Однофазный одноплечевой инвертор напряжения

Схема однофазного одноплечевого инвертора напряжения приведена на рис. 1. Содержит два транзистора (VT1 и VT2), соединенных последовательно, и два диода (VD1 и VD2). Источник питания – двухпотенциальный с выводом нулевой точки и может быть представлен в виде двух источников напряжения (U_d), соединенных последовательно. Нагрузка подключается между общей точкой соединения транзисторов и общей нулевой точкой источника питания (0_и.п). При подаче импульса управления на транзистор VT1, транзистор открывается и пропускает ток, который протекает по цепи: (+U_d)→VT1→Z_нг→(-0_и.п). На нагрузке формируется положительная полуволна напряжения. При подаче импульса управления на транзистор VT2, транзистор Z_нг открывается и пропускает ток, который протекает по цепи: (+0_и.п.)→ Z_нг→ VT2→(-U_d). На нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения.

Гармонический состав выходного напряжения при широтном регулировании может быть представлено разложением в ряд Фурье [4]:

(2)

Из формулы (2) видно, что амплитуда высшей гармоники обратно пропорционально номеру этой гармоники

(3)

На рис. 8 приведен гармонический состав выходного напряжения однофазного инвертора при широтном регулировании напряжения. По оси абсцисс отложен параметр регулирования – коэффициент скважности γ.

Действующее значение первой гармоники напряжения, U₁, при изменении коэффициента скважности в пределах 0<γ<1 можно определить по формуле (4):

(4)

Действующее значение выходного напряжения инвертора с учетом всех гармоник, U_вых:

(5)

Из рис. 8 видно, что при уменьшении коэффициента скважности относительная величина высших гармоник (в долях первой гармоники) изменяется, возрастая в диапазоне малых значений γ.

При проектировании инвертора напряжения необходимо определить загрузку транзисторов по току и напряжению. При любом характере нагрузки напряжение на закрытом транзисторе всегда равно 2U_d. Величина и форма тока, протекающего через транзистор, зависит от величины и характера нагрузки. При чисто активном характере нагрузки форма тока нагрузки повторяет форму кривой напряжения нагрузки. Максимальное значение тока коллектора транзистора равно

I_{к max}=U_d/R_{нг min} (6)

При активно – индуктивном характере нагрузки форма тока имеет экспоненциальный характер:

(7)

где I₀=U_d/R_нг– базисный ток;

Т– период выходного напряжения;

τ_нг.=L_нг/ R_нг– постоянная времени цепи нагрузки.

Максимальная величина коллекторного тока транзистора оказывается при γ=1:

(8)

Рис. 8. Гармонический состав выходного напряжения однофазного инвертора при широтном способе регулировании напряжения.

Зависимость относительных амплитуд гармоник от частоты называется спектром. Используя формулу (3) можно построить спектр выходного напряжения для заданного значения коэффициента скважности γ [4].

На рис. 9 приведен спектр выходного напряжения при γ=1.

Диоды VD1 и VD2 называются диодами обратного тока. Их назначение – возвращать реактивную составляющую тока нагрузки в источник питания. Диоды пропускают этот ток на интервале времени 0<ωt< σ.

(9)

Среднее значение тока, протекающего через диод обратного тока:

(10)

Максимальное обратное напряжение на обратных диодах, так же как и у транзисторов, равно двойному напряжению U_d.

Рис. 9. Спектр выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при γ=1.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Поясните принцип работы однофазного одноплечевого инвертора напряжения. 2. Укажите достоинства и недостатки однофазного одноплечевого инвертора напряжения. 3. Укажите наиболее предпочтительную область применения одноплечевого инвертора напряжения. 4. Как определить гармонический состав выходного напряжения инвертора при реализации широтного способа управления? 5. Что такое спектр выходного напряжения? 6. Как рассчитать загрузку транзисторов по току и напряжению?