Invertor de Tensiune de la 12vcc la 220vca

PROIECT DE DIPLOMĂ

INVERTOR DE TENSIUNE de la 12Vcc la 220Vca

CUPRINS

Capitolul 1 – INTRODUCERE

1.1. Invertoare și aplicații

1.2. Criterii de alegere a invertoarelor

1.3. Conținutul lucrării

Capitolul 2 – INVERTOARE

2.1. Considerații generale

2.2. Configurații ale invertoarelor

2.3. Tipuri de invertoare

2.3.1. Invertor sursă de tensiune

2.3.2. Invertor sursă de curent

2.4. Invertoare monofazate în semipunte (“Half bridge”)

2.5. Invertoare monofazate în punte (“Full bridge”)

2.6. Modularea impulsurilor în durată

2.6.1. Tehnica PWM unipuls

2.6.2. Tehnica PWM multipuls

2.6.3. Tehnica PWM sinusoidală

2.7. Invertoare PWM

2.7.1. Invertoare cu tensiune de ieșire dreptunghiulară

2.7.2. Invertoare cu tensiune de ieșire sinusoidală modificată

2.7.3. Invertoare cu tensiune de ieșire pur sinusoidală

Capitolul 3 – MODELAREA MATLAB/SIMULINK A INVERTORULUI MONOFAZAT CU FORMA DE UNDĂ A TENSIUNII DE IEȘIRE SINUSOIDALĂ MODIFICATĂ

3.1. Prezentarea aplicației MATLAB/SIMULINK

3.1.1. Structura programului MATLAB

3.1.2. Documentația MATLAB “HELP”

3.2. Prezentarea extensiei SIMULINK

3.3. Realizarea modelului invertorului monofazat cu forma de undă a tensiunii de ieșire, sinusoidală modificată, în aplicația MATLAB/ SIMULINK

Capitolul 4 – PREZENTARE INVERTOR 1000W

4.1. Scheme electronice

4.2. Simularea funcționării circuitelor electronice

4.3. Circuitele imprimate

Capitolul 5 – CONCLUZII

5.1. Scheme electronice

BIBLIOGRAFIE

ABREVIERI

CC – curent continuu

CA – curent alternativ

TR – transformator

R – redresor

C – condensator

UPS – Uninterruptible Powwer Supply

PWM – Pulse Width Modulation

MID – modilației impulsurilor în durată

Sw – switch (contactor)

DC – direct current

AC – alternative current

ON – contactor închis

OFF – contactor deschis

Vs – tensiunea sursei de curent continuu

Vo – tensiunea alternativă de la ieșirea invertorului

tON – timpul de conducere al contactorului static

tOFF – timpul de blocare al contactorului static

T – perioada semnalului de comandă

Vr – amplitudinea semnalului de referință

Vc – amplitudinea semnalului purtător

p – numărul de impulsuri pe semiperioadă

ASD – Adjustable Speed Drive

MATLAB – matrix laboratory

LISTĂ DE FIGURI

Figura 1. Invertor de tensiune P = 200W. 9

Figura 2. Configurația de bază a invertorului. 12

Figura 3. Invertor cu transformator. 13

Figura 4. Schema bloc. 13

Figura 5. Circuitul de alimentare al invertorului sursă de tensiune. 15

Figura 6. Circuitul de alimentare al invertorului sursă de curent. 16

Figura 7. Invertor monofazat în semipunte. 16

Figura 8. Invertor monofazat în punte. 17

Figura 9. Principiul modulației unipuls. 19

Figura 10. Principiul modulației multipuls. 20

Figura 11. Principiul tehnicii PWM sinusoidale. 21

Figura 12. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune dreptunghiulară. 22

Figura 13. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune sinusoidală modificată. 23

Figura 14. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune pur sinusoidală. 24

Figura 15. Compararea semnalelor SPWM. 25

Figura 16. Tensiunea de de ieșire SPWM nefiltrată. 25

Figura 17. Tensiunea de de ieșire SPWM filtrată. 26

Figura 18. Structura simplificată a componentelor MATLAB. 28

Figura 19. Fereastra SIMULINK. 33

Figura 20. Schema bloc a invertorului de 1000kVA modelat Matlab/Simulink. 34

Figura 21. Modelul Simulink al invertorului din figura 20. 36

Figura 22. Modelul Simulink al blocului “Oscilator_înaltă frecvență”. 37

Figura 23. Impulsurile de comandă aferente contactoarelor 38

Figura 24. Tensiunea la bornele semiînfășurărilor primare. 39

Figura 25. Tensiunea la bornele înfășurării secundare a transformatorului. 39

Figura 26. Tensiunea filtrată de la irșirea redresorului bialternanță. 40

Figura 27. Impulsurile de comandă aferente contactoarelor 41

Figura 28. Tensiunea „sinusoidală modificată” de la ieșirea invertorului. 42

Figura 29. Tensiunea de la ieșirea filtrului. 43

Figura 30. Curentul de sarcină. 43

Capitolul 1 – INTRODUCERE

Această lucrare de licență se concentrează pe invertoare de putere care au ca scop transformarea într-un mod eficient a unei tensiuni obținute dintr-o sursă de tensiune continuă, într-o tensiune alternativă.

În partea a doua a lucrării este prezentat în amănunt, invertorul de putere de 1000W.

Invertoare și aplicații

Invertoarele de putere sunt dispozitive care pot converti energia electrică de curent continuu în energie electrică de curent alternativ. Cercetările de-a lungul timpului în domeniu și tehnologia actuală au permis realizarea invertoarelor de putere în diferite forme și mărimi astfel încât acestea pot fi utilizate în diverse domenii de aplicabilitate.

Scopul unui invertor de putere (DC/AC) este de a prelua tensiunea continuă furnizată de o baterie și de a o transforma într-o sursă de curent alternativ de 220Vca – 240Vca, ce funcționează la 50Hz, regăsită la priză, necesară domeniului de aplicabilitate.

Invertoarele sunt folosite pentru multe aplicații cum ar fi:

sisteme de alimentare cu energii obținute din surse regenerabile;

sisteme de telecomunicații;

control industrial;

domeniul auto;

sisteme electrice și energetice, etc.

În concluzie, aceste invertoare de tensiune permit utilizatorilor obținerea unei tensiuni alternative în scopul alimentării diverselor dispozitive care necesită acest tip de alimentare, în zone în care tensiunea alternativă este indisponibilă și/sau inaccesibilă dar având acces la tensiune obținută din baterii. Pe lângă aceasta, aceste invertoare permit portabilitate și eliberarea utilizatorului de cabluri de alimentare lungi.

În figura 1 este prezentat un invertor de tensiune de mică putere, comercial, având puterea de 200W. [1]

Figura 1. Invertor de tensiune P = 200W.

Pe piața de astăzi sunt disponibile trei tipuri de invertoare de putere:

invertoare cu tensiune de ieșire dreptunghiulară;

invertoare cu tensiune de ieșire sinusoidală modificată;

invertoare cu tensiune de ieșire pur sinusoidală.

Aceste convertoare diferă în ieșirile lor oferind niveluri diferite de eficiență și distorsiune care pot afecta dispozitivele electronice în diferite moduri.

Criterii de alegere a invertoarelor

Alegerea corectă a invertoarelor se face în principal, funcție de câteva elemente foarte importante și anume:

tensiunea bateriei de acumulatori;

tensiunea și puterea maximă a consumatorilor;

tipul consumatorilor;

regimul de lucru.

Alegerea incorectă a acestor dispozitive poate duce la deteriorarea sau la defectarea acestora sau la funcționarea cu eficiență scăzută.

Conținutul lucrării

Lucrarea este structurată în 5 capitole după cum urmează:

În Capitolul 1 intitulat “Introducere” sunt prezentate noțiuni generale despre invertoare precum și criteriile de alegere ale acestora, atingând și importanța și actualiatea temei.

În Capitolul 2 intitulat “Invertoare” este realizată o succintă teorie a invertoarelor care cuprinde configurații ale acestora, tipuri constructive și funcționale, cu descriere și scheme de principiu și realizare.

În Capitolul 3 intitulat “Etape de proiectare” sunt prezentate atât etatele de proiectare cât și considerentele principale avute în vederea unei proiectări a elementelor de comandă și a elementelor de forță din componența invertorului.

Capitolul 4 intitulat “Prezentarea invertorului de 1000W” prezintă construcția invertorului de 1000W:

scheme funcționale;

scheme electrice pe blocuri funcționale;

circuitele electronice;

circuitele imprimate aferente circuitelor electronice;

Lucrarea se încheie cu Capitolul 5 intitulat “Concluzii” iar la final este trecut materialul bibliografic citat în această lucrare de licență.

Capitolul 2 – INVERTOARE

Considerații generale

Un invertor constituie în esență un dispozitiv care convertește energia electrică sub formă de curent continuu (CC) în energie electrică sub formă de curent alternativ (AC). Sarcina unui invertor CC – AC este aceea de a prelua energia electrică sub formă de curent continuu de la o baterie și a o vonverti în energie electrică sub formă de curent alternativ. Spre exemplu, invertoarele de uz casnic sunt alimentate în curent continuu de la baterii de 12V sau 24V și convertesc această tensiune continuă în tensiune alternativă de 240V, la frecvență necesară de 50Hz sau 60Hz.

Într-o primă etapă, invertoarele CC – AC au fost utilizare în aplicații industriale cum ar fi sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS – Uninterruptible Powwer Supply) și comanda motoarelor asincrone monofazate. Recent, invertoarele joacă un rol din ce în ce mai important în diverse aplicații din domeniul energiilor regenerabile, cum ar fi cele referitoare la sistemele de producere a energiei electrice folosind energia eoliană sau în cazul sistemelor fotovoltaice. În plus, strategiile de control utilizate în cazul invertoarelor sunt similare cu cele utilizate în cazul convertoarelor CC – CC. În aplicațiile practice sunt utilizate atât metodele de control după curent cât și metodele de control după tensiune.

În mod frecvent, convertoarele CC – AC funcționează pe principiul modilației impulsurilor în durată – MID (PWM – Pulse Width Modulation). Această tehnică este foarte avantajoasă, deoarece impulsurile de comandă pentru contactoarele statice ale invertorului sunt controlate prin diverse mecanisme. Un invertor ce folosește tehnica PWM poate menține tensiunea de la ieșire la valoarea nominală, indiferent de mărimea sarcinii conectate la bornele de ieșire ale invertorului.

În cazul unui invertor convențional, tensiunea de la ieșirea acestuia variază în funcție de sarcină. Aceasta depinde de frecvența de comutare și de durata (lățimea) impulsurilor de comandă. Acești doi parametri sunt modificați în concordanță cu valoarea sarcinii, astfel încât tensiunea altenativă de la ieșirea invertorului să rămână constantă, la valoarea nominală.

Uzual, invertoarele utilizează tehnica PWM în circuite de diferite configurații, ceea ce înseamnă că invertorul constituie un sistem neliniar versatil și fiabil.

În ultima decadă, studiile asupra complexelor posibilități din domeniul convertoarelor de putere în regim de comutație au atras din ce în ce mai mult mediilor academice și industriale. Au fost relevate tipuri variate de fenomene neliniare cum ar fi fenomenul de haos, de frontieră de coliziune, de atractori coexistenți.

Configurații ale invertoarelor

Cea mai simplă configurație de invertor este prezentată în figura 2.

Figura 2. Configurația de bază a invertorului.

Invertorul prezentat în figura 2 are în componență patru contactoare statice conectate la sursa de curent continuu (simbolizată printr-o baterie). Prin intrarea în conducție a contactactoarelor Sw1 și Sw2 tensiunea la ieșire are un sens, iar prin intrarea în conducție a contactoarelor Sw3 și Sw4, tensiunea la ieșire își schimbă sensul. Dacă comanda contactoarelor statice este periodică și tensiunea de ieșire își schimbă periodic polaritatea (va fi altenativă). La ieșirea circuitului se va obține o tensiune alternativă de valoare constantă, impusă de valoarea tensiunii bateriei ce alimentează circuitul.

În cazul în care la ieșire este necesară o tensiune alternativă de valoare mai mare (de exemplu dacă se dorește o tensiune alternativă de 240V de la o sursă de curent continuu de 12V sau 24V, se pot utiliza două metode. Cea mai simplă metodă constă în alimentarea unui transformator monofazat ridicător, tensiunea de la ieșirea invertorului. Un astfel de circuit este prezentat în figura 3.

Figura 3. Invertor cu transformator.

O metodă mai complexă constă în modificarea valorii sursei de curent continuu ce alimentează contactoarele statice prin intermediul unui convertor CC – CC.

Figura 4. Schema bloc.

Convertorul de intrare CC – CC constă este constituit dintr-un invertor (contactoarele Sw5 și Sw6) numit uneori și chopper care este conectat la un transformator ridicător (TR), la ieșirea căruia este conectat un redresor, după cum se poate urmări în figura 4. Cu toate că aceasnt continuu (simbolizată printr-o baterie). Prin intrarea în conducție a contactactoarelor Sw1 și Sw2 tensiunea la ieșire are un sens, iar prin intrarea în conducție a contactoarelor Sw3 și Sw4, tensiunea la ieșire își schimbă sensul. Dacă comanda contactoarelor statice este periodică și tensiunea de ieșire își schimbă periodic polaritatea (va fi altenativă). La ieșirea circuitului se va obține o tensiune alternativă de valoare constantă, impusă de valoarea tensiunii bateriei ce alimentează circuitul.

În cazul în care la ieșire este necesară o tensiune alternativă de valoare mai mare (de exemplu dacă se dorește o tensiune alternativă de 240V de la o sursă de curent continuu de 12V sau 24V, se pot utiliza două metode. Cea mai simplă metodă constă în alimentarea unui transformator monofazat ridicător, tensiunea de la ieșirea invertorului. Un astfel de circuit este prezentat în figura 3.

Figura 3. Invertor cu transformator.

O metodă mai complexă constă în modificarea valorii sursei de curent continuu ce alimentează contactoarele statice prin intermediul unui convertor CC – CC.

Figura 4. Schema bloc.

Convertorul de intrare CC – CC constă este constituit dintr-un invertor (contactoarele Sw5 și Sw6) numit uneori și chopper care este conectat la un transformator ridicător (TR), la ieșirea căruia este conectat un redresor, după cum se poate urmări în figura 4. Cu toate că această din urmă configurație este mai complicată, ea prezintă unele avantaje notabile.

În cazul în care ieșirea invertorului către sarcină se face direct de la secundarul transformatorului (figura 3), acesta trebuie proiectat să funcționeze la frecvența cerută la ieșirea invertorului, în cele mai multe cazuri la 50Hz sau 60Hz. Transformatoarele de putere care funcționează la această frecvență sunt voluminoase și scumpe.

Dacă se folosește un convertor CC – CC, frecvența de funcționare a acestuia poate fi diferită de frecvanță cerută la ieșirrea invertorului. Prin utilizarea frecvențelor înalte, (50kHz sau 100kHz), dimensiunile transformatorului ridicător se micșorează considerabil în comparație cu cazul anterior, la aceeași putere utilă a invertorului. Prin acesta, invertorul devine mai mic, mai compact, mai ușor și mai ieftin. Dar, din cauza faptului că în acestă configurație ieșirea invertorului este conectată direct la sarcină, injecția unei componente continue de o anumită valoare poate constitui o problemă.

În cazul în care un invertor trebuie să alimenteze un transformator, se pot utiliza circuite în diverse configurații. Multe invertoare utilizează un transformator care are circuitul primar prevăzut cu o priză mediană, prin aceasta făcând posibilă reducerea numărului de contactoare statice de la patru la două (spre exemplu Invertor 1 din figura 4).

Cu toate că se economisesc banii pentru două contactoare statice, transformatorul are un randament mic, deoarece fiecare semiînfășurare primară este parcursă de curent numai 50% din timpul de funcționare. Prin urmare, pentru o anumită valoare medie a curentului care impune puterea la ieșirea invertorului, curentul eficace (care determină valoarea pierderilor) va fi mai mare. Pentru un randament impus prin datele de proiectare, transformatorul va fi mai voluminos și mai scump.

În cazul unui invertor în punte (patru contactoare statice), curentul de sarcină parcurge două invertoare, caracterizate și ele prin pierderi specifice. Cele două aspecte trebuie cântărite în procesul de proiectare al unui invertor. În practică, transformatorul cu priză mediană este des folosit când sursa de curent continuu este de mică tensiune, iar la ieșirea invertorului este necesară o tensiune alternativă de valoare mare [2].

Tipuri de invertoare

După cum a fost precizat anterior, invertoarele sunt circuite electronice care realizează conversia CC – AC și pot fi utilizate de sine stătător sau ca parte componentă a convertoarelor statice cu circuit intermediar de curent continuu.

Cuvântul “invertor”, în contextul electronicii de putere sau al conversiei puterii electrice denotă o clasă de circuite care transformă tensiunea sau curentul continuu în tensiune sau curent alternativ.

Dacă intrarea invertorului este o sursă de tensiune continuă, invertorul se numește “invertor sursă de tensiune” (IST sau VSI – Voltage Source Inverter), iar dacă sursa de alimentare a invertorului este o sursă de curent, acesta se numește “invertor sursă de curent” (ISC sau CSI – Current Source Inverter). Invertoarele sursă de tensiune dețin controlul direct saupra tensiunii de la ieșire, în timp ce invertoarele sursă de curent dețin controlul direct al curentului de la ieșire.

Invertor sursă de tensiune

Configurațiile circuitului de alimentare în curent continuu pentru un invertor sursă de tensiune monofazat sau trifazat sunt prezentate în figura 5.

Figura 5. Circuitul de alimentare al invertorului sursă de tensiune.

Acest tip de invertor controlează în mod independent forma tensiunii de la ieșire, care în cele mai multe cazuri rămâne aceeași, indiferent de valoarea sarcinii. Datorită acestei caracteristici, invertoarele sursă de tensiune au pe lângă alicațiile casnice și multe aplicații industriale cum ar fi: dipozitivele de reglare a vitezei (ASD – Adjustable Speed Drive) sau în sistemele fotovoltaice de producere a energiei electrice.

Invertor sursă de curent

Invertoarele sursă de curent controlează în mod independent forma curentului alternativ de la ieșire. Această formă rămâne în cele mai multe cazuri neschimbată, indiferent de mărimea sarcinii conectate la ieșirea invertorului. Este motivul pentru care invertoarele sursă de curent au numeroase aplicații industriale în domeniul de medie tensiune, în care este necesară o calitate deosebită a formei de undă a curentului.

În figura 6 este prezentată configurația circuitului de alimentare în curent continuu pentru invertoarele sursă de curent.

Figura 6. Circuitul de alimentare al invertorului sursă de curent.

În cazul de față, invertorul este alimentat cu curent constant, fapt realizat prin conectarea unei inductanțe de valoare adecvată, suficient de mare, în serie cu sursa de curent continuu.

Invertoare monofazate în semipunte (“Half bridge”)

Invertorul monofazat în semipunte este constituit în principal di două contactoare statice cate pot fi” titistoare, tranzistoare bipolare, tranzistoare IGBT. În paralel cu fiecate contactor static se conectează căte o diodă de conducție inversă ce realizează feedback-ul puterii reactive. În figura 7 este prezentat un invertor monofazat în semipunte.

Figura 7. Invertor monofazat în semipunte.

Tabelul 1 ilustrează secvența de comutare (secvența stărilor) celor două cotactoare statice T1 și T2.

Tabelul 1

Tranzistorul T1 este în starea ON (în conducție) pe întreaga semiperioadă pozitivă a tensiunii de ieșire,ceea ce înseamnă va tensiunea de ieșire Vout = Vs/2. Tranzistorul T2 este în starea ON pe întreaga semiperioadă a tensiunii de ieșire, caz în care tensiunea de ieșire Vout = -Vs/2. Cele două contactoare trebuie să funcționeze alternativ, deoarece în caz contrar se produce scurtcircuitul căii de curent continuu care le alimentează. În cazul unei sarcini rezistive, forma de undă a curentului va fi identică cu forma de undă a tensiunii, ceea ce nu se mai întâmplă în cazul unei sarcini reactive. Diodele de conducție inversă intră în funcție în cazul sarcinilor reactive, când tensiunea și curentul au sensuri opuse.

Invertoare monofazate în punte (“Full bridge”)

Schema unui invertor în punte este prezentată în figura 8.

Figura 8. Invertor monofazat în punte.

În acest caz, invertorul este format din două ramuri, fiecare având câte două contactoare statice, fiecare contactor fiind prevăzut cu câte o diodă de conducție inversă conectată în paralel. Diodele conferă o cale alternativă de circulație a curentului inductiv care continuă să curcule și în perioada în care contactoarele statice sunt în starea OFF (sunt blocate).

Tabelul 2 ilustrează secvența de comutare (secvența stărilor) celor patru contactoare statice T1, T2, T3 și T4.

Contactoarele de pe aceeași ramură funcționează alternativ ,astfel încât să nu poată fi simultan în aceeși stare (ON sau OFF). În practică, ambele contactoare de pe aceeași ramură sunt în starea OFF pentru o scurtă perioadă de timp – numită interval de întrerupere sau timp mort – pentru a preveni apariția oricărei posibilități de scurtcircuitare a ramurii.

Tabelul 2

Contactoarele din ramurile punții invertoare sunt astfel comutate încât tensiunea de ieșire să fie comutată de la o ramură la cealaltă realizându-se astfel schimbarea polarității, fapt care impune forma tensiunii la ieșirea invertorului.

Modularea impulsurilor în durată

Modulația impulsurilor în durată este o tehnică de generare a unor impulsuri de amplitudine constantă darl a căror durată (lățime) este modulată după o lege impusă de condițiile de funcționare ale invertorului. Controlul analog PWM impune generarea atât a semnalului de referință cât și a semnalului purtător. Ambele semnale se aplică intrărilor unui comparator care pe baza unui anumit algoritm generează la ieșire semnalele impuse de condițiile de funcționare ale invertorului. Semnalul de referința (modulator) este semnalul ce se dorește a fi obținut la ieșirea invertorului (sinusoidal sau dreptunghiular), în timp ce semnalul purtător este de formă triunghiulară sau în dinte de fierăstrău, având o frecvență semnificativ mai mare decăt semnalul de referință.

Există mai multe tipuri de tehnici PWM care permit obținerea unor forme diferite ale tensiunii de ieșire și alegerea unei tehnici PWM pentru invertor depinde de cost, de zgomot și de randament. Dintre toate tehnicile PWM cunoscute, există trei tipuri de bază:

Tehnica PWM unipuls (cu un singur impuls);

Tehnica PWM multipuls (cu impulsuri multiple);

Tehnica PWM sinusoidală.

Tehnica PWM unipuls

Modularea prin această tehnică oferă un singur impuls de comandă pentru fiecare semiperioadă. Mărimea tensiunii de la ieșirea invertorului se modifică prin variația lățimii (duratei) impulsului. Semnalele de comandă pe poartă pentru contactoalele statice se obțin prin compararea unui semnal rectangular cu un

semnal de referință triunghiular. Frecvențele celor două semnale sunt aproape egale. Principiul metodei este ilustrat în figura 9.

Figura 9. Principiul modulației unipuls.

Valoarea eficace a tensiunii la ieșirea invertorului va fi:

(2.1)

(2.2)

În care:

Indicele de modulare IM va fi egal cu raportul dintre amplitudinea semnalului de referință și amplitudinea semnalului purtător:

(2.3)

Modificând amplitudinea semnalului de referință Vr de la 0 la Vc, lățimea impulsului va evolua între valorile T/2 sec și 0 sec, iat valoarea eficace a tensiunii de la ieșirea invertorului va lua valori cuprinse între Vs și 0.

Tehnica PWM multipuls

Prin aplicarea acestei tehnici de modulare, se vor obține mai multe impulsuri pe semiperioadă, toate impulsurile având aceeași lățime. Semnalele de comandă sunt generate prin compararea unei unde de referință dreptunghiulare cu o undă purtătoare triunghiulară. Frecvență semnalului de referință va impune frecvența tensiunii de la ieșirea invertorului (fo) și frecvența semnalului purtător (fc). Principiul metodei de generare a impulsurilor de comandă este prezentat î figura 10.

Figura 10. Principiul modulației multipuls.

Numărul de impulsuri pe semiperioadă (p) este dat de relația:

(2.4)

Valoarea eficace a tensiunii de ieșire va fi:

(2.5)

În care:

(2.6)

Prin modificarea indicelui de modulare (IM) de la 0 la 1, lațimea impulsului se modifică de la π/p la zero, iar amplitudinea tensiunii de ieșire se modică de la Vs la 0.

Tehnica PWM sinusoidală

Tehnica PWM sinusoidală se caracterizează prin faptul că generează mai multe impulsuri de comandă pentru fiecare semiprioadă, iar impulsurile sunt diferite ca lățime (durată). Lățimea fiecărui impuls se modifică proporțional cu amplitudinea unei unde sinusoidale, evaluată în centrul impulsului corespunzător. Semnalele de comandă sunt generate prin comparatrea unei unde suinusoidale de referință cu un semnal purtător triunghiular de mare frecvență. Principiul metodei este ilustrat în figura 11.

Figura 11. Principiul tehnicii PWM sinusoidale.

Valoarea eficace a tensiunii de ieșire este în acest caz:

(2.7)

În care p este numărul de impulsuri pe semiperioadă, iar δ este lățimea impulsului

Comparația între diferitele tehnici de modulare PWM prezentate anterior se face în funcție de următoarele criterii:

pierderile prin comutarea contactoarelor statice;

obținerea unei tensiuni la ieșire cât mai mare prntru o anumită tensiune continuă de alimentare;

linearitatea controlului tensiunii și a curentului;

conținutul de armonici al tensiunii și al curentului.

Invertoare PWM

În general, există trei tipuri de invertoare monofazate destinate unui domeniu larg de utilizare. Aceste tipuri sunt:

invertoare cu tensiune de ieșire dreptunghiulară;

invertoare cu tensiune de ieșire sinusoidală modificată;

invertoare cu tensiune de ieșire pur sinusoidală.

Invertoare cu tensiune de ieșire dreptunghiulară

Acest tip de invertor este considerat ca fiind forma de bază a invertoarelor. La ieșirea sa se obține o tensiune alternativă dreptunghiulară, cu un larg spectru de armonici, fapt ce caracterizează această formă de undă. În figura 12 se prezintă forma de undă a tensiunii de la ieșirea invertorului.

Figura 12. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune dreptunghiulară.

Invertorul cu tensiune dreptunghiulară are un randament scăzut și datorită formei de undă și a conținutului bogat în armonici de ordin superior, pot provoca avarii serioase în ehipamentele electronice. Dar, având un preț de cost scăzut, există un număr limitat de utilizări casnice în care se utilizează acest tip de invertoare.

Invertoare cu tensiune de ieșire sinusoidală modificată

Un astfel de invertor prezintă la ieșire o formă de undă a tensiunii mai apropiată ca formă de o sinusoidă, cu toare că păstrează în continuare în configurația formei de undă un impuls dreptunghiular, după cum se poate observa în figura 13.

Figura 13. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune sinusoidală modificată.

Invertoarele de acest tip conferă la ieșire o formă de undă mai zgomotoasă (prin conținutul sau de armonici) și mai rigidă (prin existență impulsurilor dreptunghiulare) decât o sinusoidă. Din acest motiv, dacă sunt utilizate pentru alimentarea ceasurilor sau cronometrelor este posibil ca acestea să meargă înainte sau să nu funcționeze de loc. În schimb, acest tip de invertoare funcționează bine în echipamentelede putere redusă, care nu suferă din cauza randamentului relativ scăzut sau al conținutului de armonici.

Se utilizează în condiții bune pentru alimentarea majorității aparaturii casnice.

Invertoare cu tensiune de ieșire pur sinusoidală

Invertoarele cu tensiune pur sinusoidală oferă la ieșire o tensiune a cărei formă este foarte apropiată sau chiar identică cu forma de undă a tensiunii rețelei de alimentare, după cum se poate remarca în figura 14.

Figura 14. Forma de undă la ieșirea invertorului cu tensiune pur sinusoidală.

Tensiunea sinusoidală obținută la ieșirea invertorului conține foarte puține armonici, iar cele conținute sunt de foarte mică amplitudine. Se poate spune că tensiunea alternativă obținută este foarte “curată”. Acesta constituie motivul pentru care invertorul în discuție constituie o sursă de alimentare ideală pentru echipamentele electronice, deoarece nu cauzează acestora nici un fel de probleme. Chiar și circuitele pentru încărcarea bateriilor funcționează mai bine dacă sunt alimentate de la invertoare cu tensiune pur sinusoidală.

În concluzie, utilizarea acestui tip de invertor conferă următoarele avantaje:

majoritatea echipamentelor electrice și electronice sunt proiectate pentru o tensiune de alimentare sinusoidală;

unele echipamente cum ar fi motoarele cu viteză reglabilă, frigiderele sau cuptoarece cu microunde nu sunt capabile să confere puterea pentru care au fost proiectate dacă nu sunt alimentate cu tensiune sinusoidală;

ceasurile electronice sunt proiectate pentru tensiuni sinusoidale;

conținutul de armonici este foarte scăzut.

Cea mai utilizată metodă de a obține la ieșirea invertorului o tensiune sinusoidală constă în generarea semnalelor de comandă prin tehnica de modulare PWM sinusoidală (§ 2.6.3.).

Modularea PWM sinusoidală implică generarea unei forme de undă sub formă de impulsuri de lățimi diferite, astfel încât pentru o perioadă forma de undă medie corespunzătoare acestor impulsuri corespunde ca formă unei sinusoide.

Figura 15. Compararea semnalelor SPWM.

Metoda cea mai simplă de a genera impulsuri PWM sinusoidale (SPWM), constă în compararea a două semnale de mică putere: un semnal sinusoidal de referință cu frecvență corespunzătoare tensiunii de la ieșirea invertorului și un semnal triunghiular purtător cu frecvența mult mai mare decât cea a semnalului sinusoidal (figura 15).

Semnalele dreptunghiulare rezultate sunt apoi utilizate pentru comanda contactoarelor statice ce compun invertorul. Tercând tensiunea obținută de ieșirea invertorului în punte (figura 16) printr-un filtru LC, se va obține o formă de undă a tensiunii aproximativ sinusoidală (figura 17).

Figura 16. Tensiunea de de ieșire SPWM nefiltrată.

Figura 17. Tensiunea de de ieșire SPWM filtrată.

Procedeul generează în comparație cu celelalte metode, tensiunea cu cea mai apropiată formă de o sinusoidă. Armonica de rangul întâi prezentă în forma temsiunii, are amplitudinea remarcabil mai mare decât celelalte armonici care mai pot apare în componența tensiunii de ieșire [3].

Capitolul 3 – MODELAREA MATLAB/SIMULINK A INVERTORULUI MONOFAZAT CU FORMA DE UNDĂ A TENSIUNII DE IEȘIRE SINUSOIDALĂ MODIFICATĂ

În studiul invertoarelor precum și în proiectarea acestora, modelările dispozitivelor și simulările pe calculator a funcționării acestora, constituie un rol important în raport cu analizele și deducțiile teoretice.

Datorită tehnologiei și tehnicii actuale care se află într-o continuă dezvoltare, atât modelările cât și simulările pot fi realizate în programe specializate fiecărui tip de sistem.

În lucrarea de față, proiectarea asistată de calculator a fost realizată în aplicația MATLAB/SIMULINK, la baza modelului rezultat aflându-se modelele matematice ale tuturor dispozitivelor din sistemul studiat.

Prezentarea aplicației MATLAB/SIMULINK

Aplicația MATLAB este un limbaj de calcul de înaltă performanță utilizat la efectuarea de calculele tehnice. Acest limbaj integrează module de calcul, module de vizualizare și module de programare într-un mediu de dezvoltare care permite utilizarea ușoară a programului. [4]

Domeniile de utilizare tipice sunt:

Calcule matematice,

Dezvoltarea de algoritmi,

Modelarea, simularea si dezvoltarea de prototipuri,

Analiza datelor, explorarea acestora si vizualizarea lor,

Dezvoltarea de grafice stiintifice si tehnice,

Dezvoltarea de aplicatii, inclusiv proiectarea de interfete grafice utilizator.

MATLAB este un program interactiv care folosește blocuri de date elementare ca matrici sau arii și care nu necesită o dimensionare prealabilă.

Acest mod de lucru permite să se rezolve numeroase probleme tehnice, în special acele probleme care operează cu matrici sau vectori.

Numele de MATLAB vine de la “matrix laboratory”. Programul MATLAB a fost scris la început ca să permită un acces ușor la programele care lucrează cu matrici din cadrul proiectelor LINPACK și EISPACK.

El a fost dezvoltat într-o lungă perioadă de timp prin contribuția a numeroși utilizatori.

În mediul universitar programul este folosit ca instrument de lucru la cursurile de matematică, inginerie și știință.

În industrie MATLAB este utilizat în activitatea de cercetare, dezvoltare și analiza a datelor.

Există numeroase facilități în cadrul programului MATLAB, dintre care amintim posibilitatea de dezvoltare de soluții și aplicații specifice în cadrul boxelor de lucru (toolboxes). Toolboxes sunt colecții complete de funcții MATLAB (fișiere M) care extind mediul MATLAB la rezolvarea unor clase particulare de probleme.

Structura programului MATLAB

Structura simplificată a componentelor MATLAB este reprezentată în figura următoare. [4]

Figura 18. Structura simplificată a componentelor MATLAB.

În care:

Fișiere cu extensia M: sunt fișiere ce conțin linii de comandă MATLAB și pot fi apelate în linia de comandă MATLAB pentru a executa setul de comenzi conținute în aceste fișiere.

Fișiere cu extensia P: reprezintă versiunea predefinită a fișierelor de tip M.

Fișiere cu extensia MDL: sunt fișiere reprezentând modele Simulink.

Fișiere cu extensia MAT: sunt fișiere utilizate pentru importul sau exportul de date înspre sau dinspre MATLAB.

Sistemul MATLAB este format din cinci mari părți și anume:

Mediul de dezvoltare. Acesta este un set de unelte de lucru și facilități care ajută la folosirea funcțiilor și fișierelor MATLAB. Numeroase unelte de lucru sunt de fapt interfețe grafice utilizator. Aceste unelte de lucru sunt:

Prezentarea pe ecran a mediului MATLAB (MATLAB desktop),

fereastra de comandă (Command Window),

istoria comenzilor (Coomand History),

browsere cu care se poate vedea helpul,

spațiul de lucru, etc.

Libraria de funcții matematice MATLAB. Aceasta este o colecție vastă de algoritmi de calcul aranjați de la funcțiile elementare ca suma, sin, cos sau aritmetica numerelor complexe pâna la funcții foarte complexe ca inversarea matricilor, funcții Bessel sau transformata Fourier rapidă.

Limbajul MATLAB. Acesta este un limbaj de nivel înalt bazat pe matrici și arii care permite controlul efectuării în flux normal al calculelor, utilizarea funcțiilor, a structurării datelor, a introducerii și scoaterii datelor și facilități de programare orientată pe obiecte. Limbajul permite implementarea de mici programe precum și utilizarea de programe mari.

Manipularea graficelor. Acesta este sistemul grafic MATLAB și include comenzi de nivel înalt pentru vizualizarea datelor în două sau trei dimensiuni, procesarea imaginilor, animație și prezentarea graficelor. De asemenea acesta include comenzi de nivel ridicat care permit utilizatorului să poată modifica după dorință modul de prezentare al graficelor precum și construirea unei interfețe grafice complete pentru o anumită aplicație.

Interfața program pentru aplicațiile MATLAB API (Application Program Interface). Aceasta este o librărie care permite utilizatorului să scrie programe C sau Fortran care interacționează cu programul MATLAB.

Documentația MATLAB “HELP”

Se poate utiliza browserul de help pentru a căuta și vedea o anumită documentație pentru toate produsele MathWorks. Browserul de help este un browser Web integrat în Matlab pentru a afișa documente HTML.

Documentația MATLAB poate să fie studiată “on line” prin selectarea meniului HELP din bara de meniuri MATLAB. În cadrul meniului “Using MATLAB” documentația este organizată în următoarele subdomenii: [4]

Mediul de Dezvoltare (Development Enviroment) asigură informații complete despre MATLAB desktop,

Funcțiile matematice (Mathematics) arată cum se folosesc funcțiile matematice și statistice în MATLAB,

Tipuri de date și programare (Programming and Data Types) descrie cum se pot crea diferite scripturi și funcții cu ajutorul limbajului MATLAB,

Grafice-(Graphics) arată cum se pot trasa grafice prin folosirea funcțiilor grafice oferite de MATLAB,

Vizualizare -3D (3D Vizualisation) prezintă cum se utilizează diferitele vederi, iluminări și transparențe ale obiectelor desenate pentru a obține efecte grafice mai complexe pornind de la funcțiile elementare de desenare,

Interfețe externe/API (Externel Interfaces/ API) descrie modurile de interfațare a programului MATLAB cu programele C sau Fortran, sau clasele de obiecte descrise de programul JAVA, folosirea porturilor seriale I/O, ActiveX si DDE,

Crearea de interfete grafice utilizator –(Creating Graphical User Interfaces) descrie cum se poate utiliza programul MATLAB pentru realizarea de interfețe grafice utilizator.

În cadrul meniului “Referințe (References)” documentația “on line este organizată în următoarele capitole:

Referințele funcțiilor MATLAB (MATLAB Function Reference) prezintă toate funcțiile principale MATLAB cu sintaxa lor, de scrierea lor și algoritmul matematic folosit la realizarea funcției respective,

Referințe pentru interefețe externe și API prezintă acele funcții folosite de către programul MATLAB la realizarea interfețelor externe și asigură informații despre sintaxa acestor funcții, limbajul prin care au fost descrise, descrierea, argumentele, valorile returnate și exemple de utilizare.

Prezentarea extensiei SIMULINK

SIMULINK este o extensie a aplicației MATLAB, în care pot fi regăsite elemente pentru modelarea, simularea și analizarea sistemelor dinamice. Pot fi simulate atât sisteme liniare cât și neliniare, modelate în timp continuu sau discret sau o combinație a celor două. Sistemele pot avea porțiuni eșantionate cu frecvențe de eșantionare diferite.

Pentru modelarea de sistem este furnizată o interfață grafică intuitivă și foarte ușor de utilizat. Blocurile sunt plasate și interconectate cu ajutorul mouse-ului ceea ce reprezintă un foarte mare avantaj (față de scrierea directă a ecuațiilor diferențiale ce definesc un sistem).

SIMULINK oferă o colecție foarte mare de blocuri printre care menționăm:

generatoare de semnal;

instrumente de vizualizare;

blocuri care realizează funcții matematice;

componente liniare și neliniare, etc.

Setul de blocuri furnizat poate fi extins oricând cu noi blocuri – este furnizată documentație completă despre felul cum se poate crea un nou bloc. Mai multe blocuri pot fi grupate oricând într-un bloc nou, oferind astfel posibilități extinse de analiză la un nivel superior de organizare. După definirea unui model nou, simularea se poate efectua atât în mod grafic cât și cu ajutorul interpreterului.

Cele două instrumente sunt legate unul de celălalt și astfel se poate opta pentru oricare dintre ele. În continuare vom folosi exclusiv modul grafic pentru simplitatea utilizării și datorită faptului că se evită scrierea de cod (consumator de timp și o potențială sursă de erori).

Pentru lansarea programului Simulink se tastează în mediul Matlab comanda:

simulink

Fereastra care se deschide conține toate blocurile disponibile grupate pe categorii.

În figura 19 este prezentată fereastra SIMULINK care se deschide în urma tastării comenzii “simulink”.

În partea superioară a figurii sunt marcate iconițele care se pot apăsa pentru crearea unui document nou sau pentru deschiderea unui fișier ce conține o schemă deja realizată.

Partea centrală a ferestrei este ocupată de componentele propriu-zise organizate în grupuri.

Figura 19. Fereastra SIMULINK.

Realizarea modelului invertorului monofazat cu forma de undă a tensiunii de ieșire, sinusoidală modificată, în aplicația MATLAB/ SIMULINK

În marea lor majoritate, invertoarele monofazate alimentate de la surse de curent continuu de joasă tensiune (12V, 24 sau 48V), utilizează un convertor DC/DC pentru alimentarea invertorului. Convertorul DC/DC are rolul de a ridica tensiunea continuă de valoare mică într-o tensiune continuă suficient de mare pentru ca la ieșirea invertorului să se obțină tensiunea alternativă cerută de consumator (în marea majoritate a cazurilor, această tensiune alternativă are valoarea efectivă de 240V).

Utilizarea convertorului DC/DC prezintă avantajul esențial că necesită un transformator ridicător care funcționează la frecvențe mult mai mari decât frecvență industrială (50Hz). La aceeași putere nominală, un transformator va avea dimensiuni de gabarit și un înmarea majoritate a cazurilor un preț de cost cu atât mai mici, cu cât frecvența sa nominală are valoarea mai mare. Uzual, pentru invertoarele de peste 1000kW, frecvența la care lucrează transformatoarele ce intră în componență convertoarelor DC/DC este cuprinsă între 50kHz și 100kHz.

Schema bloc a invertorului de 1000kVA al cărui model va fi prezebrat în cele ce urmează, este prezentată în figura 20.

Figura 20. Schema bloc a invertorului de 1000kVA modelat Matlab/Simulink.

Conform schemei de mai sus, invertorul “Invertor 1”, este alimentat cu impulsuri dreptunghiulare de la blocul “Oscilator 1”, proiectat să funcționeze la o frecvență de 1kHz. Față de frecvențele uzuale utilizate în practică, acestă frecvență este mult mai mică. S-a apelat la această valoare din considerente impuse de condițiile de simulare. La o frecvență de cincizeci de ori mai mare, pasul incremental de calcul va fi și el de cincizeci de ori mai mic, ceea ce conduce la un timp mult mai mare de simulare, deoarece punctele de calcul a parametrilor circuitului cresc invers proporțional cu valoarea pasului incremental. Frecvența acestui ocilator, care impune dimensiunile și prețul transformatorului ridicător de tensiune ce constituie sarcina primului invertor și valoarea condensatorului de filtrare C3 nu prezintă o importanță deosebită. Acest parametru este cu adevărat important când se realizează practic invertorul monofazat.

Circuitul “Oscilator 1”, generează impulsuri dreptunghiulare decalate între ele la π radiani electrici. Cu aceste impusuri dreptunghiulare cu un factor de umplre de 95%, sunt comandate în bază tranzistoarele IGBT_5 și IGBT_6, care constituie contactoarele statice ale acestui invertor. Primarul transformatorului este prevăzut cu o priză mediană și modul de conectare al contactoarelor statice la cele două semiînfășurări, face ca o semiperioadă în care conduce IGBT_5, curentul să străbată semiînfășurarea de sus, iar în cealaltă semiperioadă în care conduce IGBT_6, curentul să circule prin semiînfășurarea de jos. În acest fel, în secundarul treansformatorului „TR ridicător” se va obține o tensiune alternativă dar nesinusoidală, a cărei valoare va fi impusă de raportul de transformare al transformatorului.

Secundarul transformatorului alimentează un redresor bialternanță “R”. Acesta redresează tensiunea alternativă primită de la transformator și o filtrază cu condensatorul C3. Această tensiune continuă, de valoare mult mai mare decât tensiunea bateriei ce alimentează primul invertor, constituie tensiunea de alimentare pentru al doilea invertor (“Invertor 2”). Bateria de alimentare cu tensiune continuă de mică valoare, circuitul “Oscilator 1” primul invertor constituit din IGBT_5 și IGBT_6, transformatorul ridicător de tensiune, puntre redresoare (“R”) și condensatorul de filtrare C3, constituie convertorul CC/CC (DC/DC), cu rolul de a transforma tensiunea continuă de mică valoare a bateriei, în tensiune continuă de valoare ridicată, care alimentează invertorul în punte “Invertor 2”.

Contactoarele statice IGBT_1, IGBT_4, IGBT_3 și IGBT_2, sunt comandate prin impulsuri generate de circuitul “Oscilator 2 50Hz”. Acest circuit are aceeași structură cu circuitul “Oscilator 2 1kHz”.

Figura 21. Modelul Simulink al invertorului din figura 20.

Deosebirea dintre cele două oscilatoare constă numai în frecvența și factorul de umplere al semnalelor dreptunghiulare de comandă. Circuitul oscilator pe 50Hz, generează impulsiri dreptunghiulare cu un factor de umplere de 60%, pentru a obține la ieșirea invertorului o tensiune cu o formă de undă sinusoidală modificată.

În figura 21 este prezentat modelul Simulink al invertorului prezentat mai sus. Față de schema din figura 20, modelul conține la ieșire un filtru necesar modificării formei de undă a tensiunii, în scopul apropierii cât mai mult posibil a acestuia de o sinusoidă. Un invertor monofazat cu tensiune sinusoidală are o arie de aplicații mai largă decăt un invertor cu tensiunea de ieșire sinusoidală modificată. Configurația blocului “Oscilator 1, 1kHz”, denumit în modelul Simulink “Oscilator _înaltă frecvență se poate urmări în figura de mai jos.

Figura 22. Modelul Simulink al blocului “Oscilator_înaltă frecvență”.

Modelul conține două generatoare sinusoidale “S1_1” și “S1_2”, ambele cu frecvența de 1kHz și amplitudinea de 1V. Tensiunile generate de cele două generatoare sunt defazate între ele cu π radiani electrici, în scopul obținerii celor două impulsuri de comandă dreptunghiulare: unul pentru comanda contactorului IGBT_5, iar celălalt pentru comanda contactorului IGBT_6. Semnalele sinusoidale sunt transformate în semnale dreptunghiulare prin utilizarea blocurilor “Comp1_1” și “Comp1_2”, în combinație cu blocul “Constant”. Acesta, impune prin cavoarea alocată, mărimea factorului de umplere al semnalului dreptunghiular. În cazul de față, s-a stabilit un factor de umplere de aproximativ 95%.

Dacă factorul de umplere ar fi 100%, ambele contactoare statice ar comuta în același moment. Acest fapt ar putea conduce în special în cazul sarcinilor cu caracter inductiv, la situația în care ambele contactoare s-ar afle în conducție, deci sursa de alimentare ar fi pusă în scurtcircuit. Pentru a elimina cu certirudine posibilitatea apariției scurtcircuitului, între semnalele de comandă ale contactoarelor se asigură un interval de timp în care ambele semnale de comandă sunt în starea zero, ceea ce trebuie să conducă la închiderea blocarea ambelor contactoare.

Figura 23. Impulsurile de comandă aferente contactoarelor

IGBT_5 (albastru) și IGBT_6 (verde).

Blocurile funcționale “Imp1” și “Imp2” constituie circuite de interfațare Simulink – SimPowerSystems [4], iar “V_1” și V_2” sunt circuite de măsură ale tensiunii, circuite care permit vizualizarea formelor de undă ale tensiunilor (cu ajutorul osciloscopului) și măsurarea valorilor medii, eficace sau instantanee ale acestora prin diferite blocuri de măsură oferite de mediul Simulink împreună cu pachetul său de dezvoltare SimPowerSystems.

Prin aplicarea impulsurilor de comandă generate de “Oscilator_înaltă frecvență”, contactoarelor IGBT_5 și IGBT_6, într-o semiperioadă curentul va circula prin semiînfășurarea primară 2 a transformatorului ridicător de tensiune, iar în următoarea semiperioadă, curentul va circula prin semiînfășurarea primară 3 a aceluiași transformator. În semiperioada în care contactorul IGBT_5 primește semnalul de deschidere, la bornele semiînfășurării primare 2 se aplică tensiunea de alimentare de 12V, care generează curentul prin semiînfășurarea respectivă, iar în următoarea semiperioadă fenomenul se repetă prin comandarea contactorului IGBT_6, conectat la semiînfășurarea primară 3.

Forma de undă a tensiunii la bornele unei semiînfășurări primare este prezentată în figura de mai jos.

Figura 24. Tensiunea la bornele semiînfășurărilor primare.

Figura 25. Tensiunea la bornele înfășurării secundare a transformatorului.

Formele tensiunilor prezentate în figurile 25 și 25 au fost vizualizate în model pe ociloscoapele virtuale “V_t1” și “V_out”.

Tensiunea alternativă obținută la ieșirea transformatorului ridicător de tensiune, este redresată de puntea monofazată “Redresor bialternanță” și filtrată cu condensatorul C3. Se obține la ieșirea punții redresoare o tensiune continuă de aproximativ 340V, mult mai mare decât tensiunea de alimentare de 12V. Evoluția în timp a tensiunii de la ieșirea punții redresoare, vizualizată cu osciloscopul “Vcc” este prezentată în figura 26.

Figura 26. Tensiunea filtrată de la irșirea redresorului bialternanță.

Examinând evoluția în timp a tensiunii filtrate de la ieșirea redresorului, se constată că valoarea finală a tensiunii (340V) nu se stabilește instanteneu. Aceast fenomen se explică prin aceea că la bornele unui condensator, tensiunea continuă aplicată crește exponențial în timp după momentul aplicării tensiunii la bornele acestuia. În cazul de față, existență condensatorului de filtrare C3 face ca în intervalul 0sec – 0,1sec, tensiunea de bornele punții redresoare să crească exponențial în timp.

Forma tensiunii de ieșire a redresorului prezentată în figura 6 a fost vizualizată cu ajutorul osciloscopului “Vcc”, iar afișorul “Valoare Vcc_inalta”, indică valoarea tensiunii. Această tensiune constituie tensiunea de ieșire a convertorului CC/CC, care transformă tensiunea de alimentare continuă de 12V,într-o tensiune continuă de 340V, care va alimenta invertorul în punte compus din contactoarele IGBT_1, IGBT_2, IGBT_3 și IGBT_4, după cum se poate observa în figura 21.

Semnalele de comandă pentru aceste contactoare sunt generate de oscilatorul cu frecvență de 50Hz “Oscilator_50Hz”. Structura acestui bloc este identică cu structura oscilatorului pe 1000Hz prezentat în figura 23. Singura deosebire constă în faptul că în acest caz, factorul de umplere este de 60%, în scopul asigurării unei forme de undă sinusoidală modificată la ieșirea invertorului. Forma acestor impulsuri de comandă este prezentată în figura 27.

Figura 27. Impulsurile de comandă aferente contactoarelor

IGBT_1 și IGBT_4 (portocaliu) și IGBT_2 și IGBT_3(mov).

Impulsurile de comadă aplicate contactoarelor pereche conform figurii 21, care sunt alimentate cu tensiunea continuă de 340V, vor genera la ieșirea invertorului o tensiune alternativă de forma celei prezentate în figura 28. După cum este demonstrat în literatura de specialitate [5], [6], o formă de undă dreptunghiulară are un conținut de mare de armonici de ordin superior decât o formă de undă de forma celei prezentate în figura 28, denumită în teoria invertoarelor “undă sinusoidală modificată”. Conținutul și amplitudinea armonicilor de ordin superior se pot modifica într-o oarecare măsură prin modificarea factorului de umplere al semnalelor care comandă contactoarele statice din componența invertorului. Trebuie însă menționat și faptul că prin modificarea factorului de umplere, se modifică implicit și valoarea efectivă atensiunii de ieșire. Din acest motiv, este necesară cunoașterea specificului aplicației în care va lucra invertorul, pentru a alege soluția optimă între forma de undă și valoarea eficace a tensiunii de ieșire.

Figura 28. Tensiunea „sinusoidală modificată” de la ieșirea invertorului.

Cu toare că sfera de aplicabilitate a invertoarelor cu formă de undă sinusoidală modificată este mai largă decât a invertoarelor cu formă de undă dreptunghiulară, pentru aplicațiile care necesită o formă de undă sinusoidală sau foarte aproape de aceasta, la ieșirea invertorului se utilizează filtre denumite “filtre de sinusoidalizare”. Configurațiile acestor filtre sunt diverse și depind de forma tensiunii de la ieșire, de natura și valoarea sarcinii conectate la bornele invertorului.

În modelul din figura 21, filtrul de la ieșire este format din inductanțele L1 și L2 conectate în serie cu sarcina și capacitățile C1 și C2 conectate în paralel cu aceasta. Valorile inductanțelor sunt: L1 = 1,2mH, L2 = 40mH, iar valorile capacităților sunt: C1 = 100nF, C2 = 0,56µF. valorile acestor elemente pasive au fost stabilite după criteiul obținerii unui tensiuni cu forma de undă cât mai apropiată de o sinusoidă în condițiile în care sarcina are caracter activ – inductiv, iar valoarea ei face ca invertorul să funcționeze la puterea sa nominală (1kW).

În figura 29, se prezintă forma de undă a tensiunii de la ieșirea filtrului.

Figura 29. Tensiunea de la ieșirea filtrului.

Figura 30 ilustrază evoluția în timp a curentului de sarcină, pentru o sarcină activ – inductivă de 50Ω și 1mH.

Figura 30. Curentul de sarcină.

Vizualizarea tensiunii de la bornele sarcinii și a curentului de sarcină a fost frealizată în model pe osciloscopul virtual cu două spoturi “Scope” prin imtermediul blocurilor de măsură “V sarcina” și “I_sarcina”.

Prin configurarea modelului și stabilirea valorilor parametrilor electrici pentru semnalele ce se dorește a fi obținute (impulsuri de comandă, tensiuni, curenți), se determină în principal parametrii componentelor active și pasive care alcătuiesc configurația modelată. În plus, pentru o configurație a stabilită a circuitului care se modelează, se pot studia prin vizualizarea formelor de undă și a amplitudinii acestora, diferite regimuri de funcționare în diferite condiții de funcționare (sarcină variabilă, natură a sarcinii variabilă, parametri diferiți ai diferitelor componente active sau pasive).

Se poate afirma că procesul de modelare, urmat de cel de simulare a circuitului ce trebuie proiectat și realizat, constituie un mijloc ieficient și relativ ieftin de a se obțibe o soluție de proiectare cât mai bună. Este însă evident că veridicitatea procesului de modelare și simulare nu poate fi stabilită decât prin încercările în diferite condiții de funcționare la care este supus prototipul realizat.

Capitolul 4 – PREZENTARE INVERTOR 1000W

Scheme electronice

Circuitele imprimate

Capitolul 5 – CONCLUZII

Scheme electronice

BIBLIOGRAFIE

[1]. Jim Doucet, Dan Eggleston, Jeremy Shaw, “DC/AC Pure sine wave inverter”, MQP Terms A-B-C, 2006-2007.

[2]. Robert W. Erickson, Dragan Maksimović, “Fundamentals of Power Electronics”, Kluwer Academic Publishers New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, 2004.

[3]. Bijoyprakash Majhi, “Analysis of Single-Phase SPWM Inverter”, Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, Rourkela, mai, 2012.

[4]. ***, Documentație Matlab/Simulink.

[5] Arpad Kelemen, Maria Imecs, “Mutatoare”, Editura didactică și pedagogică, București, 1978.

[6]. Dimitrie Alexa, Dan Micu, “Invertoare și redresoare cu parametri energetici ridicați”, Editura Tehnică, București, 1986.

BIBLIOGRAFIE

[1]. Jim Doucet, Dan Eggleston, Jeremy Shaw, “DC/AC Pure sine wave inverter”, MQP Terms A-B-C, 2006-2007.

[2]. Robert W. Erickson, Dragan Maksimović, “Fundamentals of Power Electronics”, Kluwer Academic Publishers New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, 2004.

[3]. Bijoyprakash Majhi, “Analysis of Single-Phase SPWM Inverter”, Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, Rourkela, mai, 2012.

[4]. ***, Documentație Matlab/Simulink.

[5] Arpad Kelemen, Maria Imecs, “Mutatoare”, Editura didactică și pedagogică, București, 1978.

[6]. Dimitrie Alexa, Dan Micu, “Invertoare și redresoare cu parametri energetici ridicați”, Editura Tehnică, București, 1986.