Ченцов С.В. Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

На рис. 2.28

приведены временные диаграммы работы СН при различ-

ных входных напряжениях и отказах фазы. Принятые на временных диа-

граммах обозначения:

• I

– ток нагрузки СН;

• U

ВЫХ

– напряжение на выходе СН;

Рис. 2.26. Схема модели стабилизатора напряжения

Рис. 2.27. Схема силовой цепи модуля СН «part_1» с

устройством управлением

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

• I

АБ1

– ток разряда аккумуляторной батареи AB_1 согласно рис. 2.26;

• I

АБ2

– ток разряда аккумуляторной батареи AB_2 согласно рис. 2.26.

Рис. 2.28. Временные диаграммы токов и напряжения при U

АБ1

= 63 В, U

АБ2

= 53 В

Вторая часть работы посвящена разработке и исследованию общесис-

темного выходного фильтра. При выполнении работы необходимо рассмот-

реть различные варианты топологических решений по объединению конден-

саторов в батареи и определить основные электрические характеристики по-

лученных фильтров.

В ходе исследований необходимо провести измерение амплитудных

значений тока через конденсаторы для всех модулей в фильтрах различных

топологий при различных частотах синусоидального сигнала. Также нужно

провести исследования по измерению величины входного сопротивления

фильтров. На основании полученных результатов выработать рекомендации

по топологическим решениям фильтров.

Для проведения исследований в формате PSpice разрабатываются мо-

дели общесистемного емкостного фильтра с различными топологиями объе-

динения конденсаторов в батарею. С использованием ранее разработанных

моделей импульсных преобразователей (П) – РУ и СН и источников энергии

(ИЭ) – АБ определяются частоты основных гармоник тока, проходящего че-

рез общесистемный емкостной фильтр.

Далее для диапазона частот, охватывающего частоты основных гармо-

ник тока, проводятся исследования по «загрузке» конденсаторов фильтра и

по входному сопротивлению фильтра.

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

t, мс

AB1

, A

AB2

, A

2.0

4.0

ВЫХ

, В

26.75

27.00

27.20

, А

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Структурная схема включения моделей элементов ЭПА для определе-

ния частот основных гармоник тока представлена на рис. 2.29

. Принятые

обозначения:

• ИЭ – источник энергии;

• П – преобразователь;

• Ф – емкостной фильтр;

• Н – нагрузка.

Рис. 2.29. Структурная схема включения моделей элементов ЭПА

для определения частей основных гармоник тока

В качестве источника энергии выбирается источник ЭДС с напряжени-

ем 120 В (в случае использования СН) или 80 В (при использовании РУ), а в

качестве импульсного преобразователя выбрать рассмотренные выше шести

фазные конверторы понижающего или повышающего типов. При этом необ-

ходимо рассмотреть работу конверторов как в номинальном режиме, так и

при отказе одной из фаз. Емкостной фильтр представить в виде RC цепи. В

качестве нагрузки использовать источник постоянного тока.

При проведении экспериментов по определению «загрузки» фильтров

различных вариантов исполнения, в качестве задающего возмущающего эле-

мента применяется источник синусоидального тока. В начальные параметры

источника синусоидального тока входят частота гармонического сигнала и

его амплитуда. Для определения этих параметров проводится моделирование

электромагнитных процессов в системе электропитания со структурной схе-

мой, представленной на рис. 2.29

. На основе полученных в ходе моделирова-

ния временных диаграмм проводится гармонический анализ, цель которого –

определение спектра гармоник тока через емкостной фильтр. На рис. 2.30

приведены примерные результаты спектрального анализа гармоник тока че-

рез выходной фильтр импульсного преобразователя на основе трехфазного

повышающего конвертора.

Из анализа результатов спектрального анализа выбираются частоты

работы генератора синусоидального сигнала, при которых наблюдаются вы-

сокие значения амплитуд гармоник тока через конденсатор выходного

фильтра конвертора.

Для проведения исследований по определению «загрузки» фильтров

различных топологий разрабатывают модель экспериментальной установки в

формате PSpice со структурной схемой (рис. 2.31)

. Исследования проводят

при частотах работы генератора, определенных из результатов спектрального

анализа, амплитудное значение тока – 5 А, сопротивление R

= 1 кОм. При

подаче на фильтр возмущения измеряется ток в цепи конденсатора соответ-

ствующего модуля. Измерения проводят для каждого модуля фильтра (для

ИЭ

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

фильтров «1» (см. рис. 2.14) и «2» (см. рис. 2.15)) и для модулей одного блока

фильтра (фильтры «3» (см. рис. 2.16

) и «4» (см. рис. 2.17)).

Результатами исследований являются временные диаграммы работы

фильтров рассмотренных вариантов исполнения. Примерные временные диа-

граммы результатов исследований приведены на рис. 2.32

. По временным

диаграммам определяют «загрузочные» характеристики конденсаторов

фильтров. Результаты в абсолютных

значениях сводятся в таблицу. «Загру-

зочные» характеристики также пред-

ставляют в графическом виде в отно-

шении I

, где I

– измеряемый ток

конденсатора «текущего» модуля, I

–

ток конденсатора первого блока иссле-

дуемого фильтра. Примерный вид «за-

грузочных» характеристик приведен на

рис. 2.33.

Полученные диаграммы «загрузки» конденсаторов фильтров по току

необходимы для обоснованного выбора конструктива фильтра и его параме-

ров.

Исследования по определению величины входного сопротивления

фильтров проводятся с использованием модели экспериментальной установ-

ки, аналогичной использовавшейся для определения «загрузочных» характе-

ристик. При подаче на вход фильтра синусоидального токового возмущения

с амплитудой 1 А и соответствующей частотой нужно получить показания

вольтметра, установленного на выход фильтра.

Результаты исследований по определению величины входного сопро-

тивления фильтров сводятся в таблицу и представляются в графическом виде.

Рис. 2.30. Результаты спектрального анализа трехфазного конвертора, работающего в

номинальном режиме

sin

Кл1

Кл2

Кл3

Кл4

Рис. 2.31. Структурная схема экспе-

риментальной установки

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Типичным воздействием на общесистемный емкостной фильтр при его

работе совместно с конверторами понижающего или повышающего типов

является воздействие в виде фронта (спада) тока значительной амплитуды.

Под действием фронта тока из-за наличия конструктивных индуктивностей

на входных клеммах фильтра возникает выброс напряжения, передающийся

на выходные клеммы фильтра.

Исследования проводятся для определения влияния топологии обще-

системного емкостного фильтра на величину выброса напряжения на вход-

ных клеммах и на передачу этого выброса на выходные клеммы. Для прове-

дения исследований используется схема подключения генератора тока (ГТ) к

фильтру, приведенная на рис. 2.34

. С выхода ГТ на вход фильтра подается

Рис. 2.32. Токи конденсаторов фильтра «1». Частота работы генератора 80 кГц

I(filter.C1) – ток конденсатора модуля «1»;

I(filter.fil1_4.C1) – ток конденсатора модуля «6»;

I(filter.fil1_10.C1) – ток конденсатора модуля «12»;

I(filter.fil1_16.C1) – ток конденсатора модуля «18»;

I(filter.fil1_20.C1) – ток конденсатора модуля «22».

Рис. 2.33. Загрузочные характеристики модулей фильтра

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

номер модуля

40 кГц

80 кГц

120 кГц

160 кГц

240 кГц

480 кГц

720 кГц

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

ступенчатое воздействие (рис. 2.35). При исследованиях использованы моде-

ли фильтров, приведенные выше на рис. 2.14

–2.17.

Для проведения исследований по определению реакции фильтров раз-

личных топологий необходимо разработать модель экспериментальной уста-

новки в формате PSpice со структурной схемой согласно рис. 2.34

. При пода-

че на фильтр возмущения измеряются показания вольтметра, подключенного

ко входу модуля фильтра. Измерения проводятся последовательно для каж-

дого модуля фильтра (для фильтров «1» (см. рис. 2.14

) и «2» (см. рис. 2.15))

или для модулей одного блока фильтра (фильтры «3» (см. рис. 2.16

), «4» (см.

рис. 2.17)). Варианты параметров и типы фильтров остаются те же, что и при

исследовании «загрузочных» характеристик.

1. Собрать имитационные модели исследуемых устройств (разрядное

устройство, стабилизатор напряжения, аккумуляторную и солнечную бата-

реи), в качестве нагрузки использовать источник постоянного тока 0.1 А. Па-

раллельно этому источнику поставить коммутируемый источник постоянно-

го тока, величину тока источника выбрать из табл. 2.1

2. Выбрать параметры силовой цепи, выходного фильтра и нагрузки из

табл. 2.1

3. Провести исследование работоспособности устройства при

ВХ

= 80 В для РУ и U

ВХ

= 60 В для СН, для этого получить временные диа-

граммы токов нагрузки, дросселя и выходного напряжения. На временных

диаграммах должны быть четко видны моменты коммутации (подключение и

отключение) нагрузки, процесс стабилизации выходного напряжения (опор-

ное напряжение для РУ – 100 В, для СН – 27 В). Каждый график вывести на

отдельный план. Примерный вид временных диаграмм приведен на рис. 2.36

4. Исходя из принятых размеров конструктивных шин выходного

фильтра и воспользовавшись графиками, приведенными на рис. 2.13

, необхо-

ГТ

Кл1

Кл2

∆

t = 0,1 мкс

∆I = 5 A

Рис. 2.34. Схема подключения ге-

нератора тока

Рис. 2.35. Ступенчатое воздейст-

вие, подаваемое на фход фильтра

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

димо получить значение индуктивности L. При длине участка шин 25 мм его

индуктивность L

= 0,00325 мкГн, а активное сопротивление R

= 0.0025 Ом.

5. Для схемы замещения конденсатора фильтра и плавкой вставки

принять: индуктивность L

= 0,005 мкГн и активное сопротивление R

= 0.3

Ом. Емкость конденсатора С и активное сопротивление R

выбрать из табл.

2.2 согласно номеру варианта.

6. Провести гармонический анализ с целью определения спектра гар-

моник тока через емкостной фильтр. Из анализа результатов спектрального

анализа выбрать частоты работы генератора синусоидального сигнала (не

менее пяти), при которых наблюдались высокие значения амплитуд гармоник

тока через конденсатор выходного фильтра конвертора.

7. Для проведения исследований по определению «загрузки» фильтров

собрать модель экспериментальной установки согласно рис. 2.31

. Исследова-

ния проводить при частотах работы генератора, определенных из результатов

спектрального анализа, амплитудное значение тока – 5 А, сопротивление

= 1 кОм. При подаче на фильтр возмущения измерить ток в цепи конден-

сатора соответствующего модуля. Измерения проводить для каждого модуля

фильтра (для фильтров «1» (см. рис. 2.14

) и «2» (см. рис. 2.15)) и для модулей

одного блока фильтра (фильтры «3» (см. рис. 2.16

) и «4» (см. рис. 2.17)).

8. По временным диаграммам определить «загрузочные» характери-

стики конденсаторов фильтров. Результаты в абсолютных значениях привес-

ти в таблицу. Представить «загрузочные» характеристики графически в виде

отношений I

, где I

– измеряемый ток конденсатора «текущего» модуля,

– ток конденсатора первого блока исследуемого фильтра.

1.0ms

1.2ms

1.4ms

1.6ms

1.8ms

2.0ms

2.2ms

0.9ms

ВЫХ

99.875V

100.000V

100.125V

2.5A

5.0A

7.5A

10.0A

2.0A

4.0A

Рис. 2.36. Временные диаграммы работы РУ при коммутации нагрузки.

Ток нагрузки – I

; ток дросселя – I

; выходное напряжение – U

ВЫХ

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

9. Определить величину входного сопротивления фильтров с исполь-

зованием модели экспериментальной установки, аналогичной использовав-

шейся для определения «загрузочных» характеристик. При подаче на вход

фильтра синусоидального токового возмущения с амплитудой 1 А и соответ-

ствующей частотой получить показания вольтметра, установленного на вы-

ход фильтра.

10. Результаты исследований по определению величины входного со-

противления фильтров привести в таблицу и представить в графическом виде.

11. Собрать схему подключения генератора тока, приведенную на рис.

2.34. С выхода ГТ на вход фильтра подать ступенчатое воздействие, харак-

тер которого приведен на рис. 2.35

. Измерения проводить последовательно

для каждого модуля фильтра (для фильтров «1» (см. рис. 2.14

) и «2» (см. рис.

2.15)) или для модулей одного блока фильтра (фильтры «3» (см. рис. 2.16),

«4» (2.17

)). Варианты параметров и типы фильтров остаются те же, что и при

исследовании «загрузочных» характеристик.

12. Получить временные диаграммы напряжений на элементах фильт-

ров. Исследования режимов работы фильтров проводить при различных зна-

чениях L

: при «базовом» значении L

баз

, при котором проводились иссле-

дования по «загрузке» модулей, при 0,5L

баз

, при 0,1L

баз

. Амплитудные значе-

Таблица 2.1

Параметры разрядного устройства

Параметры стабилизатора напряжения

Номер варианта

ток коммутируемого

источника, А

индуктивность дрос-

селя L, мкГн

емкость конденсатора

выходного фильтра С,

мкФ

сопротивление выход-

ного конденсатора R

Ом

ток коммутируемого

источника, А

индуктивность дрос-

селя L, мкГн

емкость конденсатора

выходного фильтра С,

мкФ

сопротивление выход-

ного конденсатора R

Ом

1,5

350

0,003

3,5

4500

0,023

1,6

400

0,005

3,6

4600

0,015

1,7

410

0,008

3,7

4700

0,009

1,8

370

0,010

3,8

4800

0,012

1,9

360

0,020

3,9

4900

0,031

2,0

420

0,025

4,0

5000

0,022

2,1

440

0,031

4,1

5100

0,018

2,2

470

0,035

4,2

5200

0,039

2,3

390

0,040

4,3

5300

0,051

2,4

500

0,045

4,4

5400

0,050

2,5

510

0,050

4,5

5500

0,040

2,6

550

0,052

4,6

5600

0,057

2,7

430

0,060

4,7

5700

0,058

2,8

560

0,070

4,8

5800

0,011

2,9

600

0,080

4,9

5900

0,010

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

ния входных напряжений при подаче ступенчатого сигнала на вход фильтра

привести в таблицу и представить графически в отношении U

A21

, где U

–

напряжение на входе «текущего» модуля, U

A21

– напряжение на входе перво-

го модуля фильтра «2» (см. рис. 2.15

13. Составить отчет, в который внести по пунктам ход выполнения ра-

боты, выполняемые процедуры и полученные результаты. По результатам

работы сделать выводы о работоспособности РУ и СН с исходными парамет-

рами, предложить рекомендации по улучшению работы данных устройств.

По результатам исследований «загрузки» фильтров и полученным значениям

входного сопротивления указать, в фильтрах каких топологий конденсаторы

получают наибольшую загрузку. Предложить варианты по установлению

равномерной загрузки конденсаторов. Указать необходимое количество мо-

дулей. Сделать выводы о входном сопротивлении фильтров различных топо-

логий. Проанализировать результаты исследований реакции фильтров на

ступенчатое воздействие. Рассмотреть, как наличие параллельных ветвей в

фильтре влияет на токовую нагрузку шин фильтра.

Отчет должен быть подготовлен в печатном виде с помощью редактора

MS Word и содержать следующие обязательные разделы: цель и задачи лабо-

раторной работы, задание для выполнения лабораторной работы, информа-

цию о порядке выполнения лабораторной работы, описание результатов ла-

бораторных исследований. Отчет оформляется в соответствии с СТО [8

]; он

должен содержать описание работы проектируемых устройств, их структур-

ные и принципиальные схемы.

Таблица 2.2

Емкость конденсатора С, мкФ

Активное сопротивление R

, Ом

Вариант 1

0.30

Вариант 2

0.28

Вариант 3

0.24

Вариант 4

0.40

Вариант 5

0.35

Вариант 6

0.50

Вариант 7

0.22

Вариант 8

0.20

Вариант 9

0.38

Вариант 10

0.43

Вариант 11

0.26

Вариант 12

0.23

Вариант 13

0.18

Вариант 14

0.31

Вариант 15

0.30

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

1. Чем различаются системы электропитания с разделенными и объе-

диненными солнечными батареями?

2. Перечислить и пояснить, каково назначение основных элементов

системы электропитания автономного объекта?

3. Какую роль в системе электропитания выполняют стабилизатор на-

пряжения, разрядное и зарядное устройства?

4. Привести вольт-амперную и мощностную характеристики солнеч-

ной батареи. На каком участке происходит основная работа батареи?

5. Привести структурную схему управления стабилизатором напряже-

ния, пояснить назначение основных элементов схемы. Исходя из каких тре-

бований выбираются параметры элементов?

6. Чем различные варианты исполнения фильтров отличаются друг от

друга?

7. Для чего используется гармонический анализ применительно к про-

ектированию выходного фильтра системы электропитания?

8. Каким образом проводятся исследования по определению «загру-

зочных» характеристик?