- Μετατροπέας μισής γέφυρας
- Μετατροπέας πλήρους γέφυρας
- Προσομοίωση μετατροπέα Half-Bridge στο MATLAB
- Γεννήτρια παλμών πύλης
- Κυματομορφή εξόδου για μετατροπέα Half-Bridge
- Προσομοίωση Full Bridge Inverter στο MATLAB
- Μορφή κυμάτων εξόδου για Full Bridge Inverter
Το τροφοδοτικό εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) χρησιμοποιείται για σχεδόν όλες τις οικιακές, εμπορικές και βιομηχανικές ανάγκες. Αλλά το μεγαλύτερο πρόβλημα με το AC είναι ότι δεν μπορεί να αποθηκευτεί για μελλοντική χρήση. Έτσι το AC μετατρέπεται σε DC και στη συνέχεια το DC αποθηκεύεται σε μπαταρίες και υπερ-πυκνωτές. Και τώρα όποτε χρειάζεται AC, το DC μετατρέπεται και πάλι σε AC για τη λειτουργία συσκευών που βασίζονται σε AC. Έτσι, η συσκευή που μετατρέπει DC σε AC ονομάζεται Inverter.
Για μονοφασικές εφαρμογές, χρησιμοποιείται μονοφασικός μετατροπέας. Υπάρχουν κυρίως δύο τύποι μονοφασικού μετατροπέα: Half Bridge Inverter και Full Bridge Inverter. Εδώ θα μελετήσουμε πώς μπορούν να κατασκευαστούν αυτοί οι μετατροπείς και θα προσομοιώσουν τα κυκλώματα στο MATLAB.
Μετατροπέας μισής γέφυρας
Αυτός ο τύπος μετατροπέα απαιτεί δύο διακόπτες ηλεκτρονικής ισχύος (MOSFET). Το MOSFET ή το IGBT χρησιμοποιείται για εναλλαγή. Το διάγραμμα κυκλώματος του μετατροπέα μισής γέφυρας είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Όπως φαίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος, η τάση DC εισόδου είναι Vdc = 100 V. Αυτή η πηγή χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη. Τώρα οι παλμοί πύλης δίδονται στο MOSFET όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Ανάλογα με τη συχνότητα εξόδου, ο χρόνος ON και OFF ο MOSFET αποφασίζεται και παράγονται παλμοί πύλης. Χρειαζόμαστε ισχύ 50Hz AC, επομένως η χρονική περίοδος ενός κύκλου (0 <t <2π) είναι 20msec. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, το MOSFET-1 ενεργοποιείται για τον πρώτο μισό κύκλο (0 <t <π) και κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου το MOSFET-2 δεν ενεργοποιείται. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, το ρεύμα θα ρέει προς την κατεύθυνση του βέλους όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα και ο μισός κύκλος της εξόδου AC ολοκληρώνεται. Το ρεύμα από το φορτίο είναι δεξιά προς τα αριστερά και η τάση φορτίου είναι ίση με + Vdc / 2.
Στο δεύτερο μισό κύκλο (π <t <2π), το MOSFET-2 ενεργοποιείται και η πηγή χαμηλότερης τάσης συνδέεται με το φορτίο. Το ρεύμα από το φορτίο είναι αριστερά προς δεξιά και η τάση φορτίου είναι ίση με -Vdc / 2. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, το ρεύμα θα ρέει όπως φαίνεται στην εικόνα και ο άλλος μισός κύκλος της εξόδου AC ολοκληρώνεται.
Μετατροπέας πλήρους γέφυρας
Σε αυτόν τον τύπο μετατροπέα, χρησιμοποιούνται τέσσερις διακόπτες. Η κύρια διαφορά μεταξύ μισής γέφυρας και μετατροπέα πλήρους γέφυρας είναι η μέγιστη τιμή της τάσης εξόδου. Στον μετατροπέα μισής γέφυρας, η μέγιστη τάση είναι η μισή από την τάση τροφοδοσίας DC. Σε μετατροπέα γεφυρών, η τάση αιχμής είναι ίδια με την τάση τροφοδοσίας DC. Το διάγραμμα κυκλώματος του μετατροπέα πλήρους γέφυρας είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Ο παλμός πύλης για MOSFET 1 και 2 είναι ίδιοι. Και οι δύο διακόπτες λειτουργούν ταυτόχρονα. Ομοίως, τα MOSFET 3 και 4 έχουν τους ίδιους παλμούς πύλης και λειτουργούν ταυτόχρονα. Όμως, τα MOSFET 1 και 4 (κάθετος βραχίονας) δεν λειτουργούν ποτέ ταυτόχρονα. Εάν συμβεί αυτό, τότε η πηγή τάσης DC θα βραχυκυκλωθεί.
Για τον άνω μισό κύκλο (0 <t <π), ενεργοποιούνται τα MOSFET 1 και 2 και το ρεύμα θα ρέει όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, η τρέχουσα ροή από αριστερά προς δεξιά κατεύθυνση.
Για χαμηλότερο μισό κύκλο (π <t <2π), ενεργοποιούνται τα MOSFET 3 και 4 και το ρεύμα θα ρέει όπως φαίνεται στην εικόνα. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, η τρέχουσα ροή από δεξιά προς αριστερά. Η μέγιστη τάση φορτίου είναι ίδια με την τάση τροφοδοσίας DC Vdc και στις δύο περιπτώσεις.
Προσομοίωση μετατροπέα Half-Bridge στο MATLAB
Για προσομοίωση προσθέστε στοιχεία στο αρχείο μοντέλου από τη βιβλιοθήκη Simulink.
1) 2 πηγή DC - 50V το καθένα
2) 2 MOSFET
3) Ανθεκτικό φορτίο
4) Γεννήτρια σφυγμού
5) ΟΧΙ πύλη
6) Powergui
7) Μέτρηση τάσης
8) GOTO και ΑΠΟ
Συνδέστε όλα τα εξαρτήματα σύμφωνα με το διάγραμμα κυκλώματος. Το στιγμιότυπο οθόνης του αρχείου μοντέλου Half Bridge Inverter εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα.
Ο παλμός πύλης 1 και ο παλμός πύλης 2 είναι παλμοί πύλης για MOSFET1 και MOSFET2 που παράγονται από το κύκλωμα γεννήτριας πύλης. Ο παλμός πύλης δημιουργείται από τον PULSE GENERATOR. Σε αυτήν την περίπτωση, τα MOSFET1 και MOSFET2 δεν μπορούν να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα. Εάν συμβεί αυτό, η πηγή τάσης θα βραχυκυκλωθεί. Όταν το MOSFET1 είναι κλειστό, το MOSFET2 θα είναι ανοιχτό εκείνη τη στιγμή και όταν το MOSFET2 είναι κλειστό, το MOSFET1 είναι ανοιχτό εκείνη τη στιγμή. Έτσι, εάν δημιουργήσουμε παλμό πύλης για οποιοδήποτε MOSFET, τότε μπορούμε να αλλάξουμε αυτόν τον παλμό και να το χρησιμοποιήσουμε για άλλο MOSFET.
Γεννήτρια παλμών πύλης
Η παραπάνω εικόνα δείχνει την παράμετρο για το μπλοκ γεννήτριας παλμών στο MATLAB. Η περίοδος είναι 2e-3 σημαίνει 20 msec. Εάν χρειάζεστε έξοδο συχνότητας 60Hz, τότε η περίοδος θα είναι 16,67 msec. Το πλάτος παλμού είναι σε όρους ποσοστού περιόδου. Αυτό σημαίνει ότι, ο παλμός πύλης δημιουργείται μόνο για αυτήν την περιοχή. Σε αυτήν την περίπτωση, το ορίζουμε στο 50%, σημαίνει ότι παράγεται παλμός πύλης περιόδου 50% και δεν παράγεται παλμός πύλης περιόδου 50%. Η καθυστέρηση φάσης έχει οριστεί 0 δευτερόλεπτα, σημαίνει ότι δεν δίνουμε καθυστέρηση στον παλμό πύλης. Εάν υπάρχει καθυστέρηση φάσης, αυτό σημαίνει ότι ο παλμός πύλης θα δημιουργηθεί μετά από αυτό το χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, εάν η καθυστέρηση φάσης είναι 1e-3 τότε ο παλμός πύλης θα δημιουργηθεί μετά από 10msec.
Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να δημιουργήσουμε τον παλμό πύλης για MOSFET1 και τώρα θα αλλάξουμε αυτόν τον παλμό πύλης και θα τον χρησιμοποιήσουμε για το MOSFET2. Στην προσομοίωση, θα χρησιμοποιήσουμε λογική πύλη ΟΧΙ. Η πύλη NOT αντιστρέφει την έξοδο σημαίνει ότι θα μετατρέψει 1 σε 0 και 0 σε 1. Έτσι, μπορούμε να πάρουμε ακριβώς τον αντίθετο παλμό πύλης έτσι ώστε η πηγή DC να μην βραχυκυκλώνεται ποτέ.
Στην πράξη, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 50% πλάτος παλμού. Ο MOSFET ή οποιοσδήποτε ηλεκτρικός διακόπτης ισχύος χρειάζεται λίγο χρόνο για να σβήσει. Για να αποφευχθεί βραχυκύκλωμα πηγής, το πλάτος παλμού ρυθμίζεται γύρω στο 45% για να επιτρέψει τον χρόνο απενεργοποίησης των MOSFET. Αυτή η χρονική περίοδος είναι γνωστή ως Dead Time. Όμως, για σκοπούς προσομοίωσης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 50% πλάτος παλμού.
Κυματομορφή εξόδου για μετατροπέα Half-Bridge
Αυτό το στιγμιότυπο οθόνης είναι για την τάση εξόδου σε όλο το φορτίο. Σε αυτήν την εικόνα, μπορούμε να δούμε ότι, η μέγιστη τιμή της τάσης φορτίου είναι 50V, η οποία είναι το ήμισυ της παροχής DC και η συχνότητα είναι 50Hz. Για πλήρη κύκλο, ο απαιτούμενος χρόνος είναι 20 msec.
Προσομοίωση Full Bridge Inverter στο MATLAB
Εάν έχετε έξοδο μετατροπέα μισής γέφυρας, τότε είναι εύκολο να εφαρμόσετε τον μετατροπέα πλήρους γέφυρας, επειδή τα περισσότερα από όλα παραμένουν τα ίδια. Επίσης, σε μετατροπέα γεφυρών γεφυρών, χρειαζόμαστε μόνο δύο παλμούς πυλών που είναι ίδιοι με τον μετατροπέα μισής γέφυρας. Ένας παλμός πύλης είναι για MOSFET 1 και 2 και το αντίστροφο αυτού του παλμού πύλης είναι για MOSFET 3 και 4.
Απαιτούνται στοιχεία
1) 4 - MOSFET
2) 1 πηγή DC
3) Ανθεκτικό φορτίο
4) Μέτρηση τάσης
5) Γεννήτρια σφυγμού
6) GOTO και ΑΠΟ
7) powergui
Συνδέστε όλα τα στοιχεία όπως φαίνεται στο παρακάτω στιγμιότυπο οθόνης.
Μορφή κυμάτων εξόδου για Full Bridge Inverter
Αυτό το στιγμιότυπο οθόνης είναι για τάση εξόδου σε όλο το φορτίο. Εδώ μπορούμε να δούμε ότι, η μέγιστη τιμή της τάσης φορτίου είναι ίση με την τάση τροφοδοσίας DC που είναι 100V.
Μπορείτε να δείτε τον πλήρη τρόπο περιήγησης στο βίντεο σχετικά με τον τρόπο κατασκευής και προσομοίωσης του Half Bridge και του Full Bridge Inverter στο MATLAB παρακάτω.