ШИР с не зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения.

Независимость от параметров нагрузки формы кривой выходного напряжения и сохранение в ней требуемой при регулировании паузы β достигаются, если не интервалах β обеспечить одновременную проводимость двух тиристоров, относящихся к общей группе, катодной или анодной инверторного моста: VS1 и VS3 или VS2 и VS4. При этом на указанных интервалах нагрузка замыкается накоротко через шину "+" или "-" источника и U_н=0.

Режиму управления соответствует длительность интервала проводимости каждого тиристора ψ = 180°. Тиристоры переключаются в той же последовательности, что и в нерегулируемом инверторе. Отличие лишь в том, что создаётся фазовый сдвиг на угол α в последовательности переключения тиристоров обоих полумостов VS1, VS4 и VS2, VS3.

Тем самым на интервале β= ψ- α осуществляется одновременная проводимость то тиристоров VS2, VS4 – интервал υ₂-υ₃, то тиристоров VS1, VS3 – интервал υ₅-υ₆. Интервал β определяет паузу в кривой выходного напряжения. Интервал α характеризуется открытым состоянием одной из пар накрест лежащих тиристоров и определяет длительность импульсов в кривой выходного напряжения.

Характер происходящих в инверторе процессов отличается от рассмотренных режимов лишь на интервале β. Здесь процессы обусловлены замыканием тока нагрузки через оставшиеся в проводящем состоянии тиристор и диод, подключённые к общей питающей шине и образующие для нагрузки короткозамкнутый контур. Так на интервале υ₂- υ₃ ток проводят VS4 и VD2, на интервале υ₅-υ₆ – VS1 и VD3.

АИН при рассматриваемой форме кривой выходного напряжения позволяет осуществить его регулирование от нуля до максимума изменением угла α от 0 до 180°.

На рис. 5.6 приведены кривые, характеризующие относительный состав по гармоникам – первой, третьей и пятой, выходного напряжения на инверторе при регулировании. Изменение амплитуд гармонических составляющих подчинятся формуле:

U_mν= sin /2, (5.2)

где ν = 1,3,5,7,9… - номера гармоник.

Как видно из рисунка 5.6 в кривой U_н(t) при регулировании имеется довольно значительное содержание третьей гармоники, хуже всего поддающейся фильтрации. Для улучшения гармонического состава целесообразно переходить к ШИР с числом импульсов на протяжении периода k>2. Для получения формы кривой с k>2 интервал ψ = 180° разбивают на k/2 интервалов, в которых производят переключение используемых в инверторе ключевых элементов: тиристоров или транзисторов. При этом угол α изменяется в диапазоне от 0 до 2/k · 180°. На рисунке 5.7 приведены характеристики, показывающие гармонический состав U_н при регулировании для k=8.

Формирование кривой выходного напряжения инвертора с уменьшенным содержанием гармонических.

Содержание гармонических может быть существенно снижено при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой кривая U_н(t) формируется в виде импульсов, промодулированных по синусоидальному закону (рисунок 5.8).

Применение ШИМ обеспечивает преимущественное содержание в кривой U_н(t) основной гармоники и минимальное содержание высших гармонических с близкими к основной гармонике частотами (3,5,7), хотя гармоники с более высокими частотами могут быть значительны. Но эти гармоники легко фильтруются, с помощью простейших фильтров, устанавливаемых перед нагрузкой. Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением ширины выходных импульсов (глубины модуляции). Кривая U_н(t), рисунок 5.8 характеризует однополярную ШИМ, т.к. выходные импульсы в течение полупериода имеют одинаковую полярность.

Применяется такая двухполярная ШИМ, при которой вместо пауз в кривой U_н(t) содержатся импульсы противоположной полярности (рисунок 5.9). Поскольку этот метод обеспечивает исключение некоторых, в частности, наиболее низших гармоник, его называют методом избирательного исключения гармонических.

Метод основывается на задании фиксированных углов γ₁ и γ₂ переключения тиристоров в инверторе. При γ₁=23,62° и γ₂=33,3° в кривой U_н(t) отсутствуют 3-я и 5-я гармоники. При γ₁=16,25° и γ₂=22,07° - отсутствуют 5-я и 7-я гармоники. Регулирование выходного напряжения можно производить либо по цепи питания, либо с помощью самого инвертора путём изменения фазового сдвига сигналов управления одной пары тиристоров полумоста относительно сигналов управления другой пары при переключении тиристоров в каждом полумосте с указанными значениями углов γ.

5.2. Способы формирования и регулирования выходного напряжения трёхфазных АИН.

Трёхфазные АИН выполняют по мостовой схеме, состоящей из шести тиристоров VS1÷ VS6 и шести диодов VD1÷ VD6 (рисунок 5.10). Диоды включены встречно – параллельно и выполняют ту же функцию, что и диоды в однофазной схеме. Нагрузка активно-индуктивного характера включена звездой или треугольником – на рисунок 5.10 – звездой. Коммутационные узлы на рисунке не показаны. При рассмотрении кривой выходного напряжения все вентили считаем идеальными ключами. Трёхфазные инверторы допускают те же самые способы формирования U_н(t) как и однофазные. Будем рассматривать наиболее распространённые на практике способы формирования U_н(t): при неизменной длительности проводимости тиристоров ψ = 180° и широтно-импульсный способ.

5.2.1. Способ формирования и регулирования кривой выходного напряжения при неизменной длительности проводимости тиристоров ψ = 180°.

Каждый тиристор проводит ток в течение ψ = 180°. Последовательность вступления тиристоров в работу соответствует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге в 60°. Тиристоры, относящиеся к одной фазе, например VS1 и VS4 не могут быть открыты одновременно. При рассматриваемом алгоритме переключения исключается также одновременное закрытое состояние тиристоров одной фазы. В любой момент времени проводят три тиристора, два из которых относятся к какой-либо одной катодной или анодной группе, а один – к другой соответственно анодной или катодной группе, т.е. 123, 234, 345, 456 и т.д.

Рассмотрим кривые линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA и фазных напряжений U_AO, U_BO, U_CO (рисунок 5.11).

Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой Е чередующейся полярности длительностью в 120°, разделённых паузой в 60°. Напряжения U_AB, U_BC, U_CA сдвинуты по фазе на 120°. Импульсы напряжения с амплитудой Е положительной или отрицательной полярности создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение. Так, например, в кривой U_AB импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых VS3 и VS4, а отрицательной полярности – при открытых VS1 и VS6. Интервалам паузы в кривых линейных напряжений соответствует открытое состояние тиристоров общей анодной или катодной группы двух фаз, формирующих линейное напряжение. Интервалы паузы в кривой U_AB характеризуются одновременно открытыми VS1, VS3 или VS4, VS6.

Фазные напряжения имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1/3 Е и 2/3 Е. Это определяется тем, что в любой момент времени открыты три тиристора, подключающие нагрузки Z_A, Z_B, Z_C на напряжение Е таким образом, что две из них, например, Z_A и Z_C на интервале 0-60° включены параллельно между собой и последовательно с третьей Z_B. Поэтому в условиях равенства сопротивлений Z_A= Z_B= Z_C при симметричной нагрузке, напряжения фаз, подключённых параллельно равны 1/3 Е, а напряжение фазы, включённой последовательно, равно 2/3 Е. Фазные напряжения также сдвинуты на 120°.

Форма кривой выходного напряжения является удовлетворительной для работы ряда нагрузок, в частности для питания асинхронных двигателей. В кривой выходного напряжения отсутствуют чётные гармоники и гармоники кратные трём. Низшими являются 5 и 7-я гармоники. Характер распределения амплитуд гармоник в линейном напряжении подчиняется зависимости U_лmν= , а в фазном U_фmν= .

Амплитуда первой гармоники U_лm(1)= ; U_фm(1)=2/π Е = 0,64Е, а действующее значение напряжения U_л(1)= ; U_ф(1)= .

Амплитуды 5-ой и 7-ой гармоник соответственно равны 20% и 14,3% от амплитуды первой гармоники.

Регулирование выходного напряжения инвертора производят по цепи питания, например, применением на входе инвертора управляемого выпрямителя или ИППН.