Исследование импульсного преобразователя напряжения на основе инвертора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 Обзор существующих технических решений и принцип работы преобразователя

1.1 Обзор аналогов силовой части схемы преобразователя

Инверторы - устройства, предназначенные для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение с регулируемыми напряжением и частотой. В качестве аналогов схемы рассмотрены наиболее распространённые схемы преобразователей.

1. Однофазный мостовой инвертор напряжения.

Рассмотрим схему однофазного мостового преобразователя:

Схема мостового инвертора показана на рисунке 1.1.1. В одну диагональ моста, образованного ключами K1 - K4, включен источник постоянного напряжения, а в другую - нагрузка. Ключи переключаются так, что в одну половину периода замкнута одна диагональная пара ключей, а во вторую - другая пара ключей. На интервале 0 - T/ 2 замкнуты ключи K1 и K 4, а на интервале T/ 2 - T замкнуты ключи K2 и K3. Если нагрузка имеет резистивный характер, напряжение u (t) н будет иметь форму симметричных прямоугольных импульсов, как представлено на рисунке 1.1.2. Регулирование частоты переменного напряжения обеспечивается изменением частоты коммутации ключей.

2. Трехфазный мостовой инвертор.

Во многих случаях необходимы инверторы, генерирующие трехфазное синусоидальное напряжение. Такое напряжение требуется для трехфазных асинхронных двигателей с регулируемой скоростью вращения, различных электромеханических систем и т.д.

Простой трехфазный инвертор можно получить, объединив три однофазных инвертора. Для реализации такого инвертора необходимо 6 ключей. Получаемые фазные напряжения представляют прямоугольные импульсы, смещенные друг относительно друга на треть периода. Трехфазное напряжение можно получить с помощью трех мостовых инверторов. При этом число ключей достигнет двенадцати.

Число ключей в инверторе, построенном на основе трех мостовых схем, можно уменьшить в два раза. Для этого необходимо, чтобы временной интервал, в течение которого ключ замкнут, был сдвинут на треть или половину периода по отношению к интервалу замыкания соседнего ключа. К инвертору подключена резистивная нагрузка. Такой инвертор может работать в двух режимах: 120-градусном и 180-градусном.

При 120-градусном режиме каждый ключ находится в проводящем состоянии треть периода. В любой момент замкнуты два ключа, и ток замыкается через два из трех резисторов нагрузки. Замыкание ключей осуществляется в последовательности 61 - 12 - 23 - 34 - 45 - 56. Отметим, что в замкнутом состоянии находятся ключи, относящиеся к разным фазам. Поэтому такой режим называют режимом межфазной коммутации. Временные диаграммы напряжений, соответствующие 120 - градусному режиму.

Фазные напряжения представляют последовательность прямоугольных импульсов, сдвинутых на треть периода, а линейные напряжения имеют шести ступенчатую форму.

При 180-градусном режиме работы каждый ключ замкнут половину периода, В этом режиме одновременно замкнуты три ключа - два нечетных ключа и один четный либо два четных ключа и один нечетный. Замыкание ключей осуществляется в последовательности 561 - 612 - 123 - 234 - 345 -456. Поскольку одновременно замкнуты ключи во всех трех фазах, такой режим называют режимом по фазной коммутации.

В данной работе будет использоваться схема мостового инвертора напряжения, приведенная в первом примере.



1.2 Обзор индуктивно-емкостных фильтров источников электропитания

Индуктивно - емкостные фильтры в сравнении с другими пассивными фильтрами источников электропитания являются наиболее эффективными. Электрические процессы в LC - фильтрах описываются дифференциальным уравнением второго порядка и выше, поэтому полный анализ и расчет источника питания с такими фильтрами в общем случае сложен.

1) Г - образный фильтр.

В источниках питания средней и большей мощности широко применяются Г - образные фильтры.

Г-образный LC-фильтр удобно применять при больших токах нагрузки, так как потери в дросселе незначительны.

2) П - образный фильтр.

П-образный LC-фильтр представляет собой последовательное включение емкостного и Г-образного LC-фильтра.

1.3 Способы формирования напряжения синусоидальной формы на выходе преобразователя

Напряжение на выходе инвертора должно иметь форму, близкую к синусоидальной форме. В противном случае уменьшается коэффициент мощности устройства, возрастают электромагнитные помехи. Если инвертор используется в качестве источника питания асинхронного электродвигателя, наличие высших гармоник вносит дополнительные потери.

Сглаживающий фильтр может иметь большую частоту среза, и, следовательно, меньшие габариты, если в спектре выходного напряжения гармоники низшего порядка (n =3, 5) отсутствуют. Напряжение с уменьшенным содержанием высших гармоник можно получить с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

1. Однократная широтно-импульсная модуляция.

При такой модуляции импульсное напряжение содержит только один импульс за половину периода (рис. 1.3.1). Такое напряжение мы получим, если ключи в схеме на рис. 1.1.1 замыкаются со смещением во времени. Диаграмма, показывающая интервалы замыкания ключей, изображена в нижней части рис. 1.3.1.

Покажем, что с помощью однократной ШИМ можно исключить из спектра одну из высших гармоник, изменяя угол включения д.

Разложение в ряд Фурье последовательности импульсов на рис. 1.3.1 содержит только нечетные синусоиды:

(1.3.1)

Амплитуда n-й гармоники:

(1.3.2)

Варьируя угол включения д, мы изменяем амплитуды гармоник. Примем, что д = 300. Тогда амплитуда первой гармоники:

(1.3.3)

а амплитуда третьей гармоники равна нулю:

(1.3.4)

Можно исключить пятую гармонику, полагая д =180. Однако для одновременного исключения третьей и пятой гармоник необходимо сформировать импульсное напряжение более сложной формы. Многократная широтно-импульсная модуляция. В этом случае напряжение представляет серию импульсов за половину периода. На рис. 1.2.2 показано напряжение, имеющее два импульса одинаковой полярности на полупериоде. Напряжение такой формы позволяет исключить две высших гармоники. Однако это не могут быть одновременно третья и пятая гармоники.

Для исключения третьей и пятой гармоник необходимо напряжение, содержащее три импульса на полупериоде.

Синусоидальная широтно-импульсная модуляция.

Другой способ исключения высших гармоник из спектра заключается в модуляции длительности импульсов по синусоидальному закону. Такой способ эффективен при большом числе импульсов на полупериоде основной гармоники.

В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Такой тип ШИМ называется асимметричным, т.к. длительности управляющих импульсов неодинаковы. Высшие гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут меньше, чем при симметричной широтно-импульсной модуляции.

Рассмотренные способы формирования выходного напряжения могут использоваться в мостовом инверторе на рис. 1.1.1. В проектируемом преобразователе будет использоваться синусоидальная широтно-импульсная модуляция.

По способам формирования сигнал с ШИМ можно разделить на пять родов, рассмотрим некоторые из них. В ШИМ первого рода (ШИМ-1) длительность импульса определяется значением сигнала в тактовые моменты времени.



2. Расчёт и разработка функциональной и принципиальной схем преобразователя

2.1 Разработка функциональной схемы

Устройство работы мостового инвертора заключается в преобразовании энергии постоянного тока на входе в энергию переменного на выходе, за счет попарного переключения транзисторов по схеме VТ1, VТ4; VТ2, VТ3, которое осуществляется за счет системы управления СУ с широтно - импульсной модуляцией. На выходе инвертора находится датчик напряжения ДН, связанный обратной связью с СУ.

2.2 Расчёт и выбор основных элементов силовой части схемы преобразователя

Входные данные:

Uвх=100 В-напряжение на входе инвертора;

fраб= 300 Гц - рабочая частота напряжения на выходе инвертора;

fпр=500 кГц - частота преобразования ШИМ;

Rн=600 Ом - сопротивление нагрузки;

N=1 - количество ячеек преобразователя;

- коэффициент пульсаций выходного напряжения.

Форма выходного напряжения имеет синусоидальную форму и имеет вид:

, (2.2.1)

Где: , амплитудное значение выходного напряжения,

- рабочая частота инвертора и рассчитывается по формуле:



(2.2.2)

Форма выходного тока так же имеет синусоидальную форму и совпадает по фазе с выходным напряжением:

, (2.2.3)

Где: - амплитудное значение тока в нагрузке, рассчитывается по формуле:

(2.2.4)

Действующее напряжение на выходе инвертора:

(2.2.5)

Мощность, выделяемая на нагрузке:

(2.2.6)

1) Расчет выходного фильтра.

Средний ток ячейки преобразователя:

(2.2.7)

Размах индукции магнитопровода дросселя:

(2.2.8)



Индукция насыщения магнитопровода дросселя:

(2.2.9)

Средняя индукция магнитопровода дросселя:

(2.2.10)

Размах оптимальных пульсаций тока дросселя:

(2.2.11)

Коэффициент подавления:

(2.2.12)

Индуктивность выходного фильтра должна быть не менее:

(2.2.13)

На основании расчетов выбран дроссель RLB314-222KL с паспортными данными:

- Номинальное напряжение 250 В;

- Номинальный ток 2.1 А;

- Номинальная индуктивность 2.2 мГн;

- Номинальное сопротивление 290 мОм.

Ёмкость выходного фильтра должна быть не менее:



(2.2.14)

На основании расчетов выбран конденсатор К73-16 с паспортными данными:

- Рабочее напряжение переменное - 160 В;

- Рабочее напряжение постоянное - 250 В;

- Номинальная емкость 0,001 -22 мкф;

- Допуск номинальной емкости - 5%;

- Рабочая температура -55…100 С.

2) Расчет и выбор силовых транзисторов мостового инвертора.

Силовые ключи VT1 - VT4 выбираются исходя из максимальных значений напряжения и тока и с учетом минимальных потерь в них.

Максимальный ток протекающий через открытый канал транзистора равен а напряжение прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии равно половине входного напряжения , произведем выбор MOSFET транзистора КП748.

В таблице 2.1.1 приведены основные электрические параметры транзистора КП748, в таблице 2.1.2 приведены значения предельно допустимых электрических режимов эксплуатации КП748.

Таблица 2.1.1 - Основные электрические параметры КП748



Таблице 2.1.2 - Значения предельно допустимых электрических режимов эксплуатации КП748

Мощность динамических потерь выделяющаяся на транзисторе в процессе включения определяется временем нарастания напряжения на стоке, их можно оценить с помощью соотношения:

(2.1.15)

Где:

- интервал нарастания напряжения на стоке;

Ron - сопротивление открытого состояния транзистора;

R - сопротивление нагрузки;

Ep - напряжение прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии.

Мощность статических потерь в открытом до насыщения транзисторе определяется по формуле:

(2.1.16)

Где:

- длительность импульса (в данном случае рассчитываема средние потери, задавшись длительностью импульса 0,5);

Мощность динамических потерь, выделяющаяся на транзисторе в процессе выключения, определяется временем спада напряжения на стоке и находится по формуле:

(2.1.17)

Где:

- интервал спада напряжения на стоке;

Мощность статических потерь в закрытом состоянии:

(2.1.18)

- ток запертого транзистора (ток отсечки).

Общее значение потерь на транзисторе в ключевом режиме складывается из значений статических и динамических потерь:

(2.1.19)

2.3 Расчёт и выбор основных элементов системы управления и разработка схемы электрической принципиальной с перечнем элементов

ШИМ - контроллеры, в настоящее время, получили наибольшее применение в системах управления транзисторными преобразователями. Поэтому в качестве ШИМ - контроллера будем использовать микросхему 1156ЕУ3, которая является однотактным контроллером.

Микросхема ШИМ - контроллера 1156ЕУ3 является аналогом UC3825. Контроллер имеет высокую скорость распространения сигналов, широкую полосу пропускания частот усилителей ошибки и значительную крутизну фронтов выходных сигналов. Выходные каскады контроллера могу работать на емкостную нагрузку. Контроллер содержат схемы защиты, компаратор ограничения тока с пороговым напряжением, равным 1 В и ТТЛ - совместимым выходным сигналом отклонения. В контроллере имеется вход управления «мягким» запуском и собственный источник опорного напряжения.

Таблица 2.2.1 - Основные технические характеристики контроллера 1156ЕУ3

Частота коммутации	до 1 МГц
Мощность рассеяния	1 Вт
Выходной ток каждого выхода	до 1,5 А
Опорное напряжение	5,1 В±1%
Напряжения питания	30 В
Выходное напряжение аналоговых выходов 1, 2, 7, 8, 9	0,3 - 6 В
Выходной ток тактирования (вывод 4)	-5 мА
Зарядный ток генератора (вывод 5)	-5 мА

Расчет и выбор элементов микросхемы 1156ЕУ3:

Расчет времязадающих элементов, при частоте коммутации ШИМ равной 500 кГц:

(2.2.1)

Задавшись время задающим сопротивлением , расчитаем из формулы (2.2.1) конденсатор :

(2.2.2)

Выбирается резистор : МЛТ - 0,5 - 6 кОм

На основании расчетов выбран конденсатор : KM5B с паспортными данными:

- Рабочее напряжение постоянное - 100 В;

- Номинальная емкость 0.015 мкф;

- Допуск номинальной емкости - 20%;

- Рабочая температура -60…85 С.

Построение стабилизаторов с высокими частотами преобразования требует повышенного внимания к топологии разводки монтажных соединений и рациональному размещению компонентов. Рекомендуется шунтировать выводы (15, 16) высокочастотными конденсаторами емкостью 0,1 мкФ. Для осуществления мягкого запуска с плавным увеличением выходных напряжений путем увеличения скважности импульсов до номинального значения рекомендуется применение конденсатора 0,1 мкФ.

На основании расчетов выбраны конденсаторы С7, С8, С9, С11: B32529 с паспортными данными:

- Рабочее напряжение переменное - 40 В;

- Рабочее напряжение постоянное - 63 В;

- Номинальная емкость 0.22 мкф;

- Допуск номинальной емкости - 10%;

- Рабочая температура -55…85 С.

На вход микросхемы устанавливается ограничивающий резистор с номиналом в 400 Ом, сглаживающий фильтр устанавливается параллельно входу с номиналом 4мкФ. В качестве защиты по току устанавливается диод с напряжением стабилизации 15 В.

Выбираются резисторы R2 и R7: МЛТ - 0,5 - 500 Ом

На основании расчетов выбран конденсатор С9: K73-17 с паспортными данными:

- Рабочее напряжение постоянное - 63 В;

- Номинальная емкость 4.7 мкф;

- Допуск номинальной емкости - 10%;

- Рабочая температура -60…125 С.

Выбираем стабилитрон VD5: 1N4745A с паспортными данными:

- Мощность рассеяния, Вт - 1;

- Минимальное напряжение стабилизации - 15,2 В;

- Максимальное напряжение стабилизации - 16,8 В;

- Максимальный ток стабилизации - 57мА.

Выберем токоограничивающие резисторы для входов коллекторов микросхемы 14, R8 и R9: МЛТ - 0,5 - 2 кОм.

Выберем диоды для трансформатора со вредней точкой, VD1…VD4:

КД 514 А

- Максимальное постоянное обратное напряжение - 10 В;

- Максимальный прямой ток - 0,02 А;

- Рабочая температура - -60…100 С.

Выбираем трансформатор TV1: ТП121-564Р 220 - 9 - 9 В 4,5 Вт

В качестве вторичного источника питания будет использоваться схема DRA05 с паспортными данными:

- Входное напряжение - 90 - 264 VAC;

- Выдаваемая мощность - 5 Вт;

- Выходное напряжение - 15 В.

Расчет и выбор драйвера MOSFET транзисторов

Для управления силовыми ключами мостового инвертора воспользуемся микросхемой IR2103. Данная микросхема представляет быстродействующий драйвер, способный управлять как нижним, так и верхним ключами стойки (полумост).

Поясним значение ножек микросхемы IR2103:

VСС - питание логики микросхемы (10-20 В);

HIN - логический вход, управляющий выходом (HO);

LIN - логический вход, управляющий выходом (LO);

VSS - земля входной логической части драйвера;

VB - плавающее напряжение источника для выхода, находящегося под высоким напряжением;

HO - выход драйвера высокого уровня;

Vs - возврат питания верхнего уровня;

Vcc - напряжение питания низковольтной части драйвера;

LO - выход драйвера нижнего уровня;

СОМ - возврат питания нижнего уровня.

Стоит уделить внимание при выборе элементов, обеспечивающих питание плавающего канала (VD, C). Диод должен выдерживать большое обратное напряжение (500 или 600 В), допустимый прямой ток примерно 1А, время восстановления 10…20 нс. Емкость конденсатора C1 должна составлять 0,2…1 мкФ.

Руководствуясь рекомендациями приведенными в документации микросхемы IR2103, конденсаторы выбраны номиналом по 0.1 мкФ, учитывая что падение напряжения на , согласно этому выбираем конденсаторы - К73-17 с параметрами U=63 В, С=0.1 мкФ±10%, а конденсаторы - К73-17 с параметрами U=63 В, С=1 мкФ±10%.

Учитывая рекомендации по руководству выбираем диоды - HFA04TB06 с параметрами ,

Для расчета резисторов -, воспользуемся выражением:

(2.3.1)

где напряжение затвора, - суммарный заряд затвора транзистора, согласно документации транзисторов MTD4N20E .

(2.3.2)

Выбираем резисторы - - чип резистор 0,062 Вт, 6.8 Ом, ±1%.

Максимальный ток, протекающий через диоды VD1, VD2 будет равен току потребления драйверов IR2103 (), обратное падение напряжения на диодах . Выбираем диоды VD1=VD2 - 2Д103А с параметрами ,



3. Построение математической модели в системе Matlab

инвертор преобразователь напряжение

3.1 Общие сведения

Программа MATLAB представляет собой высокоуровневый технический вычислительный язык и интерактивную среду для разработки алгоритмов, визуализации и анализа данных, числовых расчетов. Используя программу MATLAB, мы можем решать технические вычислительные задачи гораздо быстрее, чем с помощью традиционных языков программирования. Кроме того, программу MATLAB можно использовать для объединения математических вычислений с текстом и графикой с целью создания завершенных, интегрированных, интерактивных документов.

В настоящей работе мы так же используем программу Simulink, которая является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. Так же пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения времени моделирования (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Библиотека SimPowerSystems, разработанная канадской государственной компанией Hydro-Quebec, является ключевой библиотекой Simulink для проектирования энергетических и электротехнических систем.

3.2 Модель однофазного мостового инвертора в системе Matlab

Автономный инвертор напряжения представляет собой силовой преобразователь, который позволяет получить на выходе ток желаемой частоты, который формируется из исходного постоянного тока или напряжения посредством широтно-импульсной модуляции

Модель однофазного мостового инвертора напряжения в программе

Таблица 3.2.1 - Описание используемых блоков

Блок	Назначение и параметры
	Блок, представляет собой источник постоянного напряжения заданной величины. Параметры для блока: 1. Величина напряжения (Amplitude) = 100В 2. Измерения (Measurements)
	Блок, предназначенный для измерения тока. Параметров для корректировки нет. Входи + и - подключаются к электрической сети (последовательно), выход «і» - информационный, несет сигнал о величине тока в цепи.
	Блок, предназначенный для измерения напряжения. Параметров для корректировки нет. Входы + и - подключаются к электрической сети (параллельно), выход «V» - информационный, несет сигнал о величине напряжения в цепи.
	Блок, моделирующий гармонический сигнал. Параметры блока: Амплитуда (Amplitude) = 1, смещение (bias) = 0, частота (frequency) = 2*pi*100, фаза (phase) = 0, время выборки (sample time) = 0.
	Блок, выполняющий функцию широтно-импульсной модуляции. Параметры блока: частота преобразования (time values) = 2e-6 = 200кГц, амплитуда выходного сигнала (output values) = 1В.
	Блок, моделирующий мостовую схему. Параметры блока: количество плечей моста (Number of bridge arms) = 2; сопротивление параллельного элемента (Snubber resistance Rs Ohms) = 1е5; емкость параллельного элемента (Snubber Capacitance) = inf; тип полупроводников (Power electronic Device) = MOSFET/Diodes; прямое сопротивление(Ron)=1e-3; Измеряемые величины (Measurements) - All Voltages and Currents.
	Блок, моделирующий апериодическое звено. Параметры блока: коэффициент числителя (numerator coefficients) = [4], знаменатель (denominator coefficients) = [1.6e-4 1], абсолютная погрешность (аbsolute tolerance) = 0.
	Блок предназначен для вывода графической информации.

В блоках Repeating Sequence и Repeating Sequence задаем частоту преобразования в нашем случае 100 кГц и амплитуду выходного напряжения ШИМ в нашем случае 1В.

Транзисторный мост моделируется при помощи блока Universal Bridge, окно настроек параметров которого приведено на рис. 3.2.5. Количество плечей моста (Number of bridge arms) = 2, сопротивление параллельного элемента (Snubber resistance Rs) = 1·10⁵ Ом, емкость параллельного элемента (Snubber Capacitance) = inf; тип полупроводников (Power electronic Device) = MOSFET/Diodes; прямое сопротивление (Ron) = 1·10^-3 Ом.

Значения токов и напряжений измеряются с помощью блоков Current Measurement и Voltage Measurement, которые последовательно соединены с многоканальным осциллографом Scope.

Размещено на Allbest.ru