOUL FRONTAL DE MSURARE). Funciile acestor panouri sunt explicate n documentul Manual de circuite rezonante de curent alternativ. Teoria i relaiile necesare sunt prezentate n documentul Bazele teoretice ale circuitelor de rezonante de curent alternativ.

Etapele experimentului:


Rulare Experiment 1: Invertor rezonant serie

Tema 1.1. Selectai valoarea de 3.7kHz pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 1.2. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 1.3. Selectai valoarea 7.2kHz pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 1.4. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant. Tema 1.5. Care este valoarea maxim a curentului prin circuit pentru fiecare dintre frecvenele alese anterior? Explicai formele de und analizate. Specificai care din cazuri corespund funcionrii la frecvene mai mici sau mai mari dect frecvena de rezonan. Comparai formele de und simulate cu cele obinute experimental. Tema 1.6. Calculai frecvena de rezonan fo a circuitului serie. L=1,2mH i C=640nF.

- 17 -


Tema 1.7. Selectai valoarea fo pentru frecvena tensiunii de comand a porii din experiment. Tema 1.8. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 1.9. Msurai valoarea maxim a curentului prin circuit la rezonan. Explicai formele de und analizate. Calculai factorul de calitate Q al circuitului. Comparai valoarea curentului maxim msurat cu cea teoretic i explicai diferena.


Rulare experiment 2: Invertor LCC

Tema 2.1. Selectai valoarea de 3.7kHz pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 2.2. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 2.3. Selectai valoarea 7,2kHz pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 2.4. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 2.5. Care este valoarea maxim a curentului prin bobin, pentru fiecare dintre frecvenele alese? Specificai care din cazuri corespund funcionrii la frecvene mai mici sau mai mari dect frecvena de rezonan. Comparai formele de und simulate cu cele obinute experimental. Care este valoarea maxim a curentului prin circuit pentru fiecare dintre frecvenele alese anterior? Explicai formele de und analizate.

- 18 -


Tema 2.6. Calculai frecvena rezonant n circuit deschis f0, frecvena de rezonan de scurtcircuit f i frecvena fm pentru care impedanele capacitive i inductive sunt egale. L=1,2mH , Cs=640nF i Cp=220nF.

Tema 2.7. Selectai valoarea f0 pentru frecvena tensiunii de comand a porii.

Tema 2.8. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant. Tema 2.9. Selectai valoarea f pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 2.10. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 2.11. Selectai valoarea fm pentru frecvena tensiunii de comand a porii. Tema 2.12. Analizai urmtoarele forme de und afiate: - tensiunea de comand a porii - curentul rezonant - tensiunea de ieire a punii - spectrul de frecvene al curentului rezonant.

Tema 2.13. Care este valoarea maxim a curentului prin inductor? Explicai formele de und analizate. Tema 2.14. Explicai comutaia pentru tranzistoarele i diodele din circuit. Specificai situaiile n care modul de comutare a tranzistoarelor i diodelor este ZVC sau ZCS.

- 19 -

Modulul 2.1

Electronic de putere

Universitatea de Tehnologie Delft

Autori: Pavol Bauer


- 20 -

2.1 Electronic de Putere

Experiment de Electronic de Putere

n sistemul DelftWebLab s-au elaborat dou msurri complexe. Convertorul c.c. c.c. i demonstraia unui invertor trifazat cu modulaie vectorial, s-au selectat ca fiind cele dou sisteme de msurat. Acestea sunt cele dou posibiliti de conversie, de baz. Obiectivul general de nvare l constituie capacitatea de a urmri anumii pai de proiectare ai unui convertor de putere ntr-un mod bine structurat.

Convertorul c.c. c.c.:

Proiectai un convertor buck cu pulsaia de curent impus i verificai randamentul su. Obiectivele experimentului Obiectivele practice pot fi rezumate prin urmtoarele puncte: Simulai un proces tipic de proiectare al unui convertor Indicai structura fizic i construcia unui convertor modern Demonstrai efectele de comutare ale ntreruptoarelor semiconductoare de putere (de ex. pornirea/ oprirea i recuperarea invers) Demonstrai efectele n timp real, ntrzierile n acionare, etc. Comparai formele de und simulate i msurate. Artai influena elementelor parazite.

Obiectivul general este ndeplinirea urmtoarelor obiective specifice: nelegerea metodologiei de proiectare structurat nvarea diferitelor metode de conservare a energiei nvarea faptului c poziionarea componentelor i cablajul imprimat au anumite reguli (n ipoteza c se cunosc regulile) Vezi volumul, cablajul i asociaz-le puterii. Capabilitatea de a analiza un sistem existent ntr-un mod structurat Sistemele complexe se divid n subsisteme pentru nivelul funcional nvarea faptului c simularea (PC) i efectele lumii reale difer i capabilitatea de a nelege diferenele. Simplificarea simulrii (modelelor) din realitate Capabilitatea de a selecta un aparat Programarea microcontrolerului cu un scop specific nelegerea ntrzierilor n acionare Cerinele fa de sistem sunt: Vizualizarea i comanda sistemului real Trebuie s fie accesibil studenilor

Aspectul de proiectare l constituie proiectarea unui convertor c.c./ c.c. la sarcina dat i ondulaia de curent impus.

Procesul de proiectare Principala idee care st la baza experimentului o constituie simularea unui proces de proiectare tipic al unui convertor de putere. Aspectul de proiectare a identificat deja o parte deosebit de important i este n contradictoriu cu practica tradiional, unde obiectivul este de a respecta diferitele fenomene.

- 21 -


Procesul de proiectare se poate caracteriza prin urmtorii pai: Simularea sistemului dorit Programarea microcontrolerului pentru a genera impulsurile pentru convertorul de putere Asamblarea provizorie folosind blocurile constructive disponibile Msurarea semnalelor reale ale sistemului i rularea ansamblului provizoriu cu un modulator construit individual (programat) Comparaia dintre formele de und simulate i msurate cu privire la ntrzieri i efectele n timp real, etc.

Pentru ghidarea prin procesul de proiectare sunt pregtite cinci atribuii diferite.

Determinare O parte important o constituie determinarea. Obiectivele de nvare sunt verificate prin: ntrzieri i frecvena de comutare maxim Pierderi de comutare Ondulaia curentului obinut n continuare, se explic panoul frontal al unei msurri c.c.-c.c.

Panoul frontal c.c. c.c.

3

4

5

2

1

12 11 10

16 15 14 13

9

8

7

6

Figura 1.

1) Ajutor pentru codul microcontrolerului (uC)

2) Prin deschiderea acestei ferestre se poate scrie un cod uC pentru tema 2 i tema 5

3) Schema locului de munc (convertoarele c.c. c.c. incluznd sarcinile LR i maina de c.c.)

- 22 -


4) Prin deschiderea acestei conexiuni se poate vedea n direct adevratul loc de munc, folosind o camer web

5) Imaginea fotografic a locului de munc din laborator

6) Rezultatele msurrilor tensiunii de intrare V1 i de ieire V2 (valoare medie)

7) Afiarea formei de und (se pot afia simultan pn la patru forme de und diferite). Pentru a afia o form de und, apsai butoanele corespunztoare TRACE ON/OFF (pornire/ oprire form de und) (14)

8) Comenzi orizontale (putei modifica afiarea formelor de und prin reglarea scrii i poziiei lor)

Declanator automat: Declanatorul automat determin momentul n care osciloscopul ncepe s achiziioneze date i s afieze o form de und. Scara timpului: Cu aceast comand se poate modifica scara orizontal a tuturor formelor de und. Poziia orizontal: Putei ajusta Poziia Orizontal a declanatorului automat.

9) Citirea indic factorii de scar vertical ai canalelor

10) n fereastra separat care se deschide se poate prezenta o diferen a oricrei forme de und din cele dou forme de und selectate

11) Calculai puterea instantanee sau pierderile prin multiplicarea a dou forme de und. Se poate calcula o valoare medie, prin selectarea ferestrei de timp.

12) Parcurgei o transformare FFT a unei forme de und selectate. Intervalul de frecven depinde de scara selectat a timpului.

13) Comenzile verticale (se poate modifica modul de afiare a formelor de und prin reglarea scrii i poziiei lor)

CH1, 2,3 & 4: Selecteaz Ch 1, 2, 3 & 4 i modific factorii verticali ai scrii i poziia formei de und. Volts/div: Scara vertical a fiecrei forme de und se poate modifica prin aceast comand. Poziie: Poziia vertical a fiecrei forme de und se poate modifica deplasnd-o n sus i jos pe ecran.

14) Afieaz selectarea canalului i pornete i oprete afiarea canalului.

15) LABORATORUL TREBUIE S FIE PREGTIT!!!, n caz contrar, trebuie s ateptai cteva secunde pn cnd pornete sistemul

16) ATRIBUIILE TREBUIE PARCURSE N SECVENA DAT

- 23 -


(2) Scriei codul

Prin deschiderea acestei ferestre se poate scrie pentru tema 2 i tema 5 un cod de microcontroler

Figura 2.

Programarea microcontrolerului

Microcontrolerul trebuie programat astfel nct la un anumit pin de conexiune s fie generat un semnal de impulsuri cu o lime controlabil a impulsului.

- 24 -


T12PRL

T12SRL T12SRH

T12PRH

T12clk

Figura 3.

Ajutor: Cum se programeaz un microcontroler Un registru important n acest C este CCU6_TCTR0L, care iniializeaz timer-ul T12, folosit pentru generarea impulsurilor.

Frecvena generat este reglat prin modificarea regitrilor de 8 bii CCU6_T12PRL i CCU6_T12PRH. Prin reglarea acestui registru, se poate regla lungimea perioadei T (reinei c f=1/T). Frecvena oscilatorului (C) este de 13.3MHz. Valoarea registrului CCU6_T12PR o constituie numrul impulsurilor ceas ntr-o perioad a semnalului de impulsuri generat.

Urmtorii regitri importani sunt CCU6_CC60SRL i CCU6_CC60SRH. Aceti regitri regleaz raportul de serviciu al impulsurilor generate. Valoarea permis a acestor regitri este cuprins de la 0x01 pn la o valoare a registrului CCU6_T12RP. Valoarea CCU6_T12SR reprezint timpul n care semnalul i modific valoarea din valoarea log.0 n valoarea log.1.

Reinei c toate numerele trebuie s fie n format hexazecimal. Descrierea adiional a C XC866 este dat n partea "help (ajutor)" de unde putei s i descrcai manualul n PDF al microcontrolerului.

1. Exemplu: 3kHz i D=0.5

TCTR0L = 0xa0; CCU6_T12PRL = 0x51; CCU6_T12PRH = 0x11; CCU6_CC60SRL = 0xa8; CCU6_CC60SRH = 0x08

- 25 -


Figura 4. Impulsurile PWM de la microcontroler.

(10) Diferen

Meniul afieaz diferena a dou forme de und introduse n canalul A i canalul B. Alegei cte una pentru fiecare din canale, folosind butoanele derulante.

Figura 5. Selectarea canalului pentru meniul difereniat.

Dai clic pe butonul i se extrage diferena dintre cele dou forme de und.

ALEGEI 2 CANALE PENTRU CALCULUL DIFERENEI: CH_A-CH_B Gndii-v c rspunsul de la server poate s dureze ceva timp (cteva secunde).

- 26 -


(11) Putere/Pierdere

Acest meniu calculeaz pierderile instantanee la multiplicarea a dou forme de und. Se poate calcula o valoare medie, selectnd fereastra timp. Reinei c timpii sunt introdui ca diviziuni!

Figura 6. Afiarea pierderilor.

Pentru a calcula valoarea medie a pierderilor, tiprii la Time1 i Time2 (tiprit sub form de diviziuni) i apsai butonul i se va afia o valoare medie.

- 27 -


(12) FFT

Efectueaz transformarea FFT ntr-o form de und selectat. Intervalul de frecven depinde de Scara Timpului.

Prin folosirea acestui meniu se poate obine FFT al unei forme de und sau FFT al diferenei a dou forme de und. Selectai un canal din canalul A i dac alegei un alt canal din canalul B se va afia diferena celor dou forme de und. Dar, dac lsai opiunea de canal B goal, se va afia FFT a formei de und a canalului.

Figura 7. Selectarea canalelor pentru evaluarea FFT. Dup alegerea canalelor, dai clic pe i se va afia FFT. Avei rbdare, ntruct rspunsul de la server va putea dura cteva secunde.

Figura 8. Afiajele FFT.

Tema 1 Problema 1

Simulai convertorul buck cu un program de simulare Caspoc sau orice alt program de simulare. Adaptai parametri corespunztor urmtorului tabel.

ALEGEI CANALUL(CANALELE) PENTRU CALCULUL FFT. Gndii-v c rspunsul de la server poate s dureze ceva timp (cteva secunde).

Dac se selecteaz i canalul B, se va compara fft[f(chA)-f2(chB)].

- 28 -


V

S L I

u R 1 C

2

2 C+

_

+

_

+

_

V

Li

Figura 9. Convertor c.c. c.c.

V1 = 50V; L = 6 mH; C = 45 F; R = 25 Ohm; fs = 1 kHz; D= 0.5.

Simulai sistemul i salvai rezultatul simulrilor, astfel nct ele s se poat compara cu msurrile.

Figura 10.

ntrebri:

1. Care este valoarea lui R pentru a avea o funcionare la limita de conducie discontinu? Verificai-o prin simulare.

2. Care este supramodulaia tensiunii (n %) a tensiunii V2 la convertorul necontrolat

- 29 -


3. Cderea de tensiune a ntreruptorului, diodei i pierderilor pe alte componente au fost neglijate pn acum. Determinai la D = 0.5 tensiunea de ieire, dac, cderea de tensiune pe rezistena inductorului este de 0.5V.

Problema 2

Adaptai parametri convertorului buck fr condensatorul de ieire, pentru a obine ondulaia curentului de 20% i calculai frecvena de comutaie necesar:

V1 = 50V; L = 1 mH; C = 0 F; R = 25 Ohm; fs = ? kHz;

Care valoare a ciclului de lucru rezult cu pulsaia cea mai mare?

Tema 2 Pentru a genera impulsurile pentru ntreruptorul IGBT se folosete un microcontroler. Mai nti modulatorul este realizat astfel nct s fie folosit la generarea semnalului ON/ OFF (pornit/ oprit) al ntreruptorului. Modulatorul este implementat cu un microcontroler de tipul XC866 care trebuie programat n acest scop.

Problema 1

Generai impulsuri cu o frecven de 1 kHz i un regim de lucru de 0.5. Scriei codul microcontrolerului corespunztor observaiilor de mai jos i verificai impulsurile generate.

Problema 2

Concepei un cod de program pentru a obine pulsaia dorit de curent, de 20%, conform atribuiei 2 i problemei 2.

Programarea microcontrolerului

Microcontrolerul trebuit programat astfel nct la un anumit pin de conexiune s fie generat un semnal de impulsuri cu o lime controlabil a impulsului. Scriei codul microcontrolerului i verificai impulsul generat.

- 30 -


T12PRL

T12SRL T12SRH

T12PRH

T12clk

Figura 11

Ajutor: Cum se programeaz un microcontroler Un registru important n acest C este CCU6_TCTR0L, care iniializeaz timer-ul T12 folosit la generarea impulsurilor.

Frecvena generat este reglat prin modificarea regitrilor de 8 bii CCU6_T12PRL i CCU6_T12PRH. Prin reglarea acestui registru, se poate regla lungimea perioadei T (reinei c f = 1/T). Frecvena oscilatorului (C) este 13.3MHz. Valoarea registrului CCU6_T12PR reprezint numrul impulsurilor ceasului ntr-o perioad a semnalului impulsului generat.

Urmtorii regitri importani sunt CCU6_CC60SRL i CCU6_CC60SRH. Aceti regitri regleaz raportul de lucru al impulsurilor generate. Valoarea permis a registrului se situeaz ntre 0x01 i valoarea registrului CCU6_T12RP. Valoarea lui CCU6_T12SR reprezint momentul n care semnalul i schimb propria valoare, din valoarea log.0 n log.1.

Reinei c toate numerele trebuie s fie n format hexazecimal. Descrierea adiional a C XC866 este n partea "help".

- 31 -


Tema 3 ntrzierile i timpii de comutare Pornii partea de putere, dnd clic here (aici).

Problema 1

Comparai tensiunile (V1 & V2) i curentul I2 cu rezultatele simulrii. Msurarea se potrivete cu simularea:

1. Este atins ondulaia impus de curent; 2. Corespunde raportul tensiunii V1 i V2 teoriei (raport de lucru). Explicai diferena.

Problema 2

Luai n considerare comportamentul de comutare, cum sunt ntrzierea i timpii de tranziie ai ntreruptorului. Care este ntrzierea la acionri i n ntreruptor? Care este timpul de cretere i coborre ai ntreruptorului folosit IGBT?

- 32 -


Tema 4 Scopul atribuiei 4 l constituie evaluarea eficienei convertoarelor.

Problema 1

1. Msurai puterea de intrare i de ieire.

2. Evaluai pierderile de comutare. Msurai pierderile de comutare n timpul unui ciclu de comutare. Folosii n acest scop pentru multiplicare pierderile butonului i fereastra timp. Care pierderi sunt mai mari, cele de pornire sau de oprire. Elaborai relaia dintre pierderile msurate i randamentul convertorului.

3. Comparai puterea de intrare i ieire msurat cu pierderile msurate i calculate.

Problema 2

Msurai recuperarea invers a diodei. Care este valoarea curentului de recuperare invers a vrfului?

Msurai supramodulaia tensiunii n timpul opririi IGBT. Care este valoarea inductanei parazite n circuit?

- 33 -


Tema 5

Crearea impulsurilor de diferite forme Creai o form de und triunghiular a curentului, la diferite frecvene repetitive i ondulaie a curentului. Se pregtete la write the code (scrie codul) un program scurt care s schimbe ciclul de lucru cu frecvena de comutare selectat. Programul este marcat cu culoare roie.

Figura 12.

Din primul parametru se poate selecta frecvena de comutaie fs. Parametrul raport de lucru d intervalul de modificare a raportului de lucru. Programul modific ciclic raportul de lucru n intervalul dat, cu o valoare incremental dat de delta (al treilea parametru de selectat).

- 34 -


Convertor c.c. c.a. Obiective specifice de studiu Demonstrai efectele timpului real; nvai relaia dintre armonici i frecvena de comutaie; nvai relaia dintre amplitudinea tensiunii de faz, tensiunii de linie i indicelui de modulaie; Demonstrai vectorii spaiali; nvai construcia unui filtru pentru forma de und a PWM AC. Panoul frontal c.c.-c.a.

1) Deschiderea acestei conexiuni va deschide o nou fereastr care permite alegerea dintre frecvena fundamental i indexul de modulaie.

2) Schema structural a unui convertor c.c. c.a. 3) Dnd clic pe aceast conexiune se poate observa locul de munc, n laborator fiind

instalat o camer web. 4) Poza structurii. 5) Afiarea scopului (se pot vizualiza pn la trei forme de und simultan. Numrul de afiri

simultane se poate regla verificnd canalele.) 6) Cursorul scrii timpului. Amplitudinea formelor de und se poate controla n funcie de

locaia cursorului.

7) Matricea vectorului de stare se poate afia ntr-o fereastr nou. 8) FFT a diferenei dintre dou forme de und este afiat ntr-o fereastr nou, cnd este

deschis aceast conexiune.

- 35 -


9) Afieaz diferena a dou forme de und ntr-o fereastr nou. 10) Efectueaz FFT (Fast Fourier Transform (transformata Fourier rapid)) a unui semnal.

Scara timpului determin afiarea intervalelor de frecven. Pentru a vedea frecvene mai joase n FFT, scara timpului va trebui reglat pe o valoare mai mare. Pentru a vedea spectrele n jurul frecvenei de comutaie, reglai scara timpului pe valori mai mici.

11) Afieaz selecia canalelor i pornete i oprete selectarea canalelor. 12) Csua de verificare d opiunile referitoare la limitele superioare i inferioare pentru

afiarea scopului.

13) Afieaz starea laboratorului. Este posibil realizarea lucrrii numai dac laboratorul este gata. S-ar putea s fie nevoie de cteva secunde nainte ca laboratorul s porneasc.

14) Afieaz lista de atribuii. 1) Alegerea semnalului

Aceast fereastr se deschide cnd se realizeaz conexiunea cu semnalul ales. Alegei frecvena fundamental i indexul de modulaie i atingei butonul de generare.

Figura 13. Generator de semnal. 7) SVM

Acesta este un Vector de Comutare care apare ntr-o fereastr nou. Cifrele corecte duc la un afiaj hexagonal.

- 36 -


Figura 14. Vectorul spaial al tensiunii trifazate.

8) FFT (diff)

Calculeaz FFT (Frequency spectrum (spectrul de frecven)) a diferenei dintre cele dou forme de und selectate. ntr-o astfel de situaie, calculeaz FFT a tensiunilor de linie (PWM).

Figura 15. FFT a diferenei dintre cele dou forme de und selectate. 9) Diferena

Calculeaz diferena a dou unde. Cu alte cuvinte, se determin tensiunile de linie (PWM).

- 37 -


Figura 16. Diferena a celor dou forme de und selectate.

10) FFT Afieaz distribuia frecvenei la un semnal de tensiune sau PWM.

Figura 17. FFT a formei de und selectate.

Tema 1

Msurarea unei faze a invertorului trifazic la modulaia vectorului spaiu.

n fereastra cu butonul i meniul derulant "Choose the signal (alegei semnalul) se pot selecta indexul de modulaie i frecvena formei de und (vezi teoria convertorului c.c.-c.a.). Selectai frecvena de ieire de 150 Hz i un index de modulaie de 1. Efectuai o transformare FFT a semnalului generat. Fii atent la selectarea scrii timpului!

- 38 -


Problema 1. Care este amplitudinea armonicii fundamentale i frecvena de comutaie? Asociai-o tensiunii conexiunii c.c. (amplitudinea impulsului). Semnalul msurat este un semnal unipolar al porii IGBT A+ i ca atare conine i o valoare de c.c. Pentru a crete valoarea armonicii fundamentale se injecteaz armonica a treia. Msurai valoarea armonicii a treia injectate.

Problema 2. Modificai indexul de modulaie pe 0.5 i gsii noua valoare a amplitudinii tensiunii. Msurai valoarea armonicii fundamentale. Desenai dependena grafic a amplitudinii armonicii fundamentale de indexul de modulaie.

Problema 3. Modificai indexul de modulaie pe 1.16 i efectuai din nou FFT. La frecvene mai joase, coninutul armonicii s-a modificat? Adugai punctul cu indexul de modulaie 1.16 la dependena grafic a amplitudinii armonicii fundamentale n funcie de indexul de modulaie.

Tema 2

Msurarea semnalelor de comand ale invertorului trifazat cu modulaia vectorului spaial.

1. Creai o tensiune de linie folosind diferena butoanelor. Efectuai FFT a tensiunii de linie (pentru a crea o tensiune de linie folosind diferena butoanelor). Comparai frecvena i amplitudinea armonicii a treia i armonicilor de comutaie cu FFT a formei de und monofazat.

2. Msurarea vectorului spaial (SVM). Creai un vector spaial al tensiunilor trifazate. Folosii butonul SVM. Urmrii poziiile vectorilor spaiali.

Tema 3

Filtrarea formelor de und ale invertorului trifazat. n aceast fereastr este posibil modificarea valorii filtrului.

Valoarea rezistenei filtrului este fix i are valoarea de 20K. Valoarea capacitii filtrului se poate selecta ntre trei valori 10nF, 50nF i 220nF.

Problema 1: Calculai frecvena de tiere a filtrului conform teoriei (vezi teoria filtrrii Convertoarelor de c.c. c.a.) cu valorile disponibile ale condensatorului. Selectai indexul de modulaie pe 1 i frecvena pe 150 Hz. Care valoare a condensatorului i care valoare a filtrului vor pstra vizibil armonica a treia? Care valoare a filtrului este optim i trebuie selectat ?

Problema 2. Urmrii vectorul spaial folosind butonul SVM. Comparai-l cu vectorul spaial din atribuia 2.

- 39 -

Modulul 2.2

Corecia Factorului de Putere

Universitatea Politechnica Timisoara

Autori: Dan Lascu Dan Negoiescu

Mihaela Lascu


- 40 -

2.2 Corecia Factorului de Putere

In laboratorul virtual al UPT a fost pregtit un laborator complex legat de tematica coreciei factorului de putere. Conectarea de la distan la experiment este explicat la seciunea de experimente online a paginii de web EDIPE. Pentru a rula experimentele de la distan din cadrul temei Corecia Factorului de Putere, pe calculatorul studentului trebuie s fie instalat aplicaia LabView Run Time Engine 8.0.1.

Dup rezervarea online a unui experiment va aprea ECRAN MENIU DE SELECIE. Utilizatorul are posibilitatea de selecie a dou ecrane meniu: ECRAN MENIU DE SELECIE i ECRAN MENIU DE MSUR. Modul lor de funcionare este explicat n documentul Manualul coreciei factorului de putere.

Obiectivele experimentelor: Principiile coreciei active a factorului de putere pentru aplicaii de mic putere utiliznd convertoare dc-dc care emuleaz n mod natural la intrare la joas frecven o rezisten:

Convertoare dc-dc cu funcionare DCM, modele mediate, alegerea convertorului, Estimarea rezistenei emulate, Determinarea valorii medii a tensiunii de ieire i bilanul puterilor, Solicitrile n curent i tensiune, Analiza fenomenelor tranzitorii, Necesitatea unui filtru de radiofrecven la intrare.

Simulrile vor fi efectuate utiliznd pachetul CASPOC. n afara situaiilor cnd altceva nu este specificat, toate tensiunile sunt raportate la mas. Pentru vizualizarea formelor de und ale tensiunilor i curenilor pe acelai osciloscop utilizai butoanele de ctig pentru afiarea curenilor. Pentru fiecare tem, nainte de efectuarea oricrei msurtori trebuie msurat amplitudinea tensiunii de intrare.

L 50H

R 50

(100)

rS 0.3

D1

vo

io

D3

D2

D4

~

vin 50Vrms 50Hz

iin

rin 0.82

vg

ig

iS

L 50H

D1

C1 2.2F

C2 1000F

IR 2110

fs D

S

1:1

CONVERTOR FLYBACK DCM

Fig. 1. Circuit de corecie a factorului de putere bazat pe un convertor flyback DCM.

- 41 -


Tema 1 Scriei formula general a factorului de putere precum i definiia THD-ului. Se consider o surs de tensiune avnd o fundamental de 50Hz cu amplitudinea 70V i o component armonic de ordinul 3 cu amplitudinea 5V nedefazat fa de fundamental. Curentul absorbit de la aceast surs are o component fundamental de 2A, defazat cu 60o fa de fundamentala tensiunii i o component armonic de ordinul 3 de 0,1A fr defazaj fa de componentele armonice corespondente ale tensiunii. Calculai factorul de putere si THD-urile tensiunii respectiv curentului. Construii n CASPOC circuitul descris mai sus, efectuai simularea i comparai rezultatele calculelor teoretice cu cele rezultate n urma simulrii. Precizai care ar fi formula factorului de putere n situaia n care tensiunea de alimentare este pur sinusoidal.

Tema 2 Explicai de ce este necesar plasarea unei puni redresoare necomandate n faa convertorului flyback?

Tema 3 Calculai rezistena emulat a convertorului.

Tema 4 Estimai valoarea medie a tensiunii de ieire presupunnd c tensiunea de pe capacitatea de ieire are pulsaii vrf la vrf neglijabile. Sfat: utilizai bilanul puterilor.

Tema 5 Pornii experimentul i msurai valoarea tensiunii continue de la ieire. Comparai valoarea msurat cu cea teoretic determinat la Tema 4 i enumerai cteva motive pentru care cele dou valori sunt diferite.

Tema 6 Msurai raportul static de conversie n tensiune pentru o valoare constant de 50 a rezistenei de sarcin. Variai valoarea factorului de umplere al comenzii de la 0,05 la 0,45. Completai tabelul de mai jos, apoi trasai caracteristica de comand a convertorului flyback, aceasta fiind dependena dintre raportul

M

o

VV

i factorul de umplere al comenzii D. Pe acelai

grafic reprezentai i aceeai caracteristic teoretic, apoi verificai ct de mult aceste curbe coincid.

D 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

teoreticM

o

VV

masuratM

o

VV

Tema 7 Estimai valoarea i frecvena pulsaiilor vrf la vrf ale tensiunii de ieire. Stabilii o corelaie ntre valoarea frecvenei pulsaiilor i valoarea frecvenei tensiunii de intrare.

Dovedii c pulsaia normalizat, o

o

VV

, este independent de valoarea factorului de umplere

al comenzii dar este invers proporional cu frecvena de semnalului de intrare respectiv constanta de timp a sarcinii (RC).

Tema 8 Expandai forma de und a tensiunii de ieire pentru ca pulsaiile vrf la vrf s fie vizibile. Observai n forma de und pulsaiile de frecven 100Hz. Msurai valoarea vrf la vrf a pulsaiilor tensiunii de ieire i comparai rezultatul cu valoarea determinat teoretic anterior la Tema 7.

- 42 -


Tema 9 Funcionarea n mod de circuit de corecie a factorului de putere. Avnd o tensiune de intrare cu amplitudinea 70V i un factor de umplere al comenzii de 0.4 examinai formele de und ale tensiunii i curentului de intrare n stare staionar. Observai dac ntr-adevr curentul de intrare are form sinusoidal i este n faz cu tensiunea de intrare. Realizai un PrintScreen pentru forma de und a curentului de intrare (aceasta va fi utilizat ulterior pentru comparaie).

Tema 10 Msurai factorul de putere i THD-ul curentului de intrare. Explicai de ce factorul de putere nu are o valoare aa de ridicat, corelnd aceast valoare cu THD-ul curentului de intrare. Examinai spectrul curentului de intrare i localizai zonele n care apar preponderent armonici de frecven ridicat. Facei un PrintScreen al spectrului curentului de intrare (acesta va fi utilizat ulterior pentru comparaie). Comparai frecvena armonicilor cu frecvena de comutaie. Modificai valoarea frecvenei de comutaie i observai dac apar modificri ale valorilor frecvenelor armonicilor superioare.

Tema 11 Examinai forma de und a curentului prin tranzistor dup care expandai-o pentru a putea observa funcionarea n regim DCM. Care sunt momentele de-a lungul unei perioade a tensiunii de intrare cnd convertorul ar fi posibil s-i schimbe modul de funcionare din DCM n CCM?

Tema 12 Elaborai o formul pentru determinarea valorii maxime a inductanei de magnetizare corespunztoare nfurrii primare, pentru care s se asigure funcionarea n regim DCM pe ntreaga durat a unei semiperioade a semnalului de la reea. Sfat: considerai funcionarea n stare staionar i ncercai s extrapolai rezultatul n situaia n care tensiunea de intrare ar fi o sinusoid lent variabil.

Tema 13 Calculai teoretic valoarea maxim a vrfului de curent prin tranzistor. Afiai forma de und a curentului prin tranzistor i msurai valoarea sa de vrf maxim dup care comparai acest rezultat cu cel obinut teoretic.

Tema 14 Determinai teoretic valoarea medie i valoarea efectiv a curentului prin tranzistor. Afiai forma de und a curentului prin tranzistor i msurai valoarea sa de medie i valoarea efectiv dup care comparai aceste rezultate cu cele obinute teoretic.

Tema 15 Simularea regimului tranzitoriu de pornire al circuitului PFC. ncercai s gsii o ecuaie pentru tensiunea de pe capacitatea de ieire (care de fapt este egal cu tensiunea de intrare) pe durata regimului tranzitoriu de pornire. Utiliznd programul MATLAB sau alt program reprezentai grafic ecuaia determinat anterior pentru evoluia tranzitorie a tensiunii de ieire la pornire i comparai graficul obinut cu rezultatul simulrii.

Tema 16 Studiul practic al regimului tranzitoriu de la pornire. Tensiunea de intrare pentru pornirea convertorului se va aplica exact la trecerea prin zero a tensiunii de reea, convertorul avnd o sarcin de 50 i un factor de umplere al comenzii constant de valoare 0,45. Pornii experimentul corespunztor i afiai forma de und a tensiunii de ieire corespunztoare regimului tranzitoriu de la pornire. Comparai aceast form de und cu cea obinut prin simulare n CASPOC la Tema 15 i examinai gradul de potrivire al acestora.

Tema 17 Studiul fenomenelor tranzitorii datorate modificrii sarcinii. Considernd funcionarea convertorului c se realizeaz cu un factor de umplere al comenzii constant de valoare 0,45, se aplic o variaie treapt a valorii sarcinii de la 50 la 100. Efectuai o

- 43 -


simulare a acestui proces. Rulai apoi experimentul corespunztor i afiai forma de und tranzitorie a tensiunii de ieire. Comparai forma de und din experiment cu cea simulat n CASPOC i examinai potrivirea acestora.

Tema 18 Necesitatea plasrii la intrare a unui filtru de radiofrecven. Deoarece armonicile nedorite din spectrul curentului de intrare trebuie rejectate este necesar amplasarea unui filtru de radiofrecven. Alegei locul de amplasare al acestui filtru: nainte sau dup puntea redresoare vezi Fig.2. Motivai rspunsul. Sfat: Luai n considerare viteza diodelor i decidei ce tip de diode ar trebui utilizat pentru punte n fiecare din cele dou situaii.

Tema 19 Proiectarea filtrului de radiofrecven. Nu uitai c mrimea ce trebuie filtrat este curentul de intrare i nu tensiunea de intrare. ncepei proiectarea avnd n minte cerinele pe care acest filtru trebuie s le ndeplineasc:

Un ctig redus la frecvena de comutaie pentru ca aceasta mpreun cu multiplii ei s poat fi eliminate.

Armonicile de frecven dubl fa de frecvena tensiunii de intrare trebuie lsate s treac fr a fi defazate i atenuate.

Armonicile de nalt frecven din spectrul tensiunii de intrare trebuie s fie mult mai mici dect armonicile de frecven dubl fa de frecvena tensiunii de alimentare.

Alegei cea mai simpl configuraie de filtru nedisipativ.

Tema 20 Efectuai o simulare cu i fr filtru la intrare observnd cu precdere forma curentului de intrare. Pornii experimentul n condiiile prezenei filtrului de intrare. Afiai forma de und a curentului de intrare i comparai-o calitativ cu cea obinut la Tema 9. Msurai valoarea factorului de putere i THD-ul curentului de intrare i comparai aceste valori cu cele obinute la Tema 10. Examinai de asemenea spectrul curentului de intrare i comparai-l cu cel obinut n lipsa filtrului de la intrare la Tema 10. Care este cauza oscilaiilor de joas frecven ce apar n jurul trecerilor prin zero ale curentului de intrare? Furnizai o soluie pentru nlturarea acestora.

D1

D3

D2

D4

~

vin 50Vrms 50Hz

iin

rin 0.82

vg

ig R

F FI

LTER

RF

FILT

ER

Fig. 2. Possible locations for the input radiofrequency filter.

44

Modulul 2.3

Modulaia Impulsurilor n Durat

Universitatea de Tehnologie Warsaw

Autori: Marian P. Kazmierkowski Bartomiej Kaminski Dariusz Sobczuk Krzysztof Rafals


- -


45

Coninut

1 Obiectivele modulului 2.3 .................................................................................................................. 45 2 Cunotine cerute studenilor ............................................................................................................ 45 3 Fundamentele MID............................................................................................................................. 45 4 Simulri i observaii on-line .......................................................................................................... - 47 - 5 Sistem experimental ...................................................................................................................... - 47 - 6 Experiment la distan ................................................................................................................... - 48 - 7 Exerciii ........................................................................................................................................... - 50 - 8 Bibliografie .............................................................................................Error! Bookmark not defined.

Obiectivele modulului 2.3 nelegerea fundamentelor modulaiei impulsurilor n durat (MID) pentru convertoare

alimentate n tensiune cu dou, respectiv trei nivele. Demonstrarea modulaiei sinusoidale a impulsurilor n durat bazat pe purttoare (BP-

SMID) Demonstrarea BP-MID cu armonica a treia i injecia altor secvene de semnal nule

(SSN) Demonstrarea modulaiei vectorilor spaiali (MVS), cu amplasarea simetric a vectorilor

nuli Demonstrarea MSV cu o singur stare nul nelegerea relaiilor ntre metodele BP-MID i MVS

Cunotine cerute studenilor Teorie MID (vezi manualul

studenilor versiunea extins) Circuite i sisteme Teoria vectorilor spaiali Electronica semnalelor

Sisteme digitale Circuite n electronica de putere LabVIEW Fundamente ale msurrilor electrice

Fundamente MID n domeniul convertoarelor electronice de putere dispozitivele semiconductoare sunt controlate prin metoda ON/OFF (nu exist funcionare n regiunea activ). Momentele comutrii trebuie calculate pentru fiecare dispozitiv utiliznd o metod special, care s asigure o relaie strict ntre semnalul de intrare i ieire. Aceasta va conduce la tipuri diferite de modulaie a impulsurilor n durat (MID), ceea ce reprezint o tehnic de baz a prelucrrii energiei aplicat n sistemele cu convertoare de putere. Acest curs se axeaz pe implementarea tehnicii MID la invertoarele trifazate (Fig. 2.a). Tabelul 1 prezint parametrii de baz, ce caracterizeaz metodele MID.

MID bazat pe purttoare

- 46 -

n MID bazat pe purttoare semnalele de comand pe gril sunt create prin comparaia ntre semnalul de referin Uref i purttoarea triunghiular Ut (Fig. 1. a). n general semnalul de referin este sinusoidal, dei este posibil s se extind domeniul linear prin injectarea unei armonici adiionale de ordinal trei a semnalului secven nul (SSN) pentru toate cele trei fazele, fr a afecta tensiunile de linie de ieire. n experiment se regsesc ambele metode de modulaie.

Modulaia vectorilor spaiali Acest tip de modulaie corespunde reprezentrii vectorilor spaiali ai tensiunilor de ieire ale convertorului i a tensiunii de referin. (Fig. 1.b). n fiecare sector doi vectori activi sunt comutai pentru anumite perioade de timp calculate cu ecuaii trigonometrice iar timpul de eantionare rmas este rezervat vectorilor nuli. Alegerea vectorilor nuli reprezint un grad de libertate n cadrul acestei metode. Experimentul permite alegerea a dou metode: MVS cu plasarea simetric a vectorului nul i MVS cu un vector nul n timpul de eantionare.

Tabelul 1. Parametrii de baz MID. Numele parametrului Simbol Definiie Observaii

M M = Um/U(six-step)= =Um/(2/pi)Ud Index (indice) de

modulaie m m = Um / Um(t)

Se utilizeaz dou definiii ale indexului de modulaie. Pentru modulaie sinusoidal 0M0,785 sau 0m1

Mmax 0 ... 0.907 Domeniul maxim linear mmax 0 ... 1.154

Depinde de forma semnalului de modulaie

Supramodulaie max

max

mm

MM

>

>

Domeniul nelinear utilizat pentru creterea Uout

Frecvena de comutaie (numr) fs

fs = fT = 1 / Ts Ts timpul de eantionare

Constant

Raportului frecvenei de modulaie (Numrul impulsurilor)

mf 1/ fsffm = Pentru mf > 21 se utilizeaz modulaia asincron

Factor armonic HF 1/ UnUHF = Se utilizeaz pentru tensiune i curent

Coeficientul total de distorsiuni armonice (Total Harmonic Distortion)

THD %100*2

2

1

1

=

=

nn

UU

THD Se utilizeaz pentru tensiune i curent

unde: Um amplitudinea semnalului de referin, U(six-step) amplitudinea componentei fundamentale n funcionarea n ase pai, Um(t) amplitudinea purttoarei semnalului, f1 frecvena de referin a semnalului, U1 amplitudinea fundamentalei, Un amplitudinea armonicii de ordinul n.

- -

2.3 Modulaia impulsurilor n Durat

- 47 -

a) b)

Re

Im

(2/3)UdcU1(100)

U2(110)U3(010)

U4(011)

U5(001) U6(101)

U0(000)U7(111) (t1/Ts)U1

(t 2/T

s)U2

U*

U*max

Fig. 1. a) MID bazat pe purttoare, b) MID cu vectori spaiali.

Simulri on-line i observaii nainte de rularea experimentelor on-line studenii ar trebui s exerseze toate metodele MID discutate prin realizarea on-line a simulrilor. Script-urile Java i instruciunile detaliate pentru rularea simulrilor se regsesc la: http://www.isep.pw.edu.pl/ICG/english/LeonardoPWM

Sistem experimental Schema i o imagine a sistemului experimental este artat n Fig. 2. Invertorul trifazat PWM este conectat la sarcina fix RL (R=10, L=700H) i magistrala de curent continuu DC (E=40V, C=4000F). Convertorull este comandat prin procesorul numeric de semnal (PNS), care asigur diferite metode de modulaie i permite modificri ale parametrilor n timp real, cum ar fi amplitudinea, frecvena de comutaie etc. Tensiunile i curenii msurai sunt achiziionai prin intermediul unui osciloscop digital i sunt accesibili de la distan. a)

b)

Fig. 2. a) Schema montajului experimental i de achiziie, b) Vedere asupra montajului experimental.

- -


- 48 -

Experiment la distan Patru metode MID pentru controlul convertoarelor pe dou nivele sunt implementate n experimentul de la distan :

Modulaia sinusoidal a impulsurilor n durat bazat pe purttoare (BP-SMID) Modulaia cu secven de semnal nul a impulsurilor n durat bazat pe

purttoare (BP-MID SSN) Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu amplasarea simetric a vectorilor nuli

(MSV simetric) Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu un vector nul n timpul de eantionare

(MVS bifazat)

Operarea Experimentelor la Distan Pentru rularea experimentelor la distan pe calculatorul personal trebuie s existe instalate Internet Explorer browser i LabVIEW Run-time Engine. Programele sunt accesibile n seciunea Experimente Online (http://merisrv2.meri.uni-mb.si/).

Mai nti utilizatorul trebuie s rezerve experimentul la distan fcnd click pe intervalul orar alocat experimentului din tabelul de rezervri. Cnd accesarea este valid i dup ce se face click pe sgeata roie de pe panoul utilizatorului pentru experimente, experimentul selectat va apare n Web browser. n setarea iniial dispozitivul experimental este activ i convertorul este pornit. Msurrile sunt sincronizate prin apsarea butonului ACQUIRE (achiziie). Interfaa utilizator cu experimentul activat este vizualizat n Fig. 3. Va dura cteva secunde dup activarea experimentului pn cnd semnalele msurate vor fi vizualizate. Cele mai importante semnale sunt vizualizate sub form grafic pe panoul osciloscopului (Fig. 3): tensiuni de ieire ale invertorului, curenii de faz de la ieirea invertorului. Comutarea ntre diferite metode MID se poate realiza utiliznd Selectorul schemelor de modulaie (n partea de sus a Fig. 4.a). Spectrul de frecven al tensiunii msurate i/sau curenilor se poate observa utiliznd selectorul control Time / Freq (timp/frecven) (Fig. 4 b). n continuare utiliznd selectorul Time / XY se pot observa locurile geometrice ale vectorilor spaiali de curent i tensiune. Parametrii importani ai procesului MID (Index de modulaie, frecvena de ieire fundamental, frecvena de comutaie i timpul mort) pot fi selectai din panoul PSN (Fig. 4.a).

- -


- 49 -

Fig. 3. Interfaa utilizator pe ecranul calculatorului.

a)

b) Fig. 4. a) PNS panoul frontal, b) panoul frontal pentru achiziii de date (osciloscop).

- -


- 50 -

Exerciii i teme Modulaia sinusoidal a impulsurilor n durat

bazat pe purttoare (BP-SMID) Se activeaz experimentul la distan i se selecteaz Modulation scheme (schema de modulaie) (Fig. 4.a) Modulaia sinusoidal a impulsurilor n durat bazat pe purttoare (BP-SMID). Se realizeaz urmtoarele observaii i msurri: a) Selecie: Frecvena fundamental 50Hz; Frecvena de comutaie 8kHz; Timp

mort:1s Observaie: tensiune uan, ubn; currenii ia, ib n funcie de timp, i funcie de frecven (spectru) utiliznd selector-ul Time / Freq (timp/frecven) de pe panoul frontal selector al osciloscopului (Fig. 4.b). Utiliznd selectorul Time / XY se poate observa locul geometric al vectorilor spaiali de curent i tensiune pentru o perioad a frecvenei fundamentale. Investigai influena valorii frecvenei de comutaie asupra tensiunii i formelor de und ale curenilor. Tema 1: Msurai caracteristica coeficientului total de distorsiuni armonice (THD) n raport cu indexul de modulaie: Fixai baza de timp time base 10ms/div (5 perioade ale frecvenei fundamentale se vor vizualiza pe osciloscop Aceasta este cerina pentru calculul THD). Se comut prin intermediul selectorului Time/Freq pe frecven Freq i se citete valoarea THD afiat pe osciloscop. Tema 2: Se citete spectrul de frecven de pe osciloscop i se calculeaz factorul armonic pentru a cincea armonic HF(5)=I(5)/I(1) i pentru a aptea armonic HF(7)=I(7)/I(1). Se repet ambele teme pentru diferii indici de modulaie: 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1.0. Rezultatele temelor 1 i 2 trebuie nscrise n tabelul 2.

Tabelul 2. Valorile THD msurate i calculul factorilor armonici (FA) Indice de modulaie 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

THD [%] FA(5) [%] FA(7) [%]

b) S se repete exerciiul i temele de la punctual a pentru frecvena de comutaie de 2kHz.

c) S se repete exerciiile i temele de la punctual a) i b) pentru timpul mort de 4s. d) Facei comentarii privind influena frecvenei de comutaie, a indexului de

modulaie i a timpului mort asupra coeficientului total de distorsiuni armonice (THD) i a factorului armonic (FA-HF) pentru componenta de curent de armonic a 5-a, respectiv a 7-a.

- -


- 51 -

Modulaia cu secven de semnal nul a impulsurilor n durat bazat pe purttoare (BP-MID SSN)

Se activeaz experimentul la distan i se selecteaz Modulation scheme selector (selectorul schemei de modulaie) (Fig. 4.a) Modulaia cu secven de semnal nul a impulsurilor n durat bazat pe purttoare (BP-MID SSN). S se realizeze observaiile i msurrile cu injecia celei de a treia armonic sinusoidal SSN ca la punctual 7.1. S se realizeze un comentariu privind influena injeciei SSN asupra spectrului armonic.

Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu amplasarea simetric a vectorilor nuli (MSV simetric)

Se activeaz experimentul la distan i se selecteaz Modulation scheme selector (selectorul schemei de modulaie) (Fig. 4.a) Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu amplasarea simetric a vectorilor nuli (MVS simetric). Se realizeaz observaiile i msurrile ca la punctul 9.1. Reinei c MVS cu amplasarea simetric a vectorilor nuli corespunde la BP-MID cu injecie de form triunghiular SSN (25% amplitudine).

Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu un vector nul n timpul de eantionare (MSV n dou faze)

Se activeaz experimentul la distan i se selecteaz Modulation scheme selector (selectorul schemei de modulaie) (Fig. 4.a) Modulaia vectorilor spaiali (MVS) cu un vector nul n timpul de eantionare (MSV n dou faze). Se realizeaz observaiile i msurrile ca la punctul 9.1. Reinei c MVS cu vectori nuli n timpul de eantionare corespunde la BP-MID cu injecie de form dreptunghiular SSN.

Bibliografie 1. M. P. Kazmierkowski, R. Krishnan, F. Blaabjerg (Eds), Control in Power Electronics,

Academic Press, USA, 2002 Chapter 4. 2. N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics Converters,

Applications and Design, J. Wiley & Sons, Inc., 2003.

- 52 -

Modulul 2.4

Convertor c.c. c.c. pentru sursele de energie regenerabile i microreele

Institutul Naional Politehnic din Lorraine

Autori: Bernard Davat

Babak Nahid-Mobarakeh


- -

2.4 Convertor c.c.-c.c. pentru sursele de energie regenerabile i microreele

- 53 -

Convertor c.c./c.c. Boost

Obiectul acestui laborator l constituie studiul unui convertor static folosit adesea n aplicaiile automobilelor. Rolul su este de a crete valoarea medie a tensiunii pentru a adapta tensiunile de ieire ale surselor de energie regenerabile la cerinele de tensiune ale unei sarcini tipice. De altfel, majoritatea surselor dau o tensiune de ieire limitat, n timp ce, din motive practice (minimizarea pierderilor i greutatea) se prefer creterea tensiunii pentru scderea curentului la aceiai putere (putere=tensiunecurent). Convertorul analizat aici este unul din convertoarele cel mai frecvent folosite la creterea tensiunii n aplicaiile de putere sczut. Este numit Boost. La terminarea experimentelor lor studenii ar trebui:

1) s fie capabili s modeleze un convertor Boost; 2) s fie capabili s identifice parametri convertorului; 3) s neleag modul de cretere a tensiunii de ieire a acestui convertor; 4) s aib o idee asupra pierderilor; 5) s cunoasc modul de proiectare al controlerului PI; 6) s fie capabili s explice modul n care comanda mbuntete performanele convertorului.

1. Prezentare

Un convertor Boost este un convertor de putere de c.c./ c.c. cu o tensiune de ieire de c.c. mai mare dect tensiunea sa de intrare de c.c. Evident, din moment ce puterea (= tensiune x curent) trebuie conservat, curentul de ieire este mai mic dect sursa de curent. Convertorul Boost face parte din gama surselor de putere n comutaie fiind format din dou ntreruptoare semiconductoare (o diod i un tranzistor) i un element de nmagazinare a energiei. Un filtru de ieire, realizat din condensatori (uneori mpreun cu inductoare), este adesea adugat ieirii convertorului pentru a reduce pulsaia tensiunii de ieire. Schema circuitului este urmtoarea:

DC supply

Load vi vo

L

C u

Figura 1- Schema convertorului studiat.

Figura 2- Semnalul de comand.

Tensiunea de intrare este furnizat de o surs de tensiune reglabil stabil. Semnalul de comand (u) este obinut de la un Generator funcional virtual (LabVIEW). Frecvena sa (fs = 1/T) este fixat la 5kHz, dar factorul de umplere al comenzii () se poate regla de ctre utilizator. Tensiunea de ieire (vo) variaz n funcie de tensiunea de intrare (vi) i factorul de umplere al comenzii () [1]. Pentru

- -


- 54 -

controlul tensiunii de ieire, ar trebui modelat sistemul i ar trebui identificai parametri. Modelarea i simularea convertorului Boost este studiat n seciunea urmtoare.

2. Studiul teoretic

Se presupune c toate elementele sunt ideale, tensiunea de intrare (vi) fiind constant i sarcina fiind rezistiv. Semnalul de comand are dou stri: pentru u=1, tranzistorul este nchis (on-state) i la u=0, el este deschis (off-state). Conform tensiunii i curentului su, dioda poate fi deschis sau nchis. Prin urmare, avem patru stri distincte. Dar se poate arta uor c atunci cnd tranzistorul este nchis, dioda este deschis, datorit tensiunii sale pozitive inverse. Prin urmare, exist maxim trei secvene (sau stri) pentru 0t0):

n aceast secven energia este transferat de la sursa de c.c. spre inductor.

Secvena 2: tranzistor oprit, diod pornit (t1=Tt

- -


- 55 -

Secvena 3: tranzistor oprit, diod oprit (t2t

- -


- 56 -

Presupunnd un mod de conducie continuu i neglijnd rezistenele parazite (conversie c.c./ c.c. fr pierderi), studenii ar trebui s explice amplitudinea medie a tensiunii de ieire (vo=vC) n funcie de tensiunea de alimentare (vi) i factorul de umplere al comenzii (). Apoi, aceast funcie de transfer, numit amplificarea convertorului trebuie verificat prin simulare, folosind MATLAB-Simulink. n acest scop, trebuie s varieze n intervalul [0 1). Pentru fiecare simulare, studenii traseaz urmtoarele forme de unde:

- Tensiunea de ieire (vo), - Curentul de ieire (io), - Tensiunea pe tranzistorului (vK), - Curentul prin diod (iD), - Curentul prin inductor (iL).

Parametrii sistemului pentru simulare sunt:

fs=5kHz, L=1mH, C=1mF, vi=12V

Convertorul este presupus s alimenteze o sarcin rezistiv fix de 50. Apoi, studenii ar trebui s observe pulsaiile curentului prin inductor i cele ale tensiunii de ieire precum i dependena lor de L, C, sarcina rezistiv i fs.

DC supply

Load vi vo

L

C

iL iD io

vK u

Figura 8- Mrimile msurabile ale sistemului.

Pentru a lua n considerare pierderile prin convertor, se adaug o rezisten serie numit r (Fig. 9). Apoi, studenii ar trebui redefini tensiunea de ieire ca o funcie de i r. Aceast nou amplificare are un maxim care trebuie caracterizat integral ca o funcie de parametri de sistem. n final, aceste rezultate ar trebui verificate prin simulri pentru r=0.5.

Figura 9- Convertor c.c./ c.c. cu pierderi.

3. Studiu experimental

Panoul de comand experimental este prezentat n Fig. 10. Exist trei pri principale: interfaa de comand, msurtorile i scopul. Este posibil funcionarea convertorului n bucl deschis (OL) sau n bucl nchis (CL). n prima situaie factorul de umplere al comenzii () este fixat de utilizator. La comanda cu bucl nchis, exist dou bucle (Fig. 11): o bucl intern de control a curentului prin inductor (iL) i o bucl extern pentru controlul tensiunii de ieire (vo=vC). Ambele controlerele sunt Proporional-Integrative (PI) ale cror parametri trebuie fixai de utilizator.

- -


- 57 -

n continuare se d o descriere a unor funcii importante ale Control Interface (interfeei de comand):

- butoanele de Start i Stop pentru comanda execuiei programului LabVIEW. - ntreruptorul OL/CL pentru alegerea funcionrii cu bucl deschis (OL) sau bucl nchis (CL). - alpha open-loop (bucla deschis alfa) pentru fixarea factorului de umplere al comenzii (0

- -


- 58 -

(vo=vC) i curentul n inductor (iL) pentru ales. Studiul teoretic, dac este bine pregtit, ar trebui s permit studenilor s modeleze sistemul i s identifice pierderile sale modelate cu r.

b) Testarea n bucl nchis: Pentru funcionarea n bucl nchis, ntreruptorul modului de funcionare ar trebui pus pe poziia CL. ntr-o astfel de situaie, ntreruptorul este sub-luminat albastru. Exist dou bucle de comand. Studenii ar trebui s nceap cu bucla interioar folosit la controlul curentului n inductor (iL). n acest scop, ntreruptorul modului de comand ar trebui pus pe poziia Reg IL. Folosind acest studiu teoretic, studenii pot obine funcia de transfer (n sensul modelrii mediate) ntre i iL:

Apoi se va proiecta un controler PI adecvat care s conduc la urmtorii factori de calitate pentru rspunsul tranzitoriu al curentului n inductor prin bucla nchis:

- eroarea strii de regim staionar nul, - supramodulaie < 20% - timpul de cretere < 20ms

Ar trebui reinut c structura controlerului nu poate fi modificat, astfel nct implementarea const numai n fixarea amplificrii controlerului. Apoi va trebui efectuat un test al rspunsului tranzitoriu pentru a evalua performanele buclei de comand a curentului. n fig. 12 este prezentat panoul de comand cu rspunsul tranzitoriu al curentului.

Figura 12- Rspunsul tranzitoriu al curentului n inductor.

Dac se obin performane bune de comand a curentului, studenii pot proiecta bucla de comand exterioar, prevzut pentru tensiunea de ieire. n acest scop, este nevoie de funcia de transfer mediat dintre iL i vo=vC folosind rezultatele de la studiul teoretic:

Apoi se va proiecta un alt controler PI. Trebuie efectuat un test al rspunsului tranzitoriu pentru a studia performanele buclei exterioare.

La sfritul experimentelor, studenii vor trimite prin email rapoartele lor, care trebuie s includ: - rezultatele studiului teoretic (ampl

Manuals Romania

Documents

Transcript of Manuals Romania