Кострубіна Ксенія Андріївна

Факультет "Електротехнічний"

Кафедра "Електропривод і автоматизація промислових установок"

Спеціальність "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод"

"Створення лабораторного практикума з мікросхемотехніки за допомогою використання программного пакета MatLab"

Керівник: к.т.н., доц. Шумяцький Валерій Матвійович

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

На даний час іде бурхливий розвиток силової електроніки й процес постійного морального вдосконалення пристроїв і впровадження інноваційних елементів перетворювальної техніки. Оскільки елементна база в області мікросхемотехніки й силової електроніки постійно поповнюється й вдосконалюється, з'явилася ідея створити лабораторний практикум з мікросхемотехніки для студентів 2-го курсу спеціальностей електротехнічного факультету. Крім цього, вирішено реалізувати цю ідею з використанням програмного пакета MatLab і у такий спосіб уникнути можливих обмежень, які могли виникнути при створенні схем пристроїв і зняття необхідних характеристик. Тим більше даний програмний пакет дозволить при необхідності, без особливих зусиль, вдосконалювати моделі пристроїв, при їхньому моральному старінні.

Актуальність роботи полягає в тім, що створений у майбутньому лабораторний практикум буде сприяти більш глибокому й повноцінному вивченню теоретичного матеріалу студентами, причому чітка візуалізація дозволить спостерігати всі процеси, що відбуваються в перетворювачах, випрямлячах й інших пристроях силової електроніки. Крім того, моделювання пристроїв перетворювальної техніки в програмному пакеті MatLab дозволить придбати досить навичок для подальшої практичної роботи.

Конкретна тема в Донецькому національному технічному університеті розробляється вперше, раніше магістрами були розглянуті окремі частини даної роботи, тобто розглянуті конкретні пристрої мікропроцесорної техніки й силової електроніки, але не в рамках лабораторного практикуму, як тепер. Крім того, лабораторний практикум з мікросхемотехніки мав місце, однак конкретна добірка тем раніше не розглядалася.

Отже, на підставі перерахованих вище міркувань і висновків планується створити повноцінний лабораторний практикум з мікросхемотехніки з використанням програмного пакета MatLab, що містить 15-ть лабораторних робіт. У цей момент ще йде процес доробки й викорінювання неточностей, але загальна структура вже існує.

Лабораторний практикум являє собою лабораторні роботи, розділені на наступні теми:

1. Випрямлячі:

1.1 Однофазний двопівперіодний випрямляч.

1.2 Трифазний двопівперіодний (мостовий) випрямляч.

1.3 Однофазний двопівперіодний керований випрямляч.

1.4 Трифазний двопівперіодний керований випрямляч.

1.5 Трифазний (мостовий) інверторний випрямляч.

2. Інвертори:

2.1 Ведомі мережею:

2.1.1 Трифазний інвертор, керований мережею.

2.2 Автономні:

2.2.1 Однофазний мостовий інвертор із симетричним керуванням.

2.2.2 Однофазний мостовий інвертор з несиметричним керуванням.

2.2.3 Трифазний (мостовий) інвертор із симетричним керуванням.

2.2.4 Трирівневий інвертор.

3. Імпульсні перетворювачі постійної напруги:

3.1 Мостовий широтно-імпульсний перетворювач із симетричним законом керування.

3.2 Мостовий широтно-імпульсний перетворювач із несиметричним законом керування.

3.3 Понижуючий регулятор постійної напруги.

3.4 Підвищувальний регулятор постійного струму.

3.5 Дволанковий й одно ланковий матричний перетворювач частоти.

Для однієї із зазначених тем, наводимо приклад структури й оформлення лабораторної роботи [2].

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Тема роботи: Дослідження трифазного (мостового) інвертора з симетричним керуванням.

Мета роботи: Ознайомитись з функціонуванням та проаналізувати криві вихідних величин перетворювача.

1.1 Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи

ДДана лабораторна робота присвячена дослідженню трифазного (мостового) інвертора з симетричним керуванням. Електрична схема пристрою наведена на рисунку 1.1.

1.2 Выходные данные для лабораторной работы

Єдиною відміною трифазного мостового інвертора від раніше розглянутих є кількість фаз мосту. Слід підкреслити необхідність надання величин як фазної так і лінійної напруг отриманої системи [4].

Таблица 1.1 – Опис використаних блоків

Блок	Бібліотека	Призначення та параметри
	SimPowerSystems\Electrical Sources\DC Voltage Source	Блок, представляє собою джерело постійної напруги заданої величини. Параметрами для блока є: 1. Величина напруги (Amplitude) залежно від варіанту; 2. Вимірювання (Measurements) – будь яке значення. 2. Вимірювання (Measurements) – будь яке значення.
	SimPowerSystems\Measurements\Current Measurement	Блок, призначений для вимірювання струму. Параметрів для редагування не має. Входи + і – підключаються до електричного кола (послідовно), вихід «і» - інформаційний, несе сигнал про величину струму у колі.
	SimPowerSystems\Measurements\Voltage Measurement	Блок, призначений для вимірювання напруги. Параметрів для редагування не має. Входи + і – підключаються до електричного кола (паралельно), вихід «V» - інформаційний, несе сигнал про величину напруги у колі.
	SimPowerSystems\Extra Library\Measurements\Fourier	Блок призначений для аналізу сигналу. В параметрах блока можна обрати базову частоту (Fundamental frequency f1) та номер гармоніки (Harmonic). В моделі використовуються 4 таких блоки: 1. Fourier I1 – для аналізу вхідного струму. Гармоніка 0 (постійний струм). 2. Fourier I – для аналізу 1 гармоніки вихідного струму. Гармоніка 1. 3. Fourier Uf – для аналізу 1 гармоніки вихідної фазної напруги. Гармоніка 1. 4. Fourier Ul – для аналізу 1 гармоніки вихідної лінійної напруги. Гармоніка 1. У всіх блоках частоту задавати для кожного досліду різною, рівною частоті досліджуваного режима.
	Simulink\Sinks\Display	Блок, призначений для виводу миттєвих значень сигналу. Параметрами блоку є вибірка (Decimation) = 1 і Sample Time = 2e-4. Блок виводить поточні значення під час симуляції, а після її закінчення – останні за час симуляції. У роботі використовуються 2 блоки: Display1: для виводу постійної складової вхідного струму. Display: для виводу амплітуди першої гармоніки вихідного струму, фазної і лінійної напруги.
	Simulink\Sinks\Scope	Блок, призначений для виводу графічної інформації.
	Simulink\Signal Routing\Mux	Блок, що використовується для поєднання кількох сигналів для спільного виводу. Параметром блоку є кількість вхідних величин Number of Inputs.
	SimPowerSystems\Connectors\Ground(Input) или SimPowerSystems\Connectors\Ground(Output)	Приєднання до заземлення. Використовуються блоки з входом або виходом, залежно від того, до якого блоку має бути приєднано заземлення.
	SimPowerSystems\Extra Library\Control Blocks\PWM Generator	Блок, призначений для формування імпульсів керування для мостової трифазної схеми інвертора з використанням ШІМ. Параметрами блоку є: Режим роботи (Generator Mode) = 3-arm bridge (6 pulses); Частота ШІМ (Carrier frequency) = 1000 Гц; Внутрішня модуляція сигналів (Internal generation of modulation signals) – вибрано; Індекс модуляції (Modulation Index) = 0.6; Частота вихідної напруги (Frequency of output voltage) – залежить від досліджуваного режиму задається в Гц; Фаза вихідної напруги (Phase of output voltage) = 0.
	SimPowerSystems\Power Electronics\Universal Bridge	Блок, що моделює мостову схему. Параметрами для блока є: кількість плечей у мості (Number of bridge arms) = 3; конфігурація елемента (Port configuration) = ABC as output terminals; опір паралельного елемента (Snubber resistance Rs) = 10000; ємність паралельного елемента (Snubber Capacitance) = inf; тип напівпровідників (Power electronic Device) = IGBT/Diodes; прямий опір (Ron) = 1e-4; Прямі падіння напруги на транзисторі і діоді (Forward Voltages) = [2 2]; Сталі часу (Tf Tt) = [1e-6 2e-6]; Вимірювані величини (Measurements) – All Voltages and Currents.
	SimPowerSystems\Connectors\Bus Bar	Блок, призначений для поєднання окремих елементів в один електричний ланцюг. Параметрами цього блока є кількість входів (Number of inputs) і виходів (Number of outputs).
	SimPowerSystems\Elements\Series RLC Branch	Блок, що включає послідовно ввімкнені резистор, індуктивність та ємність в кожній фазі. Параметрами цього блоку є: Активна складова (Resistance); Індуктивність (Inductance); Ємність (Capacitance) = inf. Параметри активної складової і індуктивності вибираються згідно свого варіанту завдання.

Таблица 1.2 – Вихідні дані до лабораторної роботи

1.3 Завдання до лабораторної роботи

1.Зібрати схему та задати параметри згідно отриманого варіанту.

2.Дослідити роботу схеми з чисто активною навантагою, задаючи частоти 10, 25, 50, 60 Гц. Для кожної частоти навести графіки вхідних і вихідних величин.

3.Повторити описані досліди з активно-індуктивним навантаженням.

4.Пояснити принцип роботи схеми і запропонувати особливості її роботи та можливу сферу застосування.

Отримані числові результати (Вхідний, вихідний фазний струм, вихідна фазна і лінійна напруга та діюче значення струму через вентиль) занести у таблицю.

Таблица 1.3 – Таблиця результатів лабораторної роботи

1.4 Зміст звіту з лабораторної роботи

1.Титульний аркуш.

2.Мета роботи.

3.Досліджувана схема.

4.Графічні результати досліджень.

5.Пояснення отриманих результатів та наведення розрахунків.

6.Висновки.

Отже, головне практичне завдання даної лабораторної роботи полягає в тому, щоб ознайомитися з функціонуванням і проаналізувати криві вихідних величин трифазного (мостового) інвертора напруги (АІН) із симетричним керуванням, а також використати отримані результати для розробки моделей одноланкового й дволанкового матричного перетворювача частоти для наступних лабораторних робіт.

Автономний інвертор напруги являє собою силовий перетворювач, що дозволяє одержати на виході струм бажаної частоти, що формується з вихідного постійного струму або напруги за допомогою широтно-імпульсної модуляції. Залежно від того, яка з величин на вході є постійної, виділяють інвертори струму й напруги. Слово "автономний" означає можливість роботи пристрою на незалежне навантаження [3].

Істотною відмінністю трифазного мостового інвертора від інших є кількість фаз моста. Важливим показником якості роботи системи є криві фазної й лінійної напруги на виході перетворювача [1].

Вищенаведені графіки були отримані при реалізації електричної схеми малюнок 1.1 у програмному пакеті MatLab у середовищі Sіmulіnk (рисунок 1.2).

Реалізація матричного перетворювача можлива у вигляді дволанкової структури, для синтезу якої досить підготувати кожну ланку окремо, а саме випрямляч й інвертор. У свою чергу структура одноланкового матричного перетворювача ґрунтується на структурі дволанкового. Таким чином, розглянута раніше схема АІН може бути використана для реалізації двох схем матричного перетворювача [6,7].

При малих потужностях безпосередні перетворювачі частоти із примусовою комутацією можуть представляти в майбутньому альтернативу перетворювачам з інвертором напруги із ШІМ. Це так званий матричний перетворювач частоти. При цьому відпадає необхідність застосування елементів накопичення енергії для проміжної ланки. Принцип матричного вентильного перетворювача змінного струму показаний на прикладі ідеального перемикача. Клеми живлення двигуна зв'язуються почерговими перемиканнями з 3 клемами живлення мережі, що робить необхідним 9-ти позиційне двоспрямоване перемикання за допомогою широтно-імпульсної модуляції із частотою в кілька кГц [5].

Таким чином, отримані робочі моделі автономного інвертора й матричних перетворювачів можна вільно застосовувати на практиці в силовій електроніці й мікросхемотехніці. Можна зробити висновок про зручність моделювання пристроїв перетворювальної техніки, як способі вивчення й налагодження, зокрема тому, що в результаті віртуального настроювання перетворювача немає необхідності у витраті матеріалів і побудові прототипів.

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.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не була завершена. Остаточне завершення роботи планується в грудні 2011 року. Повний текст роботи і матеріали з теми можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.