Курсовая №4251 Компьютерное моделирование в электроэнергетике

Оглавление
Введение 3
Глава 1. Общие сведения о биполярном транзисторе с изолированным затвором 4
1.1 История изобретения БТИЗ 4
1.2 Общие сведения о БТИЗ 5
1.3 Конструкция и принцип действия БТИЗ 5
1.4 Сферы применения БТИЗ в электроэнергетике 7
Глава 2. Компьютерная модель на основе биполярного транзистора с изолированным затвором 8
2.1 Описание модели 8
2.2 Используемые средства MATLAB Simulink 9
2.3 Построение компьютерной модели 12
Заключение 14
Список литературы 15

_________________________________________________________________

Работа № 4251. Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы.

Цена оригинала 1000 рублей. Оформлен в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты

_________________________________________________________________

Введение
Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ – это полупроводниковый элемент применяемый в схемах усиления преобразования и генерирования электрических сигналов. Транзисторы широко используются как в аналоговых схемах так и в цифровой электронике. Практически любая интегральная микросхема «прячет» в своем корпусе несколько транзисторов.[2]
Цель работы создать компьютерную модель на основе биполярного транзистора с изолированным затвором с помощью пакета MATLAB.
Задачи
1. Ознакомиться с общими сведениями о БТИЗ.
2. Изучить и описать процесс создания модели в пакете MATLAB Simulink.
3. Построить компьютерную модель на основе БТИЗ.
Предмет исследования модель понижающего однотактного преобразователя на основе биполярного транзистора с изолированным затвором.
Актуальность работы компьютерное моделирование представляет теоретический и практический интересы. С его помощью можно приблизительно дать оценку поведения той или иной системы изучить сложные системы получить новые свойства предмета и т.д. Содержание моей курсовой работы направлено на изучение общих сведений БТИЗ его применения в электроэнергетике изучение существующих схем с использованием данного транзистора и на основе полученного материала построить компьютерную модель.

Глава 1. Общие сведения о биполярном транзисторе с изолированным затвором
1.1 История изобретения БТИЗ

В 1973 году впервые появились мощные полевые транзисторы а позже была предложена схема составного транзистора которая управлялась биполярным транзистором при помощи полевого транзистора с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа. [3]
В 1985 году был изобретен и представлен биполярный транзистор с изолированным затвором. Он отличался плоской структурой. Также диапазон рабочих напряжений стал больше. Вследствие этого при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости как у биполярного транзистора а управление осуществляется за счет напряжения. [3]
Первое поколение устройств имело ряд недостатков переключение происходило медленно надежность была не высока. Второе поколение появилось в 90-х годах а третье поколение выпускается и настоящее время по сравнению с предыдущими поколениями они имеют высокое сопротивление на входе управляемая мощность отличается низким уровнем а во включенном состоянии остаточное напряжение имеет низкие показатели.[3]
1.2 Общие сведения о БТИЗ
Биполярный транзистор с изолированным затвором трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре биполярный образующий силовой канал и полевой образующий канал управления.[2]
К достоинствам стоит отнести возможность коммутации токов в тысячи ампер и допустимость прикладывания постоянного напряжения коллектор-эмиттер в несколько киловольт к запертому транзистору.[1]
Так же у него есть и свои недостатки. Даже наименее инерционные БТИЗ предназначены для функционирования на много более низкой частоте нежели полевые транзисторы причем чем выше частота тем ниже максимально допустимая амплитуда тока коллектора транзистора.[1]
1.3 Конструкция и принцип действия БТИЗ
Рис. 1. Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения.
Из рисунка видно что на металлическом основании к которому присоединён вывод коллектора К расположена подложка p+ а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n+-слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры. Более удалённый от подложки n–-слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p+ играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора область n–-слоя – его базы а область p-типа к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ – его коллектора. Над n–-слоем расположена p-область которая выполняет функцию канала управляющего металл-оксид-полупроводника или по-другому МОП-транзистора затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида кремния SiO2. В этой канальной p-области размещены n+-зоны которые выступают в качестве стока МОП-транзистора а его истоком служит n–-область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.[1]
Если на затвор БТИЗ относительно эмиттера подать напряжение положительной полярности отпирающее компонент то это приведёт вначале к открыванию под воздействием электрического поля структуры МОП-транзистора и инжекции электронов в её канал. В результате возникает инжекция носителей заряда в n–-слой служащий базой структуры биполярного p-n-p транзистора которая переходит в состояние насыщения. Таким образом вначале происходит отпирание структуры МОП-транзистора а лишь затем структуры биполярного p-n-p транзистора. Сопротивление коллектор-эмиттер открытого БТИЗ имеет очень малую величину а по выводу коллектора компонента течёт ток нагрузки.[1]
Если убрать поданное ранее отпирающее напряжение на выводы затвор-эмиттер БТИЗ то канал в структуре МОП-транзистора исчезает в n–-слое происходит снижение концентрации носителей зарядов ввиду рекомбинации. Рекомбинация – процесс не мгновенный пока она идет транзистор не закрыт. Лишь по завершении рекомбинации БТИЗ переходит в состояние отсечки.[1]

1.4 Сферы применения БТИЗ в электроэнергетике
Важнейшими элементами устро¬й¬ств силовой электроники являются полупроводниковые ключи. Применение полностью управляемых ключей позволяет в большинстве случаев значительно упростить схемотехнику преобразователей и улучшить их технико-экономические характеристики.[4]
Их стали активно применять в устройствах сварочного тока в управлении мощными электроприводами на железнодорожном транспорте в электролокомотивах и современных трамваях и троллейбусах.[5]
Применение БТИЗ в системах управления тяговыми двигателями позволяет обеспечить высокий коэффициент полезного действия КПД высокую плавность хода машины и возможность применения торможения практически на любой скорости. Так же применяются при работе с высокими напряжениями более 1000 Вт высокой температурой более 100 °C и высокой выходной мощностью более 5 кВт. Используются в источниках бесперебойного питания и сварочных аппаратах.[2]
Стоит заметить что БТИЗ используется в альтернативной энергетике точнее речь идет о преобразователях солнечной энергии высокой мощности от 3 КВт и выше низковольтных асинхронных электроприводах которые используются в промышленности нефтегазодобывающей отрасли коммунальном хозяйстве.
Глава 2. Компьютерная модель на основе биполярного транзистора с изолированным затвором
2.1 Описание модели
Модель представляет собой понижающий однотактный преобразователь на основе БТИЗ с LC-сглаживающим фильтром и R-нагрузкой.
Параметры данной модели входное и выходное напряжения 12 В и 6 В сопротивление 2 Ом амплитуда переменной составляющей напряжения на нагрузке до 1 60 мВ частота работы ключа 100 Гц.
Работа преобразователя происходит следующим образом. При включении транзистора питающее напряжение подается на вход сглаживающего фильтра элементы которого запасают энергию. После отключения транзистора напряжение на индуктивности L изменяет полярность а ток сохраняет свое направление что вызывает включение обратного диода образующего цепь для протекания тока индуктивности через нагрузку R. [7]
У импульсного напряжения поступающего на фильтр при сглаживании выделяется среднее значение на нагрузке зависящее от соотношения времени открытого состояния транзистора и периода коммутации коэффициента заполнения импульсов или их относительной длительности. За счет регулирования коэффициента заполнения импульсов осуществляется стабилизация выходного напряжения при воздействии возмущающих факторов — питающего напряжения и тока нагрузки. [7]
2.2 Используемые средства MATLAB Simulink
Для построения модели в пакете MATLAB первое что нужно сделать это запустить графическую среду имитационного моделирования Simulink. В окне Command Window рис. 3 вводим для этого команду simulink после чего открывается окно рис. 4 Simulink Library Browser.
Рис. 3. Окно ввода команд Command Window
Рис. 4. Окно библиотеки Simulink
Для создания нового проекта нажимаем по значку в форме чистого листика «Create a new model» и перед нами появляется новое окно Untitled рис. 5 на котором мы и будем создавать нашу модель.
Рис. 5. Окно создания модели
Процесс создания модели заключается в том что на данное полотно мы с помощью перетягивания выносим нужные нам элементы из библиотеки Simulink. Следующим шагом идет соединение элементов настройка их параметров и самого процесса моделирования время моделирования минимальный и максимальный интервалы времени и т.д.. После настройки модели и подбора оптимальных параметров моделирования запускается модель с помощью нажатия кнопки «Start simulation» на панели инструментов. Если параметры выбраны верно то после запуска модели никаких ошибок программа нам не выдаст и мы сможем посмотреть результат но если что-то будет неверно сделано настройка времени параметры отдельных элементов и т.д. мы увидим сообщение в отдельном окне ошибку с ее описанием.
Для создания нашей модели были использованы следующие компоненты так же приведены окна настройки отдельных элементов
• источник питания DC Voltage
• генератор прямоугольных импульсов Pulse Generator
• LC-фильтр
• IGBT-транзистор БТИЗ транзистор
• Voltage Measurument
• R-нагрузка
• входящие и выходящие заземления Ground
• обратный диод Diode
• демультиплексоры Demux
• осциллографы Scope и Scope1 первый оснащен двумя входами.
В «чистом виде» LC-фильтра и нагрузки R нету. Для этого добавляется элемент Series RLC Branch. Для исключения одного или более элементов и его цепи мы просто задаем нужные нам значения
• Resistance R Ohms [Сопротивление Ом]. Величина активного сопротивления. Для исключения резистора из цепи значение сопротивления нужно задать равным нулю. В этом случае на пиктограмме блока резистор отображаться не будет.[8]
• Inductance L H [Индуктивность Гн]. Величина индуктивности. Для исключения индуктивности из цепи ее величину нужно задать равным нулю. В этом случае на пиктограмме блока индуктивность отображаться не будет.[8]
• Capacitance C F [Емкость Ф]. Величина емкости. Для исключения конденсатора из цепи значение емкости нужно задать равной inf бесконечность. В этом случае конденсатор на пиктограмме блока показан не будет.[8]
2.3 Построение компьютерной модели
Первое что мы делаем это переносим все необходимые элементы на наше полотно соединяем их и задаем значения параметров для отдельных элементов.
Питающее напряжение на источнике постоянного тока задаем равным 12 В сопротивление на R-нагрузке равным 2 Ом.
Параметры транзисторного ключа IGBT и генератора прямоугольных импульсов представлены на рис. 6а и рис. 6б. Также значения параметров индуктивности L= 0015 Гн и емкости С= 002 Ф обеспечили требуемую величину пульсаций выходного напряжения. Время моделирования задано 03 с.[7]
Рис. 6а и 6б. Значения параметров БТИЗ транзистора и генератора прямоугольных импульсов.
Схема компьютерной модели понижающего однотактного преобразователя на основе БТИЗ представлена на рис. 7.
Рис 7. Компьютерная модель на основе БТИЗ-транзисторе
После запуска модели двойным щелчком левой кнопки мыши нажимаем по осциллографам Scope и Scope1. Теперь мы можем посмотреть диаграммы выходных напряжений рис 8. и сравнив с имеющимися диаграммами можно судить о корректности построения модели.
Рис 8. Диаграммы выходных напряжений на осциллографах Scope и Scope1.
Заключение
Подводя итоги моей курсовой работы можно сказать что поставленные мною цель и задачи были в полной мере выполнены. Вполне лаконично были рассмотрены основные сведения о биполярном транзисторе с изолированным затвором. Было изложено пошаговое построение модели в пакете MATLAB Simulink а так же приведен пример одной из них на основе изучаемого транзистора.
Стоить отметить что были и сложности в выполнении данной курсовой работы. Без практических знаний о том как работать в данной среде имитационного моделирования как настраивать те или иные элементы электротехники и без знания принципа работы тех же элементов крайне сложно выполнять сам процесс моделирования. К счастью существует множество ресурсов в которых понятно и просто описаны нужные нам сведенья вследствие чего некоторыми из них в частности по большей степени интернет-ресурсы я пользовался в написании моей курсовой работы.
Список литературы
1. Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. –3-е изд. перераб. и доп. Таганрог 204с. ил.
Интернет ресурсы