Лабораторная работа №9. «Исследование широтно-импульсного преобразователя на igbt-модулях»

Цель работы:

• 1. Изучение устройства и принципа действия ШИП на IGBT-модулях.
• 2. Исследование характеристик ШИП на IGBT-модулях.

Теоретическая часть.

Традиционно широтно-импульсные преобразователи применялись для электроприводов малой мощности с широким диапазоном регулирования. С развитием элементной базы, в частности появлением IGBT-модулей, диапазон мощностей где целесообразно применять ШИП значительно увеличился. По сравнению с управляемыми выпрямителями ШИП отличают более высокие динамические показатели при высоком диапазоне регулирования скорости — порядка 2000;6000, лучшее использование двигателя по току, меньшее влияние на питающую сеть.

Для системы с ШИП (рис.44) среднее напряжение на нагрузке Uср определяется следующим образом:

где Uп — напряжение питания; g = tи / T — период коммутации; tи — длительность рабочей части T.

Рис. 45.

Широтно-импульсный преобразователь состоит из широтно-импульсного модулятора ШИМ, усилителей импульсов или драйверов УМ1-УМn и импульсного усилителя мощности ИУМ (рис.45). ШИМ формирует необходимые по длительности импульсы в зависимости от уровня сигнала управления. Существуют различные варианты схемной реализации широтно-импульсных модуляторов. Однако все они используют два способа получения модулированных импульсов. Один из них основан на сложении двух прямоугольных импульсов с регулируемым сдвигом по фазе между ними, второй — на сравнении опорного напряжения определённой несущей частоты и формы (треугольной, пилообразной) и напряжения управления. При совре-менном уровне развития интегральной схемотехники дешёвой и наиболее универсальной представляется реализация ШИМ на основе микропроцессора.

В лабораторной установке в качестве ШИМ использован микроконтроллер фирмы Fujitsu MB90F562 серии F2MC-16 °F. Одновременно в преобразователе он осуществляет отработку защит по току, температуре и напряжению.

Его основные особенности:

• · Быстрое 16-ти битное ядро (время выполнения инструкции 62,5
• · нс)
• · Малый уровень электромагнитных помех
• · Обработка команд с использованием 4-х байтной очереди
• · Мощная система команд (340 инструкций)
• · Аппаратное умножение 16*16 и деление 32/16
• · 32-х битный аккумулятор
• · Большое адресное пространство 16 Мбайт
• · Мультиплицированная шина адреса/данных (24/16)
• · Большой объем на кристалле (64 Кбайт) Flash памяти программ программируемых в системе
• · ОЗУ данных 2 Кбайт на кристалле
• · 50 портов ввода-вывода
• · Два Full duplex UART0 на скорость до 2 Мбит и UART1 на скорость до 1 Мбит (синхронный режим при частоте 16Мгц)
• · Встроенный быстрый АЦП (время преобразования 26,3 мкс для одного канала) 10 или 8 бит 8 каналов
• · Мощная таймерная подсистема, в том числе ШИМ
• · PLL-синтезатор
• · Малопотребляющая технология с управлением тактовой частотой Режимы остановки CPU, sleep режим

Рис. 46. Схема электрическая принципиальная ШИП

Усилители импульсов предназначены для управления силовыми ключами. Они формируют требуемую амплитуду импульсов, скорость нарастания и спада. В современной схемотехнике такие устройства называют драйверами и, как правило, это специализированные мик-росхемы для управления конкретным типом ключей. В рассматривае-мом ШИП драйверы входят в состав силового модуля.

Силовая часть широтно-импульсного преобразователя выполнена на основе интеллектуальных модулей фирмы Mitsubishi Electric — PS11035 (1.5kW), PS11036 (2.2kW). Модуль этого типа состоит из собранных в одном корпусе силовых IGBT-ключей с защитными обратными диодами (количество ключей — от одного до семи, в зависимости от типа модуля), датчика тока, датчика напряжения, датчика температуры и входных и выходных драйверов управления. Особенностью модулей является наличие встроенных защит по току, напряжению и температуре, что позволяет не размещать дополнительные элементы для реализации этих функций. Встроенные схемные решения также осуществляют мониторинг за питающим напряжением и при уменьшении его ниже определенного значения запрещают работу силовых ключей. Защита по току реализует двухстадийный алгоритм, который обеспечивает отключение силового ключа при превышении номинального тока с некоторой задержкой по времени, что в свою очередь обеспечивает плавное снижение подводимой мощности. Наряду с этим при превышении уровня тока, который система считает током короткого замыкания, силовой ключ отключается сразу, что позволяет сохранить работоспособность устройства. В обоих этих случаях схема формирует сигнал «неисправности» высокого уровня на выходной линии. Сигнал высокого уровня «неисправность» формируется также при выходе питающего напряжения за допустимые пределы и при перегреве модуля. Следует заметить, что при перегреве и превышении тока сигнал формируется импульсом длительностью порядка 1,5 мс. При изменении питающего напряжения сигнал пропорционально увеличивается от минимума до максимума, в зависимости от степени отклонения напряжения от оптимального значения. При использовании оптопары с пороговым включением отследить медленно повышающееся напряжение на выводе «авария» достаточно затруднительно. При возникновении перегрева сигнал аварии возникает при превышении некоторой температуры, модуль отключается и начинает остывать. Сигнал аварии продолжает находиться в высоком состоянии. После остывания модуля до рабочей температуры модуль включается, и сигнал аварии снимается, при этом длительность сигнала составляет несколько секунд. Различия во временных характеристиках сигнала позволяют в какой-то мере идентифицировать причину аварии.

Конструктивно модули выполнены таким образом, что стоки всех IGBT-ключей охлаждаются одной металлической пластиной. Она же служит нижним основанием модуля и крепится к теплоотводу болтами. Подключение силовых высоковольтных шин осуществляется ножевыми разъемами на вертикальные стойки сечением 5 на 1 мм. Для подключения схемы управления с верхней стороны модуля смонтированы вертикальные контакты с регулярным шагом небольшого сечения и высотой 10−15 мм у разных модулей, что позволяет пропускать их в отверстия печатных плат и без помех запаивать с верхней открытой стороны. Такой метод монтажа экономит место в устройстве, не мешает теплоотводу и не вносит дополнительных проводных связей, что благотворно сказывается на уменьшении помех и наводок.

Методика выполнения

• 1. Запустить программу удаленного управления рабочим столом (см. выше).
• 2. Запустить программу El-drive. Пройти тест по 9-й лабораторной работе «Проверка знаний» >Лаб.№ 9 «Исследование широтно-импульсного преобразователя на IGBT-модулях» .
• 3. После успешного прохождения теста, в меню откроются пункты «Проведение лаб. работ», «Настройки», «Просмотр журнала событий» .
• 4. Войти в меню «Настройки» и установить маркер напротив пункта «Режим управления», который позволит управлять стендом с ПК, и маркер напротив пункта «Регистрировать по событию»
• 5. Войти в пункт меню «Проведение лаб. работ» выбрать пункт «Лаб. № 9 «Исследование широтно-импульсного преобразователя на IGBT-модулях». Откроется окно лабораторной работы № 4. (см. рис. 47).

Рис. 47 Окно лабораторной работы № 9

• 6. Вынуть все перемычки на панели.
• 7. Нажать кнопку «Старт». Дождаться выполнения процесса. Нажать кнопку «Стоп» .
• 8. Скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3−6.4 в л.р. № 1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей папке или в указанном преподавателем месте. Полученная зависимость будет следующий вид (см. рис. 48).

Рис. 48 Вольтамперная характеристика, полученная при выполнении пунктов 6−8.

• 9. Опыт начать через 5 мин после предыдущего. Установить перемычку, шунтирующую резистор R911. Выполнить п. 7−8.
• 10. Опыт начать через 5 мин после предыдущего. Зашунтировать резистор R912. Выполнить п. 7−8.
• 11. Нажать кнопку «Выход» .

Контрольные вопросы.

• 1. Какие существуют способы коммутации?
• 2. Способы получения модулированных импульсов?
• 3. Достоинства и недостатки использования тиристоров в силовой части ШИП?
• 4. Достоинства и недостатки использования транзисторов в силовой части ШИП?
• 5. При каком способе коммутации возможен режим прерывистых токов? Научно-техническое предприятие «Центр». Описание лабораторных работ «Электропривод». Могилев, 2005.