Eenfasige halve brug en volledige brugomvormer met behulp van matlab

Wisselstroom (AC) voeding wordt gebruikt voor bijna alle residentiële, commerciële en industriële behoeften. Maar het grootste probleem met AC is dat het niet kan worden opgeslagen voor toekomstig gebruik. Dus wisselstroom wordt omgezet in gelijkstroom en vervolgens wordt gelijkstroom opgeslagen in batterijen en ultracondensatoren. En als er nu wisselstroom nodig is, wordt gelijkstroom opnieuw omgezet in wisselstroom om de op wisselstroom gebaseerde apparaten te laten werken. Dus het apparaat dat gelijkstroom in wisselstroom omzet, wordt omvormer genoemd.

Voor enkelfasige toepassingen wordt een enkelfasige omvormer gebruikt. Er zijn hoofdzakelijk twee soorten enkelfasige omvormers: Half Bridge-omvormer en Full Bridge-omvormer. Hier zullen we bestuderen hoe deze omvormers gebouwd kunnen worden en zullen we de circuits in MATLAB simuleren.

Half Bridge-omvormer

Dit type omvormer vereist twee vermogenselektronicaschakelaars (MOSFET). De MOSFET of IGBT wordt gebruikt voor schakeldoeleinden. Het schakelschema van de halfbrug-omvormer is zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Zoals weergegeven in het schakelschema, is de DC-ingangsspanning Vdc = 100 V. Deze bron is verdeeld in twee gelijke delen. Nu worden poortpulsen aan de MOSFET gegeven, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Volgens de uitgangsfrequentie wordt de AAN-tijd en de UIT-tijd van de MOSFET bepaald en worden poortpulsen gegenereerd. We hebben 50 Hz wisselstroom nodig, dus de tijdsperiode van één cyclus (0 <t <2π) is 20 msec. Zoals weergegeven in het diagram, wordt MOSFET-1 geactiveerd voor de eerste halve cyclus (0 <t <π) en gedurende deze periode wordt MOSFET-2 niet geactiveerd. In deze periode stroomt de stroom in de richting van de pijl, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, en is de halve cyclus van de AC-uitgang voltooid. De stroom van de belasting is van rechts naar links en de belastingsspanning is gelijk aan + Vdc / 2.

In de tweede halve cyclus (π <t <2π) wordt de MOSFET-2 geactiveerd en wordt de bron met een lagere spanning verbonden met de belasting. De stroom van de belasting is van links naar rechts en de belastingsspanning is gelijk aan -Vdc / 2. In deze periode stroomt de stroom zoals weergegeven in de afbeelding en is de andere halve cyclus van de AC-uitgang voltooid.

Full Bridge-omvormer

Bij dit type omvormer worden vier schakelaars gebruikt. Het belangrijkste verschil tussen halfbrug- en volledige brugomvormer is de maximale waarde van de uitgangsspanning. Bij een halfbrug-omvormer is de piekspanning de helft van de DC-voedingsspanning. In een volledige brugomvormer is de piekspanning hetzelfde als de DC-voedingsspanning. Het schakelschema van de volledige brugomvormer is zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

De poortpuls voor MOSFET 1 en 2 zijn hetzelfde. Beide schakelaars werken tegelijkertijd. Evenzo hebben MOSFET 3 en 4 dezelfde poortpulsen en werken ze tegelijkertijd. Maar MOSFET 1 en 4 (verticale arm) werken nooit tegelijkertijd. Als dit gebeurt, wordt de DC-spanningsbron kortgesloten.

Voor de bovenste halve cyclus (0 <t <π) worden MOSFET 1 en 2 geactiveerd en stroomt de stroom zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. In deze periode loopt de stroom van links naar rechts.

Voor de onderste halve cyclus (π <t <2π) worden MOSFET 3 en 4 geactiveerd en zal de stroom stromen zoals weergegeven in de afbeelding. In deze periode stroomt de stroom van rechts naar links. De piekbelastingsspanning is in beide gevallen hetzelfde als de DC-voedingsspanning Vdc.

Simulatie van Half-Bridge-omvormer in MATLAB

Voeg voor simulatie elementen toe aan het modelbestand uit de Simulink-bibliotheek.

1) 2 DC-bronnen - elk 50V

2) 2 MOSFET

3) Ohmse belasting

4) Pulsgenerator

5) GEEN poort

6) Powergui

7) Spanningsmeting

8) GOTO en VAN

Sluit alle componenten aan volgens het schakelschema. Het screenshot van het Half Bridge Inverter-modelbestand wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Poortpuls 1 en poortpuls 2 zijn poortpulsen voor MOSFET1 en MOSFET2 die worden gegenereerd door het poortgeneratorcircuit. De poortpuls wordt gegenereerd door PULSE GENERATOR. In dit geval kunnen MOSFET1 en MOSFET2 niet tegelijkertijd worden geactiveerd. Als dit gebeurt, wordt de spanningsbron kortgesloten. Wanneer MOSFET1 gesloten is, is MOSFET2 op dat moment open en wanneer MOSFET2 gesloten is, is MOSFET1 op dat moment open. Dus als we een poortpuls genereren voor een MOSFET, dan kunnen we die puls omschakelen en gebruiken voor andere MOSFET.

Gate Pulsgenerator

De bovenstaande afbeelding toont de parameter voor pulsgeneratorblok in MATLAB. De periode is 2e-3 betekent 20 msec. Als u een frequentie-uitgang van 60 Hz nodig heeft, is de periode 16,67 msec. De pulsbreedte is in termen van een percentage van de periode. Dit betekent dat de poortpuls alleen voor dit gebied wordt gegenereerd. In dit geval stellen we dit in op 50%, dit betekent dat er een poortpuls van 50% wordt gegenereerd en dat er geen poortpuls van 50% wordt gegenereerd. De fasevertraging is ingesteld op 0 sec, wat betekent dat we geen vertraging geven aan de poortimpuls. Als er een fasevertraging is, betekent dit dat er na deze tijd een poortpuls wordt gegenereerd. Als de fasevertraging bijvoorbeeld 1e-3 is, wordt de poortpuls na 10 msec gegenereerd.

Op deze manier kunnen we de poortpuls voor MOSFET1 genereren en nu zullen we deze poortpuls omschakelen en gebruiken voor MOSFET2. Bij simulatie zullen we logische NIET-poort gebruiken. De NIET-poort omgekeerd de uitgang betekent dat het 1 naar 0 en 0 naar 1 zal converteren. Dit is hoe we precies een tegenovergestelde poortpuls kunnen krijgen, zodat de DC-bron nooit kortgesloten zal worden.

In de praktijk kunnen we geen 50% pulsbreedte gebruiken. De MOSFET of een andere elektrische stroomschakelaar heeft weinig tijd nodig om uit te schakelen. Om kortsluiting van de bron te voorkomen, wordt de pulsbreedte ingesteld op ongeveer 45% om de tijd te geven dat MOSFET's worden uitgeschakeld. Deze tijdsperiode staat bekend als Dead Time. Maar voor simulatiedoeleinden kunnen we 50% pulsbreedte gebruiken.

Uitgangsgolfvorm voor Half-Bridge-omvormer

Deze schermafbeelding is voor de uitgangsspanning over de belasting. In deze afbeelding kunnen we zien dat de piekwaarde van de laadspanning 50V is, wat de helft is van de DC-voeding en de frequentie is 50Hz. Voor een volledige cyclus is de vereiste tijd 20 msec.

Simulatie van Full Bridge-omvormer in MATLAB

Als je output krijgt van een half-bridge-omvormer, dan is het eenvoudig om de full-bridge-omvormer te implementeren, omdat de meeste dingen hetzelfde blijven. In een volledige brugomvormer hebben we ook slechts twee poortpulsen nodig, wat hetzelfde is als een halve brugomvormer. Eén poortpuls is voor MOSFET 1 en 2 en omgekeerd van deze poortpuls is voor MOSFET 3 en 4.

Elementen vereist

1) 4 - MOSFET

2) 1 gelijkstroombron

3) Ohmse belasting

4) Spanningsmeting

5) Pulsgenerator

6) GOTO en VAN

7) powergui

Verbind alle componenten zoals weergegeven in de onderstaande schermafbeelding.

Uitgangsgolfvorm voor Full Bridge-omvormer

Deze schermafbeelding is voor uitgangsspanning over de belasting. Hier kunnen we zien dat de piekwaarde van de laadspanning gelijk is aan de DC-voedingsspanning die 100V is.

U kunt de volledige doorloopvideo bekijken van hoe u de Half Bridge en Full Bridge Inverter in MATLAB kunt bouwen en simuleren hieronder.