Jednofazowy półmostek i falownik z pełnym mostkiem przy użyciu programu Matlab

Prądu przemiennego (AC) Zasilacz jest używany do prawie wszystkich mieszkalnych, handlowych i przemysłowych potrzeb. Ale największym problemem związanym z AC jest to, że nie można go przechowywać do przyszłego użytku. Tak więc prąd przemienny jest przekształcany w prąd stały, a następnie prąd stały jest przechowywany w bateriach i ultra-kondensatorach. A teraz, gdy potrzebny jest prąd przemienny, prąd stały jest ponownie przekształcany w prąd przemienny, aby uruchomić urządzenia oparte na prąd przemienny. Więc urządzenie, które przekształca prąd stały w prąd przemienny, nazywa się falownikiem.

W przypadku aplikacji jednofazowych używany jest falownik jednofazowy. Istnieją głównie dwa typy falowników jednofazowych: falownik półmostkowy i falownik pełno-mostkowy. Tutaj będziemy badać, w jaki sposób można zbudować te falowniki i symulować obwody w programie MATLAB.

Falownik półmostkowy

Ten typ falownika wymaga dwóch przełączników elektroniki mocy (MOSFET). MOSFET lub IGBT są używane do przełączania. Schemat obwodu falownika półmostkowego pokazano na poniższym rysunku.

Jak pokazano na schemacie obwodu, wejściowe napięcie stałe wynosi Vdc = 100 V. To źródło jest podzielone na dwie równe części. Teraz impulsy bramki są przekazywane do MOSFET, jak pokazano na poniższym rysunku.

W zależności od częstotliwości wyjściowej, decyduje się czas włączenia i czas wyłączenia MOSFET i generowane są impulsy bramki. Potrzebujemy zasilania prądem przemiennym 50 Hz, więc okres jednego cyklu (0 <t <2π) wynosi 20 ms. Jak pokazano na schemacie, MOSFET-1 jest wyzwalany przez pierwszą połowę cyklu (0 <t <π) i podczas tego okresu MOSFET-2 nie jest wyzwalany. W tym okresie prąd będzie płynął w kierunku strzałki, jak pokazano na poniższym rysunku, i pół cyklu wyjścia AC jest zakończone. Prąd z obciążenia jest od prawej do lewej, a napięcie obciążenia jest równe + Vdc / 2.

W drugiej połowie cyklu (π <t <2π) wyzwalany jest tranzystor MOSFET-2, a do obciążenia dołączane jest źródło niższego napięcia. Prąd z obciążenia jest w kierunku od lewej do prawej, a napięcie obciążenia jest równe -Vdc / 2. W tym okresie prąd będzie płynął, jak pokazano na rysunku, a druga połowa cyklu wyjścia AC zostanie zakończona.

Falownik z pełnym mostkiem

W tego typu falowniku stosowane są cztery przełączniki. Główną różnicą między falownikiem półmostkowym i pełnym mostkiem jest maksymalna wartość napięcia wyjściowego. W falowniku półmostkowym napięcie szczytowe jest równe połowie napięcia zasilania DC. W falowniku z pełnym mostkiem napięcie szczytowe jest takie samo jak napięcie zasilania DC. Schemat obwodu pełnej falownika mostkowego jest, jak przedstawiono na rysunku poniżej.

Impuls bramki dla MOSFET 1 i 2 jest taki sam. Oba przełączniki działają w tym samym czasie. Podobnie, MOSFET 3 i 4 mają te same impulsy bramki i działają w tym samym czasie. Ale MOSFET 1 i 4 (ramię pionowe) nigdy nie działają w tym samym czasie. W takim przypadku nastąpi zwarcie źródła napięcia stałego.

W przypadku górnej połowy cyklu (0 <t <π), tranzystory MOSFET 1 i 2 zostaną wyzwolone, a prąd będzie płynął, jak pokazano na poniższym rysunku. W tym okresie prąd płynie od lewej do prawej strony.

Dla dolnej połowy cyklu (π <t <2π), tranzystory MOSFET 3 i 4 zostaną wyzwolone, a prąd będzie płynął, jak pokazano na rysunku. W tym okresie prąd płynie od prawej do lewej strony. Szczytowe napięcie obciążenia jest takie samo jak napięcie zasilania DC Vdc w obu przypadkach.

Symulacja falownika półmostkowego w programie MATLAB

Do symulacji dodaj elementy w pliku modelu z biblioteki Simulink.

1) 2 źródła prądu stałego - 50 V każde

2) 2 MOSFETY

3) obciążenie rezystancyjne

4) Generator impulsów

5) NIE brama

6) Powergui

7) Pomiar napięcia

8) GOTO i OD

Podłączyć wszystkie komponenty zgodnie ze schematem połączeń. Zrzut ekranu pliku modelu Half Bridge Inverter pokazano na poniższym obrazku.

Impuls bramki 1 i impuls bramki 2 to impulsy bramki dla MOSFET1 i MOSFET2, które są generowane z obwodu generatora bramki. Impuls bramki jest generowany przez GENERATOR IMPULSÓW. W takim przypadku MOSFET1 i MOSFET2 nie mogą zostać wyzwolone w tym samym czasie. W takim przypadku nastąpi zwarcie źródła napięcia. Kiedy MOSFET1 jest zamknięty, MOSFET2 będzie otwarty w tym czasie, a kiedy MOSFET2 jest zamknięty, MOSFET1 jest otwarty w tym czasie. Tak więc, jeśli wygenerujemy impuls bramki dla dowolnego tranzystora MOSFET, możemy przełączyć ten impuls i użyć go dla innego tranzystora MOSFET.

Generator impulsów bramki

Powyższy obrazek przedstawia parametr bloku generatora impulsów w programie MATLAB. Okres jest 2e-3 środki 20 msek. Jeśli potrzebujesz wyjścia częstotliwości 60 Hz, okres będzie wynosił 16,67 ms. Szerokość impulsu jest w procentach w okresie. Oznacza to, że impuls bramki jest generowany tylko dla tego obszaru. W tym przypadku ustawiamy to na 50%, co oznacza, że ​​generowany jest impuls bramki w 50% okresie, a impuls bramki w okresie 50% nie jest generowany. Opóźnienie fazowe jest ustawione 0 sek, oznacza, że nie dają żadnych opóźnień na impuls bramy. Jeśli występuje jakiekolwiek opóźnienie fazowe, oznacza to, że po tym czasie zostanie wygenerowany impuls bramki. Na przykład, jeśli opóźnienie fazy wynosi 1e-3, impuls bramki zostanie wygenerowany po 10 ms.

W ten sposób możemy wygenerować impuls bramki dla MOSFET1, a teraz przełączymy ten impuls bramki i użyjemy go dla MOSFET2. W symulacji użyjemy bramki logicznej NOT. Bramka NOT odwraca wyjście, co oznacza, że ​​zamieni 1 na 0 i 0 na 1. W ten sposób możemy uzyskać dokładnie przeciwny impuls bramki, aby źródło prądu stałego nigdy nie uległo zwarciu.

W praktyce nie możemy użyć 50% szerokości impulsu. Wyłączenie tranzystora MOSFET lub dowolnego elektrycznego przełącznika zasilania zajmuje niewiele czasu. Aby uniknąć zwarcia źródła, szerokość impulsu jest ustawiona na około 45%, aby dać czas na wyłączenie tranzystorów MOSFET. Ten okres jest znany jako Dead Time. Ale dla celów symulacji możemy użyć 50% szerokości impulsu.

Przebieg wyjściowy dla falownika półmostkowego

Ten zrzut ekranu dotyczy napięcia wyjściowego na obciążeniu. Na tym obrazku widzimy, że szczytowa wartość napięcia obciążenia wynosi 50 V, co stanowi połowę napięcia zasilania DC, a częstotliwość wynosi 50 Hz. Na pełny cykl wymagany czas wynosi 20 ms.

Symulacja pełnego falownika mostkowego w programie MATLAB

Jeśli uzyskasz wyjście falownika półmostkowego, łatwo jest zaimplementować falownik mostkowy, ponieważ większość rzeczy pozostaje taka sama. W falowniku z pełnym mostkiem również potrzebujemy tylko dwóch impulsów bramki, co jest tym samym, co falownik półmostkowy. Jeden impuls bramki jest dla MOSFET 1 i 2, a odwrotność tego impulsu bramki jest dla MOSFET 3 i 4.

Wymagane elementy

1) 4 - MOSFET

2) 1 źródło prądu stałego

3) obciążenie rezystancyjne

4) Pomiar napięcia

5) Generator impulsów

6) GOTO i OD

7) powergui

Podłącz wszystkie komponenty, jak pokazano na poniższym zrzucie ekranu.

Kształt fali wyjściowej dla falownika z pełnym mostkiem

Ten zrzut ekranu dotyczy napięcia wyjściowego na obciążeniu. Tutaj widzimy, że wartość szczytowa napięcia obciążenia jest równa napięciu zasilania DC, które wynosi 100 V.

Możesz sprawdzić cały spacer wideo pokazujący, jak zbudować i symulować falownik półmostkowy i pełno-mostkowy w MATLAB poniżej.