Широтно-импульсный модулятор

Контрольные вопросы

1. Как выбрать параметры диода?

2. Как изменяется прямое падение напряжения на диоде при изменении проходящего через него тока, если положительный потенциал питающего напряжения приложен к аноду?

    3.На вход схемы, собранной для снятия ВАХ диода подано синусоидальное напряжение. Какую форму имеет напряжение на диоде.?

 4. Объясните смысл постановки демпфирующей цепи?  

    5. Какой сигнал формирует выходной порт?

         

 Тиристор

Тиристор является элементом с четырехслойной полупроводниковой структурой рис.                              

                        

Рис. Строение, обозначение и характеристики тиристора.

В статическом режиме тиристор находится в трех состояниях:

 Запертое состояние пи отрицательном напряжении на аноде относительно катода,

Запертое состояние при положительном напряжении на аноде относительно  анода,

Открытое состояние.

Переход из второго состояния в третье называется включением тиристора. Обратный процесс называется выключением тиристора. Таким образом, тиристор является прибором с управляемым напряжением включением.

После включения управляющий электрод теряет свои управляющие свойства и с его помощью невозможно выключить тиристор. Тиристор может выключиться, если его ток станет меньше тока удержания. Обычно считают, что ток удержания равен нулю.

Способы выключения тиристора можно разделить на две:

Коммутация от сети (естественная),

Искусственная коммутация. Она осуществляется от предварительно заряженного конденсатора. Способы искусственной коммутации разнообразны. На рис. показана схема с последовательным узлом коммутации. В этой схеме при включении вспомогательного тиристора Т_к к силовому тиристору прикладывается большое обратное напряжение, равное начальному на конденсаторе. Поэтому силовой тиристор практически сразу закрывается, а время для восстановления равно продолжительности действия отрицательного напряжения на тиристоре. Такая коммутация называется «жесткой».

Рис. Схема с «жесткой» коммутацией

На рис показана схема с параллельным узлом коммутации. Время t_пв, предоставляемое тиристору для восстановления в этом случае равно продолжительности протекания тока через встречно включенный диод. При этом к тиристору прикладывается обратное напряжения, равное прямому падению напряжения на диоде. Такая коммутация называется «мягкой».

Рис. Схема с «мягкой» коммутацией.

В библиотеке SimPowerSystem имеется   упрощенная модель - Thyristor         и уточненная модель - Detailed Thyristor

Рис. Модель тиристора в  SimPowerSystem,  статические  вольтамперные                                                характеристики

Упрощенная модель тиристора состоит из резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW, соединенных последовательно. Ключ управляется блоком логики. При положительном напряжении на тиристоре и поступлении положительного сигнала на управляющий электрод g, происходит замыкание ключа с пропусканием тока. Выключение тиристора происходит при снижении тока I_ak до нуля, протекающего через тиристор

В уточненной модели тиристора длительность управляющего импульса должна быть достаточной, чтобы анодный ток включающегося тиристора был больше тока удержания I_i. Иначе включение не произойдет. При выключении тиристора длительность запирающего отрицательного напряжения «анод катод» должна превышать время выключения тиристора T_d. Иначе тиристор включится даже при нулевом управляющем сигнале. Вольтамперные характеристики тиристора приведены на рис. В модели параллельно тиристору подключена демпфирующая цепь.

В окне настройки тиристора: Latching current   I_i (A) - величина тока удержания, Turn of time T_d(s) - время выключения, Эти величины выдаются для уточненной модели   

 На выходе порта блок m формирует вектор Simulink - сигнал, содержащий две составляющие – анодный ток и напряжение «анод катод» тиристора.  

Далее необходимо выполнить модель однотактного выпрямителя на тиристоре с RL-нагрузкой и измерить токи напряжения на нагрузке.

Исходные данные для модели: питающее переменное напряжение 100В с частотой переменного тока 50Гц, нагрузка с сопротивлением 2ОМ, индуктивность %м Гц, угол отпирания 90⁰_.. Собранная модель представлена на рис.2 и выполнена аналогично схеме диодного выпрямителя. Особенностью схемы есть, отпирание тиристора, осуществляется от генератора Pulse Generator, подключенного к порту g, информационный порт m тиристора заглушен. Параметры генератора заданы в окне генератора. Результаты моделирования должны быть представлены в виде временных диаграмм тока через нагрузку и напряжения на нагрузке.

 

Рис.2 SPS- модель тиристора и окно настройки параметров тиристора

                   

Рис. Осциллограммы тока и напряжения на нагрузке.

Полностью управляемый тиристор (GTO). Пиктограмма  имеет вид

                     

                                                  

 

                       Пиктограмма GTO - тиристора

Модель аналогична модели тиристора, приведенной на рис. Особенность состоит в том, что для выключения прибора достаточно снизить управляющий сигнал до нулевого значения. Выключение GTO- тиристора произойдет также при спаде анодного тока до нуля, даже при наличии отпирающего управляющего сигнала. Схеме имеет демпфирующую цепь. Процесс выключения состоит из двух участков: время спада T _f (анодный ток уменьшается до 0,1 от тока в момент выключения) и времени затягивания T_t (анодный ток уменьшается до нуля). Эти параметры введены в окно настройки параметров тиристора:Current 10% fall time T_f(s) - время спада тока до уровня 0,1 от тока в момент выключения Current fall time T_t(s) - время затягивания (c), время за которое ток уменьшится до нуля от уровня 0,1 тока в момент выключения.

 

 

  

Рис.3 SPS- модель GTO- тиристора и окно настройки параметров тиристора

 

                         

  Рис. Осциллограммы тока и напряжения на нагрузке.

В отчете представить:

1.Схему модели однотактного выпрямителя на тиристоре  с RC- нагрузкой.

2. Схему модели однотактного выпрямителя на GTO - тиристоре   с RC- нагрузкой

3.Временные диаграммы тока через нагрузку и напряжения на нагрузке

Контрольные вопросы

1. Что такое тиристор, GTO – тиристор. Приведите их условные обозначения?

2. Как включить и выключить тиристор?

3. Каким условиям должны отвечать импульсы управления тиристорами?

4. Поясните принцип работы тиристора

             Биполярный транзистора IGBT

                                            

Рис.. Пиктограмма биполярного транзистора IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором выполненны как сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного n-p-n –транзистора, рис.

                                   

Рис.    Схематическое изображение IGBT- транзистора

Образовавшаяся структура из двух транзисторов VT1 и VT2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, т.к. ток коллектора транзистора VT2 влияет на ток базы.  Условное схематическое изображение транзистора IGBT и его модель приведены на рис.

Рис. Биполярный транзистор с изолированным затвором, его SPS-модель,  

На пиктограмме биполярного транзистора IGBT показан выходной порт m, который формирует векторный Simulink- сигнал из двух составляющих – ток «коллектор-эмитер», напряжения «коллектор-эмитер» транзистора. Модель IGBT-транзистора состоит из резистора Ron, индуктивности Lon, источника постоянного напряжения Vf и ключа SW. Работой ключа управляет блок логики. Включение прибора происходит при положительном напряжении «коллектор-эмитер, которое превышает Vf и на затвор g транзистора подается положительный сигнал. Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе g до нуля. Транзистор находится в выключенном состоянии при отрицательном напряжении «коллектор-эмитер». В модели параллельно самому прибору включена демпфирующа цепь из последовательно соединенных резистора и индуктивности. В моделе учитывается инерционность выключающегося транзистора введением конечного времени выключения. Процесс выключения содержит два интервала: спад, с длительностью Tf в пределах  которого ток «коллектор - ємитер» уменьшается до 0,1 от тока в момент выключения, и затягивание с длительностью Tt, где ток спадает до нуля.

Необходимо провести исследования модели биполярного транзистора IGBT однотактного выпрямителя с RLC- нагрузкой и измерить токи и напряжения на нагрузке.

Исходные данные для модели: Питающее переменное напряжения 110В с частотой 50Гц, нагрузка с сопротивлением 12 Ом и индуктивностью 5мГн.

Запускаем MATLAB и выполняем те же операции, что и в предыдущей работе.

На рис. представлены графики тока транзистора и напряжения в активно-емкостной нагрузке

Рис. Графики тока транзистора и напряжения в активно-емкостной нагрузке

                       

                            Полевые MOSFET транзисторы

В силовых транзисторах MOSFET используется конструктивно изолированный от проводящего канала затвор. Модель MOSFET транзистора приведена на рис.

 

 

Рис. Схематическое изображение и модель транзистора MOSFET

    

Транзистора MOSFET имеет выходной порт m, который формирует векторный Simulink- сигнал из двух составляющих – ток «сток-исток», напряжения «сток-исток» транзистора. Модель MOSFET аналогична модели биполяного транзистора. Включение прибора происходит положительном напряжениина «сток-исток» и положительном сигнале на затворе. Выключается прибор при уменьшении сигнала на затворе до нуля. В случае отрицательного напряжения «сток-исток» транзистор находится в выключенном состоянии, а ток проходит через обратный диод. В модели такжк наличествует демпфирующая цепь.

Рис. Графики напряжение и ток в регуляторе

Необходимо для обеих моделей получить временные диаграммы напряжений и токов на нагрузке при различных значениях параметров нагрузки

В отчете представить:

Схему SPS-моделей, IGBT-транзистора, MOSFET- транзистора временные диаграммы процессов при различных параметрах нагрузки.  

В отчете привести временные диаграммы процессов при 3-х различных параметров нагрузки.

Объяснить различие полученных результатов

                  Контрольные вопросы

    1. Как выбрать параметры транзисторов?

2. Как выключить IGBT-транзистор?

3   Как выключить MOSFET -транзистор?

   4. Что дает инерционность, введенная в модель транзистора?

       Выпрямительные мосты 

S imulink, открыть дерево SimPowerSystems и активировать строку дерева Electrical Sources (источники электрической энергии). В правой части окна обозревателя откроется раздел Electrical Sources. С помощью ЛКМ нужно перетащить пиктограмму Power Electronics в окно модели.

                                                                  Параметры настройки моста

                              

Рис. Ток и напряжение на нагрузке                  Рис. Напряжение питания 6-ти          

и ток источника питания                                            пульсного генератора

В отчете привести временные диаграммы процессов при 3-х различных параметров нагрузки. Объяснить различие полученных результатов

   S imulink, открыть дерево SimPowerSystems и активировать строку дерева Electrical Sources (источники электрической энергии). В правой части окна обозревателя откроется раздел Electrical Sources. С помощью ЛКМ нужно перетащить пиктограмму Power Electronics в окно модели.

       

          

Рис. Параметры настройки                          Параметры настройки генератора

силового блок

       

Рис. Кривые напряжения и тока в нагрузке

В отчете привести временные диаграммы процессов при 3-х различных параметров нагрузки. Объяснить различие полученных результатов

Широтно-импульсный модулятор

Широтно-импульсные модуляторы, используются для управления полупроводниковыми преобразователями в системах электропривода.  Модулятор построен с применением блоков Sine Wave и Signal Generator. Здесь модулирующим является синусоидальный сигнал, а модулируемым - сигнал пилы.

 

Рис. Модель широтно-импульсного регулятора Параметры настройки ШИМ

Параметры настройки источника импульсного сигнала. Формируется импульсный сигнал заданной амплитуды, период, и длительность импульса в процентах от периода

                             

                    

Рис. Кривые выходного сигнала модулятора

В отчете привести временные диаграммы процессов при 3-х различных параметров источника импульсного сигнала. Объяснить различие полученных результатов