Jednofazni polumost i pretvarač s punim mostom pomoću matlaba

Izmjenična struja (AC) napajanja se koristi za gotovo sve stambene, komercijalne i industrijske potrebe. No, najveći je problem AC-a taj što se ne može pohraniti za buduću upotrebu. Tako se izmjenična struja pretvara u istosmjernu, a zatim se istosmjerna energija pohranjuje u baterije i ultra-kondenzatore. I sada, kad god je potreban izmjenični napon, istosmjerni izvor se opet pretvara u izmjenični za pokretanje uređaja koji se temelje na izmjeničnom naponu. Tako se uređaj koji pretvara istosmjernu struju u izmjenični naziva Inverter.

Za jednofazne primjene koristi se jednofazni pretvarač. Postoje uglavnom dvije vrste jednofaznih pretvarača: pretvarač s pola mosta i pretvarač s punim mostom. Ovdje ćemo proučiti kako se ovi pretvarači mogu graditi i simulirati će krugove u MATLAB-u.

Pretvarač s pola mosta

Ova vrsta pretvarača zahtijeva dva prekidača za energetsku elektroniku (MOSFET). MOSFET ili IGBT koriste se u svrhu prebacivanja. Shema spoja pretvarača s polumostovima prikazana je na donjoj slici.

Kao što je prikazano na shemi spojeva, ulazni istosmjerni napon je Vdc = 100 V. Ovaj je izvor podijeljen na dva jednaka dijela. Sada se impulsi vrata daju MOSFET-u, kao što je prikazano na donjoj slici.

U skladu s izlaznom frekvencijom, odlučuje se o vremenu uključivanja i isključenju MOSFET-a i generiraju se impulsi vrata. Trebamo 50Hz izmjenične struje, tako da vremensko razdoblje jednog ciklusa (0 <t <2π) iznosi 20 ms. Kao što je prikazano na dijagramu, MOSFET-1 se aktivira u prvom poluciklu (0 <t <π) i tijekom tog vremenskog razdoblja MOSFET-2 se ne aktivira. U ovom vremenskom razdoblju struja će teći u smjeru strelice kao što je prikazano na donjoj slici i završen je poluciklus AC izlaza. Struja iz tereta je zdesna ulijevo, a napon opterećenja jednak je + Vdc / 2.

U drugom poluciklu (π <t <2π), MOSFET-2 se aktivira i izvor nižeg napona je povezan s opterećenjem. Struja od tereta je lijevo-desno, a napon opterećenja jednak je -Vdc / 2. U ovom vremenskom razdoblju struja će teći kako je prikazano na slici i završen je drugi poluciklus AC izlaza.

Pretvarač punog mosta

U ovoj vrsti pretvarača koriste se četiri sklopke. Glavna razlika između polumosta i pretvarača punog mosta je maksimalna vrijednost izlaznog napona. U pretvaraču s pola mosta vršni napon je polovica istosmjernog napajanja. U pretvaraču punog mosta vršni napon je jednak istosmjernom opskrbnom naponu. Shema spoja pretvarača punog mosta prikazana je na donjoj slici.

Puls vrata za MOSFET 1 i 2 su isti. Obje sklopke rade istodobno. Slično tome, MOSFET 3 i 4 imaju iste impulse na vratima i rade istovremeno. No, MOSFET 1 i 4 (vertikalni krak) nikada ne rade istovremeno. Ako se to dogodi, izvor istosmjernog napona bit će kratko spojen.

Za gornji poluciklus (0 <t <π) aktiviraju se MOSFET 1 i 2 i struja će teći kako je prikazano na donjoj slici. U ovom vremenskom razdoblju struja teče slijeva udesno.

Za donji poluciklus (π <t <2π) aktiviraju se MOSFET 3 i 4 i struja će teći kako je prikazano na slici. U ovom vremenskom razdoblju struja teče zdesna ulijevo. Vršni napon opterećenja jednak je istosmjernom naponu napajanja Vdc u oba slučaja.

Simulacija pretvarača s pola mosta u MATLAB-u

Za simulaciju dodajte elemente u datoteku modela iz biblioteke Simulink.

1) 2 istosmjerna izvora - po 50 V

2) 2 MOSFET-a

3) Otporno opterećenje

4) Generator impulsa

5) NE vrata

6) Powergui

7) Mjerenje napona

8) GOTO i OD

Spojite sve komponente prema shemi spojeva. Snimak zaslona datoteke modela Half Bridge Inverter prikazan je na donjoj slici.

Puls 1 i vrata 2 impulsa su vrata impulsa za MOSFET1 i MOSFET2 koji se generiraju iz kruga generatora vrata. Puls na vratima generira PULSE GENERATOR. U ovom se slučaju MOSFET1 i MOSFET2 ne mogu aktivirati istovremeno. Ako se to dogodi, izvor napona će biti kratko spojen. Kada je MOSFET1 zatvoren, MOSFET2 će biti otvoren u to vrijeme, a kada je MOSFET2 zatvoren, MOSFET1 je otvoren u to vrijeme. Dakle, ako generiramo impuls na vratima za bilo koji MOSFET, tada možemo taj puls prebaciti i koristiti za drugi MOSFET.

Gate impulsni generator

Gornja slika prikazuje parametar bloka generatora impulsa u MATLAB-u. Period je 2E-3 sredstva 20 msec. Ako trebate frekvencijski izlaz od 60 Hz, tada će period biti 16,67 msec. Puls širina je u smislu postotka razdoblja. To znači da se impuls na vratima generira samo za ovo područje. U ovom smo slučaju postavili ovo na 50%, što znači da se generira 50% vremenski impuls vrata i 50% periodni impuls vrata. Faza kašnjenje je postavljen 0 sek, znači da ne daju nikakvu kašnjenje vrata puls. Ako postoji kašnjenje faze, to znači da će se nakon tog vremena generirati impuls vrata. Na primjer, ako je fazno kašnjenje 1e-3, tada će se impuls na vratima generirati nakon 10msec.

Na taj način možemo generirati impuls vrata za MOSFET1, a sada ćemo uključiti taj impuls vrata i koristiti ga za MOSFET2. U simulaciji ćemo koristiti logička NOT vrata. NOT ulaz obrnut prema izlazu znači da će pretvoriti 1 u 0 i 0 u 1. Evo kako možemo točno dobiti impuls suprotnog vrata tako da izvor istosmjerne struje nikada neće biti kratko spojen.

U praksi ne možemo koristiti 50% širine impulsa. MOSFET-u ili bilo kojem električnom prekidaču treba malo vremena da se isključi. Da bi se izbjegao kratki spoj izvora, širina impulsa je postavljena na oko 45% kako bi se omogućilo vrijeme isključivanja MOSFET-ova. Ovo vremensko razdoblje poznato je kao mrtvo vrijeme. Ali, u svrhu simulacije možemo koristiti 50% širine impulsa.

Izlazni valni oblik za pretvarač s pola mosta

Ova snimka zaslona odnosi se na izlazni napon na opterećenju. Na ovoj slici možemo vidjeti da je vršna vrijednost napona opterećenja 50V, što je polovica napajanja istosmjernom strujom, a frekvencija 50Hz. Za potpuni jedan ciklus potrebno vrijeme je 20 ms.

Simulacija pretvarača punog mosta u MATLAB-u

Ako dobijete izlaz pretvarača s pola mosta, tada je lako implementirati pretvarač s punim mostom, jer većina stvari ostaje ista. U pretvaraču s punim mostom također nam trebaju samo dva impulsa na vratima, što je isto kao pretvarač s pola mosta. Jedan impuls vrata je za MOSFET 1 i 2, a inverzni impuls vrata je za MOSFET 3 i 4.

Potrebni elementi

1) 4 - MOSFET

2) 1 istosmjerni izvor

3) Otporno opterećenje

4) Mjerenje napona

5) Generator impulsa

6) GOTO i OD

7) powergui

Spojite sve komponente kako je prikazano na donjem snimku zaslona.

Oblik izlaznog vala za pretvarač punog mosta

Ova snimka zaslona namijenjena je izlaznom naponu na opterećenju. Ovdje možemo vidjeti da je vršna vrijednost napona opterećenja jednaka istosmjernom naponu napajanja koji je 100V.

Kompletnu šetnju kroz Video o izgradnji i simulaciji pretvarača Half Bridge i Full Bridge možete pogledati u MATLAB-u u nastavku.