Полумостовой и мостовой преобразователи в MATLAB
Источник переменного тока используется практически для всех жилых, коммерческих и промышленных нужд. Но самая большая проблема переменного тока заключается в том, что его энергия не может быть запасена для будущего использования. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный ток, а затем постоянный ток сохраняется в аккумуляторах и ионисторах. И теперь, когда требуется переменный ток, постоянный ток снова преобразуется в переменный ток для работы приборов на основе переменного тока. Таким образом, устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором.
Для однофазных приложений используется однофазный инвертор. Существует в основном два типа однофазных инверторов: полумостовой инвертор и полно мостовой инвертор. Здесь мы будем изучать, как эти преобразователи могут быть смоделированы в MATLAB.
Полумостовой инвертор
Инвертор этого типа требует двух переключателей на основе полевых МОП-транзисторов (MOSFET) или IGBT-транзисторов. MOSFET или IGBT используется для коммутации входного напряжения. Принципиальная электрическая схема полумостового инвертора показана на рисунке ниже.
Как показано на принципиальной схеме, входное напряжение постоянного тока составляет 100 В. Этот источник разделен на две равные части. Теперь импульсы затвора передаются на полевой МОП-транзистор, как показано на рисунке ниже.
В соответствии с выходной частотой определяется время включения и время выключения MOSFET, и генерируются импульсы затвора. Нам нужно напряжение переменного тока с частотой 50 Гц, поэтому период времени одного цикла (от 0 до 2π) составляет 20 мсек. Как показано на диаграмме, MOSFET-1 запускается в течение первого полупериода (от 0 до π), и в течение этого периода времени MOSFET-2 не включается. В этот период времени ток будет течь в направлении стрелки, как показано на рисунке ниже, и половина цикла выхода переменного тока будет завершена. Ток от нагрузки течет справа налево, а напряжение нагрузки равно + Vdc/2.
Во втором полупериоде (от π до 2π) MOSFET-2 включается, и источник более низкого напряжения соединяется с нагрузкой (LOAD). Ток от нагрузки направлен слева на право, а напряжение нагрузки равно -Vdc/2. В этот период времени ток будет течь, как показано на рисунке, и другая половина цикла выхода переменного тока будет завершена.
Полномостовой инвертор
В этом типе инвертора используются четыре переключателя. Основное различие между полумостовым и полномостовым инвертором – это максимальное значение выходного напряжения. В полумостовом инверторе пиковое напряжение составляет половину напряжения питания постоянного тока. В полномостовом инверторе пиковое напряжение совпадает с напряжением питания постоянного тока. Принципиальная схема инвертора с полным мостом показана на рисунке ниже.
Импульс затвора для MOSFET 1 и 2 одинаков. Оба переключателя работают одновременно. Аналогично, MOSFET 3 и 4 имеют одинаковые импульсы затвора и работают одновременно. Но MOSFET 1 и 4 никогда не работают одновременно. Если это произойдет, то источник постоянного напряжения будет замкнут накоротко. Для верхней половины цикла (от 0 до π) срабатывают полевые транзисторы 1 и 2, и ток будет течь, как показано на рисунке ниже. В этот период времени ток течет слева направо.
Для нижнего полупериода (от π до 2π) MOSFET 3 и 4 срабатывают, и ток будет течь, как показано на рисунке. В этот период времени ток течет справа налево. Пиковое напряжение нагрузки совпадает с напряжением питания постоянного тока Vdc в обоих случаях.
Моделирование полумостовой схемы в MATLAB
Обе схемы инвертора моделируются в MATLAB довольно легко. Для полумостового инвертора, соберите цепь в MATLAB, как показано на рисунке ниже.
Gate pulse 1 и gate pulse 2 являются импульсами затвора для MOSFET1 и MOSFET2. Импульс затвора генерируется генератором импульсов PULSE GENERATOR. В этом случае MOSFET1 и MOSFET2 не могут быть включены одновременно. Если это произойдет, источник напряжения будет замкнут накоротко. Когда MOSFET1 закрыт, MOSFET2 будет открыт в это время, а когда MOSFET2 закрыт, MOSFET1 будет открыт. Итак, если мы генерируем импульс затвора для любого MOSFET, то мы можем переключить этот импульс и использовать для другого MOSFET. Принцип настройки генератора импульсов затвора показан далее.
На рисунке выше показаны параметры для блока генератора импульсов в MATLAB. Период 2e-3 означает 20 мсек. Если вам нужен выход с частотой 60 Гц, период составит 16,67 мсек. Ширина импульса в процентах от периода. Это означает, что импульс затвора генерируется только для этой области. В этом случае мы устанавливаем это значение равным 50%, это означает, что генерируется импульс затвора с периодом 50%, а импульс затвора с периодом 50% не генерируется. Задержка фазы установлена на 0 секунд, это означает, что мы не даем никакой задержки импульсу затвора. Если есть какая-либо фазовая задержка, это означает, что по истечении этого времени будет генерироваться импульс затвора. Например, если фазовая задержка составляет 1e-3, то импульс затвора будет генерироваться через 10 мс.
Таким образом, мы можем генерировать импульс затвора для MOSFET1 и теперь мы переключим этот импульс затвора и используем его для MOSFET2. В симуляции мы будем использовать логические элементы НЕ (NOT). Логический элемент NOT инвертирует выход, что означает, что он преобразует 1 в 0 и 0 в 1. Таким образом, мы можем точно получить противоположный импульс строба, чтобы источник постоянного тока никогда не был закорочен.
На практике мы не можем использовать 50% ширины импульса. MOSFET или любой силовой электрический выключатель требует небольшого времени для пребывания в выключенном состоянии. Чтобы избежать короткого замыкания источника, ширина импульса установлена на 45%, чтобы время выключения MOSFET было немного большим. Этот период времени известен как мертвое время (dead time). Но для целей моделирования мы можем использовать 50% ширину импульса.
Этот скриншот показывает выходное напряжение на нагрузке. На этом изображении мы видим, что пиковое значение напряжения нагрузки составляет 50 В, что составляет половину входного напряжения постоянного тока, а частота равна 50 Гц. Для завершения одного цикла требуемое время составляет 20 мс.
Моделирование мостовой схемы в MATLAB
Если вы успешно получили выходной сигнал полумостового инвертора, то реализовать полномостовой инвертор легко, потому что большинство элементов остается неизменным. Также в полномостовом инверторе нам нужны только два импульса затвора, что аналогично полумостовому инвертору. Один импульс затвора предназначен для полевых МОП-транзисторов 1 и 2, а обратный импульс этого затвора – для полевых транзисторов 3 и 4.
Ниже показан скриншот для выходного напряжения на нагрузке. Здесь мы видим, что пиковое значение напряжения нагрузки равно напряжению питания постоянного тока, составляющему 100 В.
Таким образом, моделировать полумостовые и мостовые схемы в MATLAB довольно просто и удобно.
© digitrode.ru