Реферат – Кострубина К.А. – Создание лабораторного практикума по микросхемотехнике с использованием программного пакета MatLab

В настоящее время идет бурное развитие силовой электроники и процесс постоянного морального усовершенствования устройств и внедрения инновационных элементов преобразовательной техники. Поскольку элементная база в области микросхемотехники и силовой электроники постоянно пополняется и непрестанно совершенствуется, появилась идея создать лабораторный практикум по микросхемотехнике для студентов 2-го курса специальностей электротехнического факультета. Кроме этого, было решено реализовать эту идею с использованием программного пакета MatLab и таким образом избежать возможных ограничений, которые могли возникнуть при создании схем устройств и снятия необходимых характеристик. Тем более данный программный пакет позволит при необходимости, без особого труда, обновить модели устройств, при их моральном старении.

Актуальность работы заключается в том, что созданный в будущем лабораторный практикум будет способствовать более глубокому и полноценному изучению теоретического материала студентами, причем четкая визуализация позволит наблюдать все процессы, происходящие в преобразователях, выпрямителях и прочих устройствах силовой электроники. Кроме прочего, моделирование устройств преобразовательной техники в программном пакете MatLab позволит приобрести достаточно навыков для дальнейшей практической работы.

Обзор исследований по теме в ДонНТУ

Конкретная тема в Донецком национальном техническом университете разрабатывается впервые, прежде магистрами были рассмотрены отдельные части данной работы, то есть были рассмотрены конкретные устройства микропроцессорной техники и силовой электроники, но не в рамках лабораторного практикума, как теперь. Кроме того, лабораторные практикумы по микросхемотехнике имели место, однако конкретная подборка тем ранее не рассматривалась.Главнвя особенность данной работы - реализация лабораторного практикума непосредственно в программном пакете MatLab.

Состав лабораторного практикума

Итак, на основании вышеперечисленных размышлений и выводов планируется создать полноценный лабораторный практикум по микросхемотехнике с использованием программного пакета MatLab, содержащий 15-ть лабораторных работ. В данный момент еще идет процесс доработки и искоренения неточностей, но общая структура уже существует.

Лабораторный практикум представляет собой лабораторные работы, разделенные на следующие темы:

1. Выпрямители:

1.1 Однофазный двухполупериодный выпрямитель.

1.2 Трехфазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель.

1.3 Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель.

1.4 Трехфазный двухполупериодный управляемый выпрямитель.

1.5 Трехфазный (мостовой) инверторный выпрямитель.

2. Инверторы:

2.1 Ведомые сетью:

2.1.1 Трехфазный инвертор, управляемый сетью.

2.2 Автономные:

2.2.1 Однофазный мостовой инвертор с симметричным управлением.

2.2.2 Однофазный мостовой инвертор с несимметричным управлением.

2.2.3 Трехфазный (мостовой) инвертор с симметричным управлением.v

2.2.4 Трехуровневый инвертор.

3. Импульсные преобразователи постоянного напряжения:

3.1 Мостовой широтно-импульсный преобразователь с симметричным законом управления.

3.2 Мостовой широтно-импульсный преобразователь с несимметричным законом управления.

3.3 Понижающий регулятор постоянного напряжения.

3.4 Повышающий регулятор постоянного тока.

3.5 Двухзвенный и однозвенный матричный преобразователь частоты.

Для одной из указанных тем, приводим пример структуры и оформления лабораторной работы [2].

Пример лабораторной работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Тема работы: Исследование трехфазного (мостового) инвертора с симметричным управлением.

Цель работы: Ознакомиться с функционированием и проанализировать кривые исходных величин преобразователя.

1.1 Методические указания к выполнению лабораторной работы

Данная лабораторная работа посвящена исследованию трехфазного (мостового) инвертора с симметричным управлением. Электрическая схема устройства приведена на рисунок 1.1.

Принципиальная схема трехфазного инвертора, анимация из 16 слайдов, 16 секунд длится цикл

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема трехфазного инвертора

Рисунок 1.2 – Схема модели для исследования

1.2 Выходные данные для лабораторной работы

Единственным отличием трехфазного мостового инвертора от прочих есть количество фаз моста. Следует подчеркнуть необходимость предоставления величин как фазного, так и линейного напряжения полученной системы [4].

Таблица 1.1 – Описание используемых блоков

Блок	Библиотека	Назначение и параметры
$SimPowerSystems\Electrical Sources\DC Voltage Source$	SimPowerSystems\Electrical Sources\DC Voltage Source	Блок, представляет собой источник постоянного напряжения заданной величины. Параметры для блока: 1. Величина напряжения (Amplitude) в зависимости от варианта; 2. Измерения (Measurements) – любое значение.
$SimPowerSystems\Measurements\Current Measurement$	SimPowerSystems\Measurements\Current Measurement	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.
$SimPowerSystems\Measurements\Voltage Measurement$	SimPowerSystems\Measurements\Voltage Measurement	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.
$SimPowerSystems\Extra Library\Measurements\Fourier$	SimPowerSystems\Extra Library\Measurements\Fourier	Блок, предназначенный для анализа сигнала. В параметрах блока можно выбрать базовую частоту (Fundamental frequency f1) и номер гармоники (Harmonic). В модели используются 4 таких блока: 1.Fourier I1 – для анализа выходного тока. Гармоника 0 (постоянный ток. 2.Fourier I – для анализа 1 гармоники выходного тока. Гармоника 1. 3.Fourier Uf – для анализа 1 гармоники выходного фазного напряжения. Гармоника 1. 4.Fourier Ul – для анализа 1 гармоники выходного линейного напряжения. Гармоника 1. Во всех блоках частоту задавать для каждого исследования разной, равной частоте исследуемого режима.
$Simulink\Sinks\Display$	Simulink\Sinks\Display	Блок предназначен для вывода мгновенных значений сигнала. Параметры блока: выборка (Decimation) = 1 и Sample Time = 2e-4. Блок выводит текущие значения во время симуляции, а по ее окончании – последние за время симуляции. В работе используются 2 блока: Display1: для вывода постоянной составляющей входного тока. Display: для вывода амплитуды первой гармоники выходного тока, фазного и линейного напряжения.
$Simulink\Sinks\Scope$	Simulink\Sinks\Scope	Блок предназначен для вывода графической информации.
$Simulink\Signal Routing\Mux$	Simulink\Signal Routing\Mux	Блок, использующийся для соединения нескольких сигналов для совместного вывода. Параметр блока – количество входных величин Number of Inputs.
$SimPowerSystems\Connectors\Ground(Input) или SimPowerSystems\Connectors\Ground(Output)$	SimPowerSystems\Connectors\Ground(Input) или SimPowerSystems\Connectors\Ground(Output)	Присоединение к заземлению. Используются блоки со входом либо выходом, в зависимости от того, к какому блоку должно быть присоединено заземление.
$SimPowerSystems\Extra Library\Control Blocks\PWM Generator$	SimPowerSystems\Extra Library\Control Blocks\PWM Generator	Блок, предназначенный для формирования импульсов регулирования для мостовой трехфазной схемы инвертора с использованием ШИМ. Параметры блока: Режим работы (Generator Mode) = 3-arm bridge (6 pulses); Частота ШИМ (Carrier frequency) = 1000 Гц; Внутренняя модуляция сигналов (Internal generation of modulation signals) – выбрано; Индекс модуляции (Modulation Index) = 0.6; Частота выходного напряжения (Frequency of output voltage) – зависимость от режиму исследования задается в Гц; Фаза выходного напряжения (Phase of output voltage) = 0.
$SimPowerSystems\Power Electronics\Universal Bridge$	SimPowerSystems\Power Electronics\Universal Bridge	Блок, моделирующий мостовую схему. Параметры блока: количество плечей моста (Number of bridge arms) = 3; конфигурация элемента (Port configuration) = ABC as output terminals; сопротивление параллельного элемента (Snubber resistance Rs) = 10000; емкость параллельного элемента (Snubber Capacitance) = inf; тип полупроводников (Power electronic Device) = IGBT/Diodes; прямое сопротивление (Ron) = 1e-4; прямые падения напряжения на транзисторе и (Forward Voltages) = [2 2]; Постоянные времени (Tf Tt) = [1e-6 2e-6]; Измеряемые величины (Measurements) – All Voltages and Currents.
$SimPowerSystems\Connectors\Bus Bar$	SimPowerSystems\Connectors\Bus Bar	Блок, предназначенный для соединения отдельный элементов в одну электрическую цепь. Параметры этого блока: количество входов (Number of inputs) и выходов (Number of outputs).
$SimPowerSystems\Elements\Series RLC Branch$	SimPowerSystems\Elements\Series RLC Branch	Блок, включающий последовательно включенные резистор, индуктивность та емкость в каждой фазе. Параметры этого блоку: Активная составляющая (Resistance); Индуктивность (Inductance); Емкость (Capacitance) = inf. Параметры активной составляющей и индуктивности выбираются согласно своему варианта задания.

Рисунок 1.3 – Рекомендованные параметры моделирования

Таблица 1.2 – Выходные данные к лабораторной работе

Вариант	U, В	R, Ом	L, мГн
1	100	10	100
2	50	12	120
3	100	15	140
4	150	16	160
5	200	19	180
6	240	24	200
7	50	28	180
8	100	29	160
9	150	36	140
10	200	38	120
11	240	8	100
12	50	5	80
13/a>	100	9	60
14	150	10	40
15	200	18	60

1.3 Задание к лабораторной работе

1.Собрать схему и задать параметры согласно полученному варианту.

2.Исследовать работу схемы с чисто активной нагрузкой, задавая частоты 10, 25, 50, 60 Гц. Для каждой частоты привести графики входных и выходных величин.

3.Повторить описанные опыты с активно-индуктивной нагрузкой.

4.Объяснить принцип работы схемы и предложить особенности ее работы и возможную область применения.

Полученные числовые результаты (входной, выходной фазный ток, выходное фазное и линейное напряжение и действующее значение тока через вентиль) внести в таблицу.

Таблица 1.3 – Таблица результатов лабораторной работы

Нагрузка	I1, А	I, А	U, В	IВ, А
Активная f=10Гц
Активная f=25Гц
Активная f=50Гц
Активная f=60Гц
Активно-индуктивная f=10Гц
Активно-индуктивная f=25Гц
Активно-индуктивная f=50Гц
Активно-индуктивная f=60Гц

1.4 Содержание отчета по лабораторной работе

1.Титульный лист.

2.Цель работы.

3.Исследуемая схема.

4.Графические результаты исследований.

5.Объяснение полученных результатов и приведенных расчетов.

6.Выводы.

Практичесое назначение выполняемой работы

Итак, главная практическая задача данной лабораторнойработы заключается в том, чтобы ознакомиться с функционированием и проанализировать кривые выходных величин трехфазного (мостового) инвертора напряжения (АИН) с симметричным управлением, а также использовать полученные результаты для разработки моделей однозвенного и двухзвенного матричного преобразователя частоты для следующих лабораторных работ.

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. В зависимости от того, какая из величин на входе является постоянной, выделяют инверторы тока и напряжения. Слово «автономный» означает возможность работы устройства на независимую нагрузку [3].

Существенным отличием трехфазного мостового инвертора от прочих является количество фаз моста. Важным показателем качества работы системы являются кривые фазного и линейного напряжения на выходе преобразователя [1].

Рисунок 1.4 – Фазное напряжение на выходе инвертора

Рисунок 1.5 – Фазный ток на выходе инвертора

Вышеприведенные графики были получены при реализации электрической схемы рисунок 1.1 в программном пакете MatLab в среде Simulink (рисунок 1.2).

Реализация матричного преобразователя возможна в виде двухзвенной структуры, для синтеза которой достаточно подготовить каждое звено отдельно, а именно выпрямитель и инвертор. В свою очередь структура однозвенного матричного преобразователя основывается на структуре двухзвенного. Таким образом, рассмотренная ранее схема АИН может быть использована для реализации двух схем матричного преобразователя [6,7].

Рисунок 1.6 – Схема двухзвенного матричного преобразователя частоты

Рисунок 1.7 – Схема модели двухзвенного матричного преобразователя частоты

При малых мощностях непосредственные преобразователи частоты с принудительной коммутацией могут представлять в будущем альтернативу преобразователям с инвертором напряжения с ШИМ. Это так называемый матричный преобразователь частоты. При этом отпадает необходимость применения элементов накопления энергии для промежуточного звена. Принцип матричного вентильного преобразователя переменного тока показан на примере идеального переключателя. Клеммы питания двигателя связываются попеременными переключениями с 3 клеммами питания сети, что делает необходимым 9-ти позиционное двунаправленное переключение при помощи широтно-импульсной модуляции с частотой в несколько кГц [5].

Рисунок 1.8 – Принципиальная схема матричного вентильного преобразователя частоты с ШИМ

Рисунок 1.9 – Схема модели матричного вентильного преобразователя частоты с ШИМ

Заключение

Таким образом, полученные рабочие модели автономного инвертора и матричных преобразователя можно свободно применять на практике в силовой электронике и микросхемотехнике. Можно сделать вывод об удобстве моделирования устройств преобразовательной техники, как способе изучения и наладки, в частности потому, что в результате виртуальной настройки преобразователя нет необходимости в расходе материалов и построении прототипов.

Литература

1.Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. – М. Высш. школа, 1982. –496с.

2.Учебник по MatLab[электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bookfi.org.

3.Пивняк Г.Г., Волков А.В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.

4.Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч.1. Введение. Трансформаторы. Учебник для вузов. – М., «Энергия», 1974.

5.Руденко В.С.,Сенько В.И.«Преобразовательная техника». – Киев, «Вища школа», 1979г.

6.Шавьолкін О.О., Наливайко О.М. Перетворювальна техніка: Навч. посібник. – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 202-216с.

7.Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.

Важное замечание!

При написании данного реферата магистерская работа еще не была завершена. Окончательное завершение работы планируется в декабре 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.