ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой
Трехфазный мостовой инвертор с синусоидальной ШИМ
Как правило, инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменный. Одним из наиболее частых вариантов применения инвертора является питание и управление электрическими двигателями переменного тока.
В обобщенном виде схема трехфазного мостового инвертора представлена на рис. 1. Вместо реальных транзисторов показаны условные ключи. Нагрузка инвертора может иметь различный характер. Так, например, при подключении к обмоткам двигателя она будет иметь активно-индуктивный характер. Поэтому на рисунке нагрузка обозначена как Z. Параллельно каждому ключу установлен обратный диод (VD1-VD6), который обеспечивает контур протекания тока. Обратный ток возникает при наличии в нагрузке инвертора реактивных элементов. В этом случае реактивная энергия, накопленная ими, может возвращаться в сеть.
Также на рисунке не показана система управления ключами.
Рис. 1. Упрощенная схема трехфазного мостового инвертора
Рассмотренные ранее варианты управления ключами инвертора являются наиболее простыми. Однако существенным недостатком такого управления является значительное отклонение формы выходных напряжений и токов от синусоидальной и, как следствие, большое значение коэффициента гармоник. Для улучшения качества энергии на выходе инвертора применяются различные способы. Одним из наиболее известным из них является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при формировании сигналов управления ключами. В свою очередь управление ШИМ может быть классифицировано по различным критериям: частоте несущего сигнала, полярности и пр. В данном примере рассматривается один из наиболее распространенных вариантов применения – синусоидальная ШИМ.
|
|
|
Взяв за основу схему, показанную на рис. 1, сформируем модель трехфазного мостового инвертора (рис. 2).
Рис. 2. Модель трехфазного мостового инвертора.
Основными элементами модели являются ключи S1-S4, управляемые напряжением. Для их переключения используются сигналы на выходе компараторов, реализованных с помощью операционных усилителей U1-U4.
Рис. 3. Модель схемы, формирующей управляющие импульсы.
1) Сформировать две схемы на рабочем поле программы Orcad Capture, как показано на рис. 3 и на рис. 4, используя источник постоянного напряжения (Vdc из библиотеки SOURCE), источник импульсного напряжения (Vpulse из библиотеки SOURCE), упрощенную модель диода (Dbreak из библиотеки BREAKOUT), модель ключа (S из библиотеки ANALOG), резистор (из библиотеки ANALOG), блок PARAM из библиотеки Special, источник напряжения, управляемый напряжением (E из библиотеки ANALOG), источник синусоидального напряжения, (Vsin из библиотеки SOURCE), операционный усилитель (OPAMP из библиотеки ANALOG).
|
|
|
2) Настройка блока PARAMETERS производится двойным щелчком левой клавиши мыши вызвать окно с его параметрами (Property Editor), нажать кнопку New Row добавить следующие параметры: R – сопротивление нагрузки, f – частота модуляции, f_pwm – несущая частота.
3) Настроить источник постоянного напряжения Vdc=480 В, нагрузка R = 10 Ом, f = 50 Гц. Настроить источники синусоидального напряжения VSIN (Модулирующий сигнал) FREQ = f, VAMP = 0.9, VOFF= 1. Фаза (PHASE) для источников задается таким образом, чтобы обеспечить сдвиг в 120°, т.е. для SA, SB, SC фазы будут равны 0°, 240° и 120° соответственно.
4) Настроить источник импульсного напряжения Vpulse (Несущий сигнал). Параметры источников одинаковые за исключением начала переднего фронта (TD):
· начальное значение V1 = 0 В;
· максимальное значение V2 = 2 В;
· длительность переднего фронта TR = {0.5/ f_pwm};
· длительность заднего фронта TF = {0.5/ f_pwm};
· длительность задержки TD = 0;
· длительность плоской части импульса PW = {0};
· период PER = {1/ f_pwm}.
Поскольку модулирующая частота задана 50 Гц, то и выходное напряжение будет иметь эту же частоту.
|
|
|
5) Настроить параметры ключа S: VON = 1В, VOFF = 0.9В, RON = 20 мОм.
6) Для соединения информационной части и силовой можно использовать порты. Для этого при нажатии на панели справа «Place Port» нужно выбрать один из вариантов порта и добавить его вместо провода, в 2 местах (в начале соединения и в конце) и назвать каждый из двух одним названием, тем самым объединяя их.
7) Настроить профиль моделирования, тип анализа (Time Domain (Transient)), время моделирования (Run to time) выбрать равным 60 мс, максимальный шаг (Maximum step size) выберите равным 1 микросекунде. Поставить галочку в графе Skip the initial transient bias point calculation.
8) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжений модулирующего и несущих сигналов.
9) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжения нагрузки.
9) Определить действующее значение напряжения нагрузки Uд с помощью функции RMS( ) в окне Add Trace. Добавьте в протокол осциллограммы и установившееся значение среднего значения напряжения.
10) Выполнитев программе просмотра результатов моделирования разложение в ряд Фурье напряжения на нагрузке с помощью встроенной функции (FFT). Добавить осциллограмму гармоник до частоты в 5 кГц.
|
|
|
11) Добавив в каждую фазу последовательно с резистором катушку индуктивности можно смоделировать поведение рассматриваемого инвертора при работе на активно-индуктивную нагрузку, что наиболее характерно при подключении к выходу инвертора обмоток двигателя. Значение сопротивления изменим на 3.57 Ом. Индуктивность катушек L1, L2, L3 зададим равной 0.2787 Гн.
12) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжения и тока нагрузки на разных осях Y.
ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой
При реализации данной разновидности ШИМ в подаваемый на входы трехфазного ШИМ-модулятора управляющий сигнал каждой фазы добавляется нулевая последовательность nn, содержащая третью гармонику основной частоты.
Схема трехфазного инвертора остается неизменной. Поменяется схема формирующая управляющее импульсы.
Рис. 3. Модель схемы, формирующей управляющие импульсы.
1) Сформировать две схемы на рабочем поле программы Orcad Capture, к предыдущей схеме добавится сумматор (ESUM из библиотеки ABM), источник синусоидального напряжения, (Vsin из библиотеки SOURCE).
2) Настройка блока PARAMETERS производится двойным щелчком левой клавиши мыши вызвать окно с его параметрами (Property Editor), нажать кнопку New Row добавить следующие параметры: R – сопротивление нагрузки, f – частота модуляции, f_pwm – несущая частота.
3) Настроить источник постоянного напряжения Vdc=480 В, нагрузка R = 10 Ом, f = 50 Гц. Настроить источники синусоидального напряжения VSIN (Модулирующий сигнал) FREQ = f, VAMP = 0.9, VOFF= 1. Фаза (PHASE) для источников задается таким образом, чтобы обеспечить сдвиг в 120°, т.е. для SA, SB, SC фазы будут равны 0°, 240° и 120° соответственно.
Настроить второй источники синусоидального напряжения VSIN FREQ = f*3, VAMP = 0.15, VOFF= 1. Фаза (PHASE) для источников задается таким образом, чтобы обеспечить сдвиг в 120° относительно основного модулирующего сигнала, т.е. для SA, SB, SC фазы будут равны 0°, 360° и -360° соответственно.
4) Настроить источник импульсного напряжения Vpulse (Несущий сигнал). Параметры источников одинаковые за исключением начала переднего фронта (TD):
· начальное значение V1 = 1 В;
· максимальное значение V2 = 3 В;
· длительность переднего фронта TR = {0.5/ f_pwm};
· длительность заднего фронта TF = {0.5/ f_pwm};
· длительность задержки TD = 0;
· длительность плоской части импульса PW = {0};
· период PER = {1/ f_pwm}.
Поскольку модулирующая частота задана 50 Гц, то и выходное напряжение будет иметь эту же частоту.
5) Настроить параметры ключа S: VON = 1В, VOFF = 0.9В, RON = 20 мОм.
6) Для соединения информационной части и силовой можно использовать порты. Для этого при нажатии на панели справа «Place Port» нужно выбрать один из вариантов порта и добавить его вместо провода, в 2 местах (в начале соединения и в конце) и назвать каждый из двух одним названием, тем самым объединяя их.
7) Настроить профиль моделирования, тип анализа (Time Domain (Transient)), время моделирования (Run to time) выбрать равным 60 мс, максимальный шаг (Maximum step size) выберите равным 1 микросекунде. Поставить галочку в графе Skip the initial transient bias point calculation.
8) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжений модулирующего (Выход ESUM) и несущих сигналов.
9) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжения нагрузки.
9) Определить действующее значение напряжения нагрузки Uд с помощью функции RMS( ) в окне Add Trace. Добавьте в протокол осциллограммы и установившееся значение среднего значения напряжения.
10) Выполнитев программе просмотра результатов моделирования разложение в ряд Фурье напряжения на нагрузке с помощью встроенной функции (FFT). Добавить осциллограмму гармоник до частоты в 5 кГц.
11) Добавив в каждую фазу последовательно с резистором катушку индуктивности можно смоделировать поведение рассматриваемого инвертора при работе на активно-индуктивную нагрузку, что наиболее характерно при подключении к выходу инвертора обмоток двигателя. Значение сопротивления изменим на 3.57 Ом. Индуктивность катушек L1, L2, L3 зададим равной 0.2787 Гн.
12) Добавить в протокол осциллограммы мгновенных значений напряжения и тока нагрузки на разных осях Y.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1733; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!