Очень удобным для изучения электронных полупроводниковых устройств и силовых преобразователей является пакет прикладных программ MatLab+Simulink.

При построении в модели виртуальных лабораторных работ закладываются основные параметры электронных приборов и устройств на их основе.

Виртуальное или имитационное моделирование в настоящее время является наиболее мощным и универсальным методом исследования и оценки эффективности сложных инженерных систем. Главными его достоинствами являются:

– гибкая, легко изменяющаяся структура исследуемой системы;

– возможность изменения параметров системы в широких пределах;

– выход на аварийные режимы работы системы;

– «открытость» системы, т.е. возможность доступа практически к любому узлу схемы;

– возможность многоканального осциллографирования и т.п.

Математическая модель представляет собой набор взаимосвязанных блоков, включающих в себя электрические элементы и измерительные приборы.

Для запуска программы, необходимо щелкнуть два раза правой клавишей мыши на пиктограмму «MatLab» расположенную на рабочем столе. Далее в меню «File» (Файл) выбрать пункт «Open» (открыть) или нажать на кнопку «Открыть модель» расположенную, на панели инструментов.

В открывшемся диалоговом окне найти и выбрать необходимый файл, после чего нажать кнопку «открыть».

Аналогичный результат можно получить при двойном (или одинарном – в зависимости от настроек компьютера) щелчке левой кнопки мыши по выбранному файлу с расширением «.mdl».

Для ввода и изменения параметров блоков Simulink и SimPowerSystems необходимо зайти в блок двойным нажатием левой кнопки мыши. Функции, которые выполняет блок, зависят от значений параметров блока. Установка этих значений осуществляется в окне настройки, которое вызывается после двойного щелчка левой кнопки мыши на изображении блока в блок-схеме. У каждого блока есть имя, соответствующее его функциональному назначению. С учетом возможностей математического пакета Matlab имена блоков рекомендуется давать на английском языке или латинскими буквами. Обозначения, принятые на блок-схемах, приведены в скобках при описании каждой виртуальной модели.

При вводе численных параметров в блоках MatLab дробная часть от числа отделяется точкой, а не запятой.

Для запуска расчета необходимо нажать кнопку «Пуск», которая расположена на панели инструментов. После запуска процесса моделирования данная кнопка преобразуется в кнопку – «пауза» и становится активной расположенная рядом кнопка «Стоп». В нижней части окна моделирования при этом можно увидеть индикаторы хода расчета – секундный и графический.

Электронный осциллограф – блок Scope предназначен для вывода на экран компьютера графика входного сигнала в функции времени. Открывается окно Scope двойным щелчком левой клавишей мыши по его изображении (по аналогии с любым другим блоком). Размер и пропорции окна можно изменять произвольно, используя курсор мыши.

Для управления параметрами окна Scope в нем имеется панель меню. Для изменения масштаба по выбранной оси координат необходимо:

– нажать соответствующую кнопку изменения масштаба;

– подвести курсор мыши к тому участку графика, который должен быть отображен в новом масштабе;

– нажать один раз левую кнопку мыши.

Первое нажатие левой кнопки мыши приводит к четырехкратному увеличению масштаба, каждое последующее дает увеличение масштаба в два раза.

Можно также растянуть необходимый участок по любой из осей. Для этого нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, указать (движением мыши вверх/низ или влево/вправо) необходимый отрезок.

Полученные в процессе виртуального моделирования зависимости (временные или одной величины от другой) удобно обрабатывать в графическом редакторе Paint, который является стандартным приложением среды Windows 2000 или XP, Windows 7, Windows 8.

1 Исследование однофазной нулевой схемы неуправляемого выпрямителя

Принципиальная схема и виртуальная модель на ее основе для исследования однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя имеет вид, изображенный на рисунке 1.1.

В комплект виртуальной модели входят следующие блоки: источник (ISTOCHNIK), выпрямительный диод (Diode), нагрузка (Rd, Ld, E), датчики напряжения и тока (Dat u2, Dat ia, Dat ua, Dat id, Dat ud), осциллограф (Scope).

Перечисленные блоки имеют следующие назначения и изменяемые параметры:

Источник (ISTOCHNIK) – блок состоящий из идеального источника синусоидального напряжения (Е2), имитирующего напряжение на вторичной стороне трансформатара и активного сопротивления трансформатора приведенного ко вторичной стороне (ra).

Изменяемые параметры блока:

– напряжение на вторичной стороне трансформатора – установить значение Е2 в соответствии с заданным вариантом;

– активное сопротивления трансформатора приведенное ко вторичной стороне – установить ra = 4.5 Ом

Выпрямительный диод (Diode). Обозначение входов и выходов: а – анод, к – катод. Изменяемые параметры блока:

– дифференциальное сопротивление вентиля во включенном состоянии Ron (установить 13.3Ом);

– индуктивность вентиля во включенном состоянии Lon (установить 0 Гн);

– пороговое напряжение вентиля Vf (установить 0.6В);

– начальный ток, протекающий через диод Ic (установить 0 A);

– демпфирующая цепь – цепь, состоящая их последовательно включеных сопротивления Rs и конденсатора Cs. Эта схема подключается параллельно диоду. Установить Rs = 10⁶ Ом, Cs = inf (бесконечности, что соответствует перемычке). Ввод таких параметров имитирует обратное сопротивление диода.

а) б)

Рисунок. 1.1. Принципиальная схема (а) и виртуальная модель (б) для исследования однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя

Нагрузка (Rd, Ld, E) представляет собой последовательно соединенные резистор, индуктивность, емкость и источник противоЭДС (в работе не используется). Поскольку в работе не исследуется выпрямитель, подключенный на активно-емкостную нагрузку, то емкость во всех опытах установить равной бесконечности (С = inf), что соответствует перемычке в схеме.

В зависимости от установленных параметров меняется характер нагрузки:

– активная – если Ld = 0, E = 0, Rd – установить в соответствии с заданным вариантом;

– активно-индуктивная – E = 0, Rd – установить в соответствии с заданным вариантом. Для расчета Ld индуктивное сопротивление Хd принять равным Rd (см. примечание после таблицы вариантов);

Датчик напряжения (Dat е2) – позволяет измерить напряжение на входе выпрямителя;

Датчик тока (Dat ia) – позволяет измерить анодный ток диода;

Датчик напряжения (Dat uа) – позволяет измерить напряжение на диоде (анодное напряжение);

Датчик тока (Dat id) – позволяет осциллографировать выпрямленный ток;

Датчик напряжения (Dat ud) – позволяет осциллографировать выпрямленное напряжение;

Блоки разложения на гармоники (Ud, Id) – позволяют выделить постоянную составляющую из выпрямленного тока id и выпрямленного напряжения ud;

Дисплей (Display) – блок, служащий для регистрации измеренных величин;

Осциллограф (Scope) – блок, позволяющий наблюдать осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений.

Исследование схемы проводят в следующем порядке:

1. Запустить программу «MatLab».

2. Собрать модель неуправляемого выпрямителя, представленную на рисунке 1.1 б.

3. Установить все необходимые параметры в блоках, в соответствии с приведенным выше описанием модели виртуальной лабораторной установки;

4. Запустить расчет модели.

5. Снять осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений для активной нагрузки. Для этого после окончания расчета модели направить курсор мыши на блок (Scope) и щелкнуть два раза левой кнопкой мыши. После этих действий появится окно, имитирующее экран реального осциллографа, содержащего пять каналов. На рисунке 1.2 приведен пример одного канала – ток через вентиль.

Рисунок. 1.2. Пример осциллограммы тока через вентиль однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя

Осциллограммы можно растягивать по осям X и Y или менять масштаб осей, можно для удобства анализа добиться нужного изображения (два полных периода в конце осциллограммы – в установившемся режиме), обработать эти осциллограммы с помощью графической среды «Paint».

Модель достаточно гибка, т.е можно варьировать различные параметры цепи и получать новые осциллограммы или другие графические характеристики.