Однофазний мостовий інвертор напруги

Найбільш простий алгоритм роботи ключів комутатора полягає в тому, що вони вмикаються попарно по черзі: 1 і 4 та 2 і 3, що забезпечує перетворення постійної вхідної напруги у змінну без регулювання її значення. У подальшому називаємо інвертор з таким алгоритмом роботи ключів нерегульованим. Діаграми, які пояснюють режим роботи нерегульованого інвертора, наведені на рис. 4.4, б-ж. На рис. 4.4, б показана вхідна напруга, а далі решта величин в режимі, коли навантаження споживає енергію (рис. 4.4, в-г) та віддає її (рис. 4.4, д-е).

У перший півперіод ввімкнені ключі 1, 4, і вони подають вхідну напругу u_ж на вихід з полярністю, яка позначена на рис. 4.4, а без дужок, а в другий – ключі 2, 3, що приводить до переми-кання вихідного кола віднос-но вхідного та зміни полярності напруги. Таким чином, на виході комутатора формується змінна напруга пря-мокутної форми – меандр (рис. 4.4, в). Для двигунного навантаження корисною є основна – перша гармоніка цієї напруги, а решта спричиняє тільки додатковий нагрів електроустаткування та перешкоди системам керування. Тому потрібен вихідний фільтр. Фільтр найкраще виконує свою функцію, якщо його опір – нульовий для основної гармоніки та нескінченний – для усіх вищих. Якщо є такий фільтр, то перша гармоніка цілком проходить до навантаження, а вищі повністю затримуються. Тоді і вихідний струм буде синусоїдальним (рис. 4.4, в). Звичайно він відстає від напруги на деякий кут j_в1, тому що навантаження містить еквівалентні індуктивності. На відрізку t₀t₁ струм спрямований проти напруги. Його проводять діоди 1 і 4, та йде повернення до джерела живлення енергії, яка була накопичена в магнітних полях індуктивностей навантаження. На відрізку t₁t₂ струм спрямований згідно з напругою. Його проводять тиристори 1 і 4, та енергія передається в навантаження.

У першому наближенні вимоги до вихідного фільтра задовольняє послідовний дросель, тому що його опір wL зростає з підвищенням частоти. Це і є єдина або основна ланка вихідного фільтра Ф_вих.

На рис. 4.4, г показано, як формується струм і_d на вході комутатора. В перший півперіод він дорівнює +і_в, а в другий –і_в, оскільки вхідне коло перемикається відносно вихідного. В режимі тяги (рис. 4.4, в, г) кут зсуву j_в1 < p/2, тому що двигун як навантаження споживає енергії більше, ніж повертає назад. Середній вхідний струм і_do при цьому позитивний. В режимі гальмування (рис. 4.4, д, е) струм та напруга в основному мають різні знаки, тому j_в1 > p/2 і змінюється знак середнього вхідного струму. Це відповідає також сказаному в підрозділі 4.1.

Регулювання вихідної напруги інвертора може виконуватися різними методами. У даний час найбільш поширена широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), принцип якої пояснювався у розділі 3. Головна перевага даного методу полягає в тому, що ШІМ реалізується зміною алгоритму перемикання ключів у комутаторі і не потребує ускладнення силової схеми інвертора. Розглянемо особливості її використання в автономних інверторах.

На кожному періоді ШІМ можна виділити середнє значення напруги та пульсації. Сукупність середніх значень зветься огинаючою, вона означена на рис. 4.5 пунктиром. У зв’язку з інерційністю вихідного кола струм у навантаженні задає, в основному, огинаюча. Змінюючи тривалість модулюючих імпульсів, її можна регулювати в широких межах, починаючи з нуля. Можливість такого широкодіапазонного регулювання напруги внутрішніми засобами є однією з найважливіших переваг інвертора напруги.

За формою огинаючої розрізняють прямокутну (рис. 4.5, а) та синусоїдальну ШІМ (рис. 4.5, б, в). Синусоїдальна ШІМ дозволяє ради-кально зменшити масу фільтрів, тому що вміст низькочастотних гармонік, які важко згладжуються, при цьому значно менший.

Однофазний мостовий комутатор дозволяє реалізувати усі види ШІМ. Рівні +u_d та –u_d реалізуються, як і в нерегульованому інверторі, парами ключів 1, 4 та 2, 3 (рис. 4.4, а). Щоб одержати нульовий рівень, треба одночасно ввімкнути пару ключів 1, 3 або 2, 4. При цьому виводи А, Б з’єднаються один з одним накоротко, і напруга u_в буде нульовою незалежно від величини вихідного струму і_в. Вимкнути усі ключі для одержання нульо-вого рівня неможливо, через те що при цьому буде припинено вихідний струм, а він повинен мати синусоїдальну форму без пауз (нуль струму не є нулем напруги). Неможливо також для одержання нульового рівня ввім-кнути усі чотири ключі, оскільки в такому разі будуть з’єднані накоротко також виводи джерела напруги на вході. Щоб забезпечити рівномірне навантаженні ключів, короткозамикаючі пари 1, 3 та 2, 4 чергують.