мостовой инвертор

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА №33

ОТЧЁТ

ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ

проф, д.т.н.				Ефимов А.А.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

Отчёт по лабораторной работе №12

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО (МОСТОВОГО) ИНВЕРТОРА С СИММЕТРИЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

по дисциплине: Диагностика элетромехатронных систем.

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ ГР.	3831				Качанова Анна Маслова Ольга
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург

2012

Цель работы: исследование трехфазного (мостового) инвертора с симметричным управлением с использованием пакета MatLab.

Рис.1 Виртуальная лабораторная установка для исследований.

Описание силовой схемы

В качестве силовой схемы инвертора напряжения примем мостовой трёхфазный транзисторный инвертор напряжения. Его схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема трехфазного мостового АИН

На рисунке 3 показан алгоритм переключения транзисторов инвертора при угле проводимости каждого транзистора = 180°.

В схеме всегда одновременно открыты три тиристора разных фаз, что обеспечивает независимость формы кривой выходного напряжения на нагрузке при изменении её параметров. Как видно из алгоритма переключения транзисторов при α= 180° возможны шесть независимых сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов. Из рисунка 3 видно также, что при соединении нагрузки звездой каждая фаза подключается ежепериодно либо параллельно другой фазе и последовательно с третьей, либо последовательно с двумя другими фазами, соединёнными параллельно. Поэтому к каждой фазе прикладывается напряжение, равное Ud/З или 2Ud/3 (при равных сопротивлениях фаз), и фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму.

Рисунок 3 – Алгоритм работы АИН

Широтно-импульсная модуляция.

Для регулирования выходного напряжения с помощью инвертора наибольшее применение находит широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с формированием огибающей в виде прямоугольника, трапеции или синусоиды.

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

Силовые элементы переключаются с частотами, гораздо большими основной частоты, производя множество импульсов, каждый из которых представляет собой фрагмент выходного сигнала. Частоту этих импульсов называют частотой модуляции.

Ширина импульсов в течение цикла меняется по синусоидальному закону, давая на выходе форму сигнала, изображенную на рис. 4. Здесь же показана форма тока в индуктивной нагрузке, иллюстрирующая её улучшение. Улучшение формы тока объясняется наличием спектра гармоник, изображенных на рис. 5.

Увеличение частоты модуляции улучшает форму тока, однако ценой этого является увеличение потерь в ключах инвертора. Выбор частоты модуляции зависит от типа ключевого элемента и его номинальной частоты.

Одним из наиболее распространенных способов получения синус-ШИМ в реальных инверторах является метод смешивания синусоидального и треугольного сигналов (рис. 6). В схеме управления генерируется треугольный пилообразный сигнал с желаемой частотой переключения инвертора. Вместе с опорным синусоидальным сигналом, равным по частоте и пропорциональным по амплитуде желаемому выходному напряжению, он подается на компаратор. Напряжение V_AN (рис. 6, а) переключается на высокий уровень всякий раз, когда опорнай сигнал превышает треугольный. Напряжение V_BN (рис. 6, в) управляется также, но со смещенным на 180ْ опорным сигналом.

При этом фактическое межфазное напряжение V_AB (рис. 6, г), равное разности V_AN и V_BN, состоит из последовательности импульсов, ширина каждого из которых соответствует значению опорного синусоидального сигнала в определенный момент времени. В выходном напряжении V_AB импульсов в два раза больше, чем в фазном напряжении инвертора V_AN.

На рис. 6 можно заметить , что опорный синусоидальный сигнал имеет постоянную составляющую, чтобы производимые таким способом импульсы имели положительную ширину. Это приводит к постоянному смещению фаз (рис. 6, б, в). Однако каждая фаза имеет одинаковое смещение, которое в выходном напряжении пропадает.

Метод смешивания синусоидального и треугольного сигналов хорошо подходит для устаревших аналоговых схем управления, в которых два сигнала подаются на компаратор, а с его выхода берется управляющий сигнал для инвертированных ключей. Современные цифровые методы основываются на специальных алгоритмах переключения.

В последнее время производители разработали множество различных алгоритмов оптимизации выходных сигналов. В результате выходные ШИМ-сигналы стали похожими на изображенные на рис. 6. Синус-ШИМ-напряжение состоит из напряжения высокочастотного прямоугольного сигнала с несущей частотой импульсов и синусоидального изменения их ширины (моделирующего сигнала). Следует заметить, что для снижения гармонических искажений моделирующий сигнал должен быть синхронизирован с несущей частотой, то есть должен содержать целое число периодов несущей.

Это требование становится несущественным при высоких несущих частотах, более чем в двадцать раз превышающих частоту модуляции. Напряжение и частота синусоидального ШИМ-сигнала регулируются изменением исходного сигнала, изображенного на рис. 6, а.

На рис. 7 показаны варианты выходных напряжений. Рис. 7, а иллюстрирует исходное соотношение напряжения и частоты. На рис. 7, б показан случай, когда вдвое уменьшается исходное напряжение, что приводит к сужению каждого импульса вдвое. На рис. 7, в показан случай, когда вдвое уменьшается частота исходного сигнала, что приводит к «растягиванию» модуляции вдвое.

Наибольшее напряжение при синус-кодированной ШИМ получается тогда, когда самые широкие импульсы расположены в середине, что дает на выходе пиковое напряжение, равное напряжению источника питания.

Рис. 4. Напряжение и ток при синус-ШИМ.

Рис. 5. Спектр гармоник ШИМ-инвертора.

Рис. 6. Принцип формирования ШИМ смешиванием треугольного и синусоидального сигналов.

Рис. 7. Регулирование частоты и напряжения синус-ШИМ.

Программа работы:

1. Изменение частоты несущего сигнала в ШИМ (рис. 9, где f=2500 Гц; рис. 10, где f=250Гц).

2. Изменение частоты выходного напряжения АИН (рис. 11, где f=10 Гц).

3. Изменение мощности в нагрузке (рис. 12, где S=1000 ВА).

4. Изменение напряжения генератора (рис. 13, где U=2000 Вт).

5. Изменение индекса модуляции (рис. 14, где m=0,4).

Исходные данные:

f=1200Гц

f=50Гц

m=0,04

U=1000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис 8. Ток и напряжение при исходных значениях.

Измененные данные:

f=250Гц

f_out=50Гц

m=0,04

U=1000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис. 10. Ток и напряжение при изменении частоты несущего сигнала ШИМ.

Измененные данные:

f=2500Гц

f=50Гц

m=0,04

U=1000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис. 9. Ток и напряжение при изменении частоты несущего сигнала ШИМ.

Измененные данные:

f=1200Гц

f=10Гц

m=0,04

U=1000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис. 11. Ток и напряжение при изменении частоты выходного напряжения АИН.

Измененные данные:

f=1200Гц

f=50Гц

m=0,4

U=1000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис. 14. Ток и напряжение при изменении индекса модуляции.

Измененные данные:

f=1200Гц

f=50Гц

m=0,04

U=2000Вт

S=500ВА

Результаты:

Рис. 13. Ток и напряжение при изменении напряжения генератора.

Измененные данные:

f=1200Гц

f=50Гц

m=0,04

U=1000Вт

S=1000ВА

Результаты:

Рис. 12. Ток и напряжение при изменении мощности в нагрузке.

Выводы:

1. При изменении частоты несущего сигнала ШИМ в большую сторону (более чем в 2 раза) фильтрованое напряжение и ток более сглажены. А при уменьшении несущего сигнала ШИМ (более чем в 4 раза) фильтрованое напряжение и ток имеют более зазубренный вид.

2. При изменении входного сигнала АИН в меньшую сторону (в 5 раз) ток и фильтрованое напряжение имеют более сглаженую синусоидальную форму.

3. При изменении мощности в нагрузке фильтрованое напряжение имеет более зазубренный вид, а амплитуда тока увеличилась.

4. При изменении напряжения генератора в большую сторону (в 2 раза) характер тока и фильтрованного напряжения приобретает более зазубренный вид

5. При изменении индекса модуляции в большую сторону (в 10 раз) фильтрованое напряжение становится почти идеальной синусоидальной формы, ток тоже приобретает более сглаженный вид.