Автономний транзисторний інвертор напруги (однофазний варіант)

Практична робота № 4.

Автономний транзисторний інвертор напруги (однофазний варіант)

Автономні інвертори – прилади, що перетворюють постійний струм у перемінний з незмінною або регульованою частотою та працюючих на автономне (не пов’язане з мережею змінного струму) навантаження. У цьому головна відмінність автономних інверторів від керованих інверторів, також перетворюючих постійний струм у перемінний, але працюючих на сіть змінного стуму. Навантаженням автономного інвертору може бути одиничний користувач (синхронний двигун, електрична установка) або розгалужена мережа користувачів (декілька навантажень, працюючих по своєму розкладу).

Основою автономного інвертору є вентильний перемикаючий прилад. Модель однофазного мостового перемикаючого приладу представлена на рис. 4.1. У якості вентилів використані польові транзистори Mosfet, шунтовані діодами. Представимо перемикаючий прилад у вигляді підсистеми. Керування всіма ключами будемо здійснювати векторним сигналом по одній лінії pulses. Функцію перетворення векторного сигналу у скалярні сигнали виконує блок Demux (Simulink→ Signals & Systems).

Рис. 4.1. Вентильний перемикаючий прилад,

реалізований у вигляді підсистеми

Формування кривої вихідної напруги здійснюється шляхом використання відповідного закону (алгоритму) перемикання ключів.

Розглянемо засоби формування та регулювання вихідної напруги однофазних автономних інверторів напруги (АІН).

Формування кривої вихідної напруги інвертору у вигляді імпульсів з чергуванням полярності та однаковою тривалістю

Формування кривої вихідної напруги потребує відпирання по черзі силових ключів к₁, к₂ та к₃, к₄, що лежать навхрест, так що кожний з них відчинений протягом y = 180° (рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Алгорітм перемикання силових вентилів АІН

Керуюча схема представлена на рис. 4.3.

Послідовність імпульсів зі шпаруватістю 2 (рос.— "скважность") (тривалість імпульсу дорівнює паузі між імпульсами) виробляє тактовий генератор Pulse Generator (Simulink→Sources). Безпосередньо сигнал з тактового генератора подається на ключі к₁, к₂, ключі ж к₃, к₄ підключені до генератору через інвертор. Інвертор зібраний на трьох блоках: два з них (Data Type Convertion) призначені для перетворення формату даних, третій Logical Operator [not] є логічним запереченням. Алгоритм роботи інвертору можна представити наступною послідовністю: Double ® Boolean ® Logical not ® double.

Рис. 4.3. Схема керування

Часові діаграми керуючої схеми представлені на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Часові діаграми роботи схеми керування

Схему керування необхідно зібрати у вигляді підсистеми (рис. 4.5.). Компонування скалярних сигналів здійснює блок Mux (Simulink→ Signals & Systems).

Рис. 4.5. Схема керування у вигляді підсистеми

Модель однофазного АІН зображена на рис. 4.6., де Subsystem1 – підсистема керування ключами (рис 4.5.), Subsystem2 – підсистема перемикаючого приладу (рис. 4.1.).

У сталому режимі крива струму активно – індуктивного навантаження симетрична і складається з частин експонент з постійною часу (рис. 4.7.).

Слід звернути увагу, що регулювання вихідної напруги можливо лише шляхом зміни напруги джерела.

Рис. 4.6. Модель однофазного АІН

Рис. 4.7. Часові діаграми роботи АІН

Широтно – імпульсний засіб формування та

регулювання вихідної напруги інвертору

При широтно – імпульсному засобі формування та регулювання (ШІР) крива вихідної напруги складається протягом періоду з к імпульсів тривалістю t_і (рис. 4.8.), при к/2 однополярних імпульсах у кожній з його напівхвиль (тут к = 2, 4, 6,...). Шляхом зміни тривалості імпульсів здійснюється регулювання вихідної напруги, у тому числі діючого значення його першої гармоніки. Розглянемо більш прості випадки, коли к = 2.

Рис. 4.8. Форма кривої вихідної напруги АІН

при широтно-імпульсному регулюванні

ШІР із залежною від параметрів навантаження формою кривої вихідної напруги

Цей різновид ШІР здійснюється зміною тривалості відкритого стану ключів y від 0° до 180° (рис. 4.9.).

Рис. 4.9. Алгорітм перемикання силових вентилів АІН при ШІР

Схема керування таким інвертором при к = 2 представлена на рис. 4.10.

Генератором задавання є блок Signal Generator (Simulink→Sources). У його параметрах слід встановити синусоїдальну форму sine сигналу з частотою 50 Гц. Блок Gain з коефіцієнтом підсилення, який дорівнює –1, виконує роль інвертору вхідного сигналу. На входи блоку Mux (Simulink→ Signals & Systems) одночасно надходять два взаємно інверсних сигнали (кут зсуву фаз між якими j = 180°). Цей блок на своєму виході формує вектор сигналу з кількістю елементів вектору р = 2.

Як було відмічено у попередніх роботах, елементи вектора сигналу опрацьовуються схемою незалежно один від одного.

Вихід блоку Mux пов’язаний з синхронізатором Hit Crossing (Simulink→ Signals & Systems), формуючий короткий імпульс при перетинанні сигналом значення рівня нуля (У параметрах Hit crossing detection встановлюємо значення rising).

На блоках Integrator та Constant зібраний генератор пилообразної напруги. Значення константи , де f – частота генератору задавання.

Рис. 4.10. Схема керування АІН у вигляді підсистеми

Блоки In [Gamma_deg] та Relational Operator [>=] формують тривалість імпульсів. Значення сигнаму на виході блока In зумовлює коефіцієнт заповнення. Для того, щоб мати можливість задавати тривалість імпульсів у градусах необхідно ввести додатковий блок Gain1 з коефіцієнтом підсилення .

На блоках Data Type Convertion 1,2, Logical Operator [not] зібраний інвертор. Формування вектору вихідного сигналу Pulses забезпечується двома блоками Demux та одним Mux.

Роботу блоку ілюструють осцилограми (рис. 4.11.).

Рис. 4.11. Осцилограми роботи схеми керування

Схема АІМ з розглянутим керуючим блоком приведена на рис. 4.12, підсистема керування Subsystem на рис. 4.10.

Результати моделювання представлені на рис. 4.13.

Рис. 4.12. Схема однофазного АІН з ШІР

Рис. 4.13. Осцилограми роботи АІН з ШІР

Для формування кривої вихідної напруги протягом періоду з к = 8 імпульсів тривалістю t_і (рис. 4.8) пропонується схема керування (рис. 4.14).

Функцію дільника частоти з коефіцієнтом ділення m = 2³ = 8 виконують динамічні J-К тригери (Зміна стану тригерів відбувається за спадом синхросигналу). Комутація керуючих імпульсів здійснюється двома перемикачами з встановленим параметром Threshold = 0.5.

Роботу схеми характеризують часові діаграми рис. 4.15.

Рис. 4.14. Схема керування АІН для к=8

Рис. 4.15. Осцилограми роботи схеми керування

ШІР з незалежною від параметрів навантаження формою кривої вихідної напруги

Незалежність від параметрів навантаження форми кривої вихідної напруги та збереження у ній необхідної при регулюванні паузи b досягається, якщо на інтервалі b забезпечити одночасну провідність силових ключів к₁, к₃ або к₂, к₄ (рис. 4.16.). При цьому на вказаних інтервалах навантаження замикається швидко через шини “+” або “-” джерела живлення і напруга на навантаженні дорівнює нулю.

Рис. 4.16. Алгорітм перемикання вентилів

Режиму керування відповідає тривалість інтервалу провідності кожного ключа y = 180° (к = 2). Ключі пів-мостів, до яких підключені виводи навантаження (к₁, к₄ та к₂, к₃), перемикаються у тій же послідовності, що і у нерегульованому інверторі: відкритому станові одного ключа відповідає закритий стан іншого ключа. Різниця криється у створені фазового зсуву на кут a у послідовності перемикання ключів обох пів-мостів. Тим самим на інтервалі b = y - a здійснюється одночасна провідність то ключів к₂, к₄, то к₁, к₃.

Схема керування інвертором представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Схема керування АІН

Фазовий зсув a здійснюється завданням у полі Phase Delay блоку Pulse Generator2 необхідного фазового зсуву a. Фазовий зсув генератору Pulse Generator1 при цьому дорівнює нулю.

Роботу блоку ілюструють часові діаграми (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Часові діаграми роботи блоку керування

Схема інвертору та часові діаграми його роботи зображені на рис. 4.19. – рис. 4.20.

Рис. 4.19. Схема АІН

Рис. 4.20. Часові діаграми роботи АІН

Виконання лабораторної роботи.

1. Дослідити модель однофазного інвертору напруги з формуванням вихідної напруги у вигляді імпульсів з чергуванням полярності та однаковою тривалістю. Використавши блок RMS (Power System Blockset→Extra Library→Measurements), зняти зовнішню характеристику інвертору.

2. Дослідити модель однофазного інвертору, керованого ШІМ, з залежною від параметрів навантаження формою кривої вихідної напруги при к = 2.

Запропонувати та дослідити модель інвертору з ШІМ при к = 8.

Побудувати зовнішні та регулювальні характеристики.

3. Дослідити модель інвертору, керованого ШІМ, з незалежною від параметрів навантаження формою кривої вихідної напруги.

Привести зовнішні та регулювальні характеристики.

Дата добавления: 2015-09-29