Лабораторная работа №6 Исследование однофазного инвертора с широтно-импульсной модуляцией
Цель работы: Ознакомиться с работой однофазного инвертора с широтно-импульсной модуляцией при помощи компьютерного пакета программ MATLAB.
Краткие теоретические сведения: Инвертором называется устройство, преобразующее постоянное (выпрямленное) напряжение в переменное напряжение с регулируемой величиной амплитуды и частоты. В зарубежной технике данный вид преобразователей имеет следующую аббревиатуру: DC/AC, что обозначает Direct Current/Alternating Current, т.е. преобразование из постоянного тока в переменный ток. Автономным инвертором называется инвертор, не нуждающийся в синхронизации с напряжением сети.
Первые инверторы были выполнены на основе однооперационных (SCR) тиристоров. Построенные таким образом инверторы нуждались в так называемом блоке искусственной коммутации тиристоров. По мере развития силовой полупроводниковой техники в инверторах нашли применения двухоперационные (ОТО) тиристоры, которые не нуждались в блоке искусственной коммутации. Позже, стали использоваться IGBT -транзисторы, на базе которых были созданы широтно-импульсные модуляторы (Т Т ТИМ).
IGBT - транзистор - представляет собой силовой, полностью управляемый электронный ключ. Данный вид транзистора представляет собой два транзистора в одном корпусе, один из которых полевой, а другой -биполярный. Полевой транзистор служит для усиления импульса управления, подаваемого на инвертор, биполярный - служит для пропускания рабочей величины тока. Кроме того, обычно в состав IGBT -транзистора обычно включается обратный диод, служащий для шунтирования выводов транзистора.
Формирование выходных характеристик инвертора происходит за счет изменения ширины импульсов транзистора включения и выключения. Использование ШИМ - модуляции позволяет получить на выходе преобразователя переменное напряжение с регулируемыми величинами напряжения и частоты, с допустимым уровнем искажений. Нагрузкой автономных инверторов являются потребители переменного тока. В большинстве случаев автономные инверторы выполняются трехфазными и являются источниками питания двигателей переменного тока, что позволяет регулировать скорость вращения ротора двигателя в широких пределах.
Программа лабораторной работы: Моделирование инвертора с ШИМ при помощи программы MATLAB заключается в следующем:
Сборка соответствующей схемы инвертора при помощи программного продукта MATLAB;
Изменяя параметры элементов схемы инвертора согласно указаниям по проведению лабораторной работы, получаем соответствующие осциллограммы;
Анализ полученных результатов компьютерного моделирования.
Выполнение лабораторной работы: на рис.23 представлена схема однофазного автономного инвертора, выполненного при помощи компьютерного пакета программ MATLAB. Она состоит из следующих элементов: источника постоянного напряжения (DC Voltage Source); IGBT -транзистора; генератора импульсов управления транзистором (Discrete PWN Generator); блока дискретного управления (Discrete system); измерителя тока и измерителя напряжения (Current (Voltage) Measurement); нагрузки (Series RLC Branch); осциллографа (Scope).
Ввиду того, что некоторые из элементов были рассмотрены в предыдущих лабораторных работах, акцентируем внимание на ранее не рассмотренных.
Блок генератора импульсов управления (Discrete PWN Generator) расположен в библиотеке SimPоwerSystem в разделе Extra Library, в подразделе Discrete Control Blocks. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.24). В данном окне присутствуют такие параметры, как Generator Mode - тип генератора: одноплечевой (2 - импульсный) силовой полупроводниковый ключ (1 -arm bridge); двуплечевой (4 - импульсный) силовой полупроводниковый ключ (2-artn bridge); трехплечевой (6 - импульсный) силовой полупроводниковый ключ (3-arm bridge); двойной трехплечевой (12 — импульсный) силовой полупроводниковый ключ (Double 3-arm bridge), Carrier frequency — промежуточная частота управления, Sample time -временная функция; Internal generation of modulation signal - внутренний генератор сигналов управления, Modulation index - индекс показателя модуляции выбираем в промежутке от 0 до 1, Frequency of output voltage -частота выходного напряжения, Phase of output voltage — сдвиг фазы выходного напряжения.
Блок IGBT - транзистора (Universal Bridge) расположен в библиотеке SimPowerSystem в разделе Power Electronics. При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.24). В данном окне присутствуют такие параметры, как: Number of bridge arms - количество плечей ключа; Port configuration - конфигурация порта; Snubber resistance, Snubber capacitance параметры демпфирующих цепей (сопротивления, емкость); Power Electronic device - разновидности силовых электронных элементов; Ron - сопротивление электронного ключа в открытом состоянии; Forward voltage — пороговое напряжение электронного ключа; Tf, Tt постоянные времени; возможность установки встроенного измерителя напряжений и токов.
29
Рисунок 26 Блок параметров дискретной системы
Рисунок 27
Результаты моделирования однофазного инвертора с широтно-импульсной модуляцией
Для управления работой IGBT - транзистора также присутствует блок дискретного управления (Discrete system). При двойном нажатии левой кнопкой мышки на данный элемент открывается окно с параметрами (рис.26). Изменяемым параметром данного блока является временная функция Sample time. Дискретное время модели также используется в блоке генератора импульсов управления (Discrete PWN Generator).
Кроме того, в системе присутствует такой элемент системы как нейтральная точка Neutral, служащая для электрического соединения источника постоянного тока DC Voltage Source с выводом IGBT -транзистора.
После задания всех параметров элементов и параметров моделирования на рабочей панели нажимаем клавишу start, после окончания моделирования левой клавишей мышки нажимаем на осциллограф'и фиксируем результат \/ моделирования (рис.27).
Задание по выполнению лабораторной работы:
1. Изменяя параметры источника постоянного тока рассмотреть поведение смоделированной системы и заполнить соответствующую таблицу
3. По результатам выполненного задания сделать соответствующие выводы по изменению величины тока и напряжения инвертора в зависимости от
величина источника г>т-ания.
Лабораторная работа №7 Исследование широтно-импульсного преобразователя