Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения

Схема мостового инвертора напряжения приведена на рис. 4. Инвертор содержит четыре транзистора, собранные мостовой схеме и четыре диода обратного тока, включенные параллельно соответствующему транзистору. На схеме нагрузка подключена непосредственно на выходе инвертора. Однако, чаще нагрузка подключается к выходу инвертора через трансформатор, который обеспечивает согласование напряжения источника питания и напряжения нагрузки, так как это показано на рис. 10.

Рис.10. Мостовая схема однофазного инвертора напряжения с трансформаторным выходом

Ниже рассмотрим работу и основные расчетные соотношения для схемы инвертора напряжения, приведенной на рис. 4. На рис. 6 и 7 приведены временные диаграммы, поясняющие применение широтного метода регулирования однофазного мостового инвертора напряжения. В обоих случаях импульсы управления поступают на все четыре транзистора. Широтное регулирование осуществляется либо фазовым сдвигом импульсов управления, подаваемых на транзисторы одного плеча моста (ψ), по отношению к импульсам управления транзисторов другого плеча. Фазовое положение импульсов управления транзисторов этого другого плеча в процессе регулирования остаются неизменным. Временные диаграммы, поясняющие этот способ регулирования, приведены на рис. 6. Из временных диаграмм, приведенных на рис. 6 и 7 видно, что одновременно ток нагрузки всегда проходит через два транзистора, расположенных по диагоналям вентильного моста, VT1, VT2 или VT3, VT4. При смене рабочей пары транзисторов происходит смена полярности напряжения нагрузки. При втором варианте реализации широтного способа регулирования (рис. 7) регулируется скважность импульсов управления, подаваемых на транзисторы одного плеча. А импульсы управления, подаваемые на транзисторы другого плеча, остаются неизменными. В том и другом случае регулируется скважность импульсов напряжении на интервале каждого полупериода выходного напряжения. Гармонический состав выходного напряжения при реализации обоих способов регулирования одинаков и соответствует формулам (2) и (3), а также графикам, приведенным на рис. 8. Из двух рассмотренных широтных способов регулирования величины выходного напряжения только при реализации способа, временные диаграммы которого приведены на рис. 6, форма кривой выходного напряжения инвертора не зависит от коэффициента мощности нагрузки. Способ широтного регулирования, временные диаграммы которого приведены на рис. 7 не обеспечивает постоянство формы кривой выходного напряжения при значениях коэффициента мощности нагрузки, отличных от единицы.

Независимость формы кривой выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки и сохранение в ней требуемой при регулировании паузы ψ достигается тем, что на интервалах ψ обеспечивается одновременная проводимость двух транзисторов, относящихся к общей группе (эмиттерной или коллекторной) инверторного моста. Это транзисторы VT2 и VT4 или VT1 и VT3. При этом на указанных интервалах нагрузка замыкается накоротко через шины «+» или «-» источника питания и напряжение на нагрузке равно нулю.

Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению проводится по методики, аналогичной изложенной выше. Приведем методику расчета токов, протекающих через транзисторы и диоды при активно - индуктивном характере нагрузки. Кривую тока, протекающего через нагрузку, можно построит по формуле (17): (20) где I₀=U_d/R_нг.; к=R_нг./ωL_нг.; а=е^-кπ/3. Максимальный ток, протекающий через транзистор,: I_{к m}=I₀(1-a³)/(1+a³). (21) Среднее значение тока, протекающего через диоды обратного тока,

(22) где

. (23) Величину среднего значения тока, протекающего через диоды обратного тока и через транзисторы, можно определить методом основной гармоники [2]. Первые гармоника напряжения и тока нагрузки:

где U_нг, I_нг. – действующие значения первых (основных) гармоник напряжения и тока, соответственно; φ_нг– фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к первой гармоники напряжения нагрузки. Мощность, потребляемая группой вентилей прямого тока (транзисторами VT1, VT2, VT3 и VT4), P_d1: (24) Мощность, возвращаемая группой вентилей обратного тока в источник питания, P_d2:

(25) Мощность, потребляемая инвертором от источника питания, без учета потерь мощности на элементах схемы, P_d: (26) Среднее значение тока, возвращаемого группой вентилей обратного тока в источник питания, I_d2=P_d2/U_d. (27) Cреднее значение тока, потребляемого группой вентилей прямого тока, I_d1: I_d1=P_d1/U_d. (28) Среднее значение тока, потребляемого от источника постоянного тока, I_d: I_d= I_d1 - I_d2= I_нг.cosφ_нг. (29)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Поясните принцип работы однофазного мостового инвертора напряжения. 2. Укажите достоинства и недостатки однофазного мостового инвертора напряжения. 3 Укажите наиболее предпочтительную область применения мостовой схемы инвертора напряжения.

4. Как рассчитать загрузку транзисторов по току и напряжению.

5. Как определить средние значения токов вентилей прямого тока и вентилей обратного тока

6. Укажите условие, которое необходимо выполнить для обеспечения независимости формы кривой выходного напряжения инвертора от характера нагрузки при широтном регулировании величины этого напряжения.

1.6. Однофазные инверторы напряжения с широтно- импульсной модуляцией выходного напряжения При широтно – импульсной модуляции выходного напряжения инвертора каждый транзистор схемы многократно открывается и закрывается на интервале периода выходного напряжения. При этом различают два вида широтно – импульсной модуляции (ШИМ) [4]: – ШИМ с прямоугольной формой кривой модулирующего сигнала; – ШИМ с синусоидальной формой кривой выходного напряжения. Схема управления любого инвертора с ШИМ модуляцией содержит блок для формирования импульсов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы инвертора. На рис. 11 приведена схема компаратора (рис. 11, а) и временные диаграммы, поясняющие работу схемы управления (рис. 11, б, в). На вход компаратора одновременно поступают два сигнала: – опорное напряжение, имеющее пилообразную форму; – модулирующий сигнал, частота которого равна частоте выходного напряжения. При равенстве амплитуд опорного и модулирующего напряжений на выходе компаратора формируется импульс (рис. 10, в). Частоту опорного сигнала часто называют несущей частотой. Частота опорного напряжения больше частоты модулирующего напряжения, как правило, от 10 до 100 раз. Отметим, модулирующий сигнал в определенном смысле является входным (управляющим) сигналом, который определяет не только частоту выходного напряжения инвертора, но и его величину. Модулирующий сигнал может иметь прямоугольную или синусоидальную форму. Иногда прямоугольную форму модулирующего сигнала называют «прямоугольным синусом». Временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения инвертора при прямоугольной форме модулирующего сигнала, приведены на рис. 11. Из рис. 11 видно, при прямоугольной форме модулирующего напряжения кривая выходного напряжения инвертора имеет несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, причем длительность этих импульсов (или коэффициент скважности их) одинакова на всем периоде выходного напряжения. На рис. 12 показана первая гармоника выходного напряжения, u₍₁₎. Амплитуда этой гармоники определяется отношением амплитуды входного (модулирующего) сигнала и амплитуды опорного (пилообразного) напряжения U_вх..max/U_оп..max. Это отношение обознача­ется через µ и называется коэффициентом модуляции. Рассмотренная модуляция называется широтно–импульсным регулированием или ШИР модуляцией. µ=U_{мод max}/U_{оп max} (30)

Напряжение на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при ШИР модуляции может быть представлено рядом Фурье: U_вых.=(4µU_d/π)[sinωt + (1/3)sin3ωt + (1/5)sin5ωt + (1/7)sin7ωt + +(1/ν) sinνωt]. (31) Как видно из (31) гармонический состав выходного напряжения инвертора при широтно – импульсном регулированиии такой же, как и при широтном регулировании выходного напряжения. Однако есть и отличие. При широтно– импульсной модуляции, согласно (31) относительная величина высших гармоник остается неизменной и не зависит от глубины регулирования напряжения. Это является достоинством по сравнению с широтном регулировании выходного напряжения, при котором относительная величина высших гармоник зависит от глубины регулирования напряжения (см. рис. 8). Временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при синусоидальной форме модулирующего сигнала, приведены на рис. 13. Из рис. 13 видно, при синусоидальной форме модулирующего напряжения кривая выходного напряжения инвертора имеет также несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, но скважность этих импульсов не постоянна, а изменяется по синусоидальному закону на интервале периода выходного напряжения. Для расчета спектра выходного напряжения инвертора с синусои­дальной ШИМ используются методы спектрального анализа, основан­ные на дискретном преобразовании Фурье. Как показывают исследования, выполненные в [4], ближайшая к первой высшая гармоника выходного напряжения однофазного инвертора напряжения с ШИМ сдви­нута на частоту несущей. С целью увеличения амплитуды первой гармоники на выходе инвертора напряжения иногда допустимо реализовать режим перемодуляции, когдаµ >1. Но следует помнить, что при этом будет ухудшаться гармонический состав выходного напряжения. При работе АИН на активно-индуктивную нагрузку ток этой гармоники будет на два порядка меньше тока первой гармоники. Поэтому при синусоидальной широтно-импульсной модуля­ции иногда высшие гармоники тока не учитывают, считая, что инвертор яв­ляется генератором синусоидального напряжения. Однако, как показывает практика, высшие гармоники тока выходной цепи инвертора напряжения даже при синусоидальной широтно-импульсной модуляции могут оказывать заметное влияние на величину электрических потерь в обмотках двигателя, который подключен к выходной цепи инвертора. Эти потери не только снижают КПД двигателя, но и могут привести к перегреву двигателя, поэтому вопрос учета (или не учета) высших гармоник тока следует решать в каждом конкретном случае индивидуально. Часто для мощных асинхронных электроприводов между инвертором напряжения и обмоткой статора двигателя приходится устанавливать высокочастотные L-C фильтры для подавления высших гармоник выходного тока инвертора напряжения (тока обмотки статора).

Рис. 11. Схема компаратора (а) и временные диаграммы, поясняющие работу системы управления инвертора с ШИМ (б, в)

Обозначения, принятые на рис. 11: а– схема компаратора, формирующего сигналы управления транзистора; б– опорный и модулирующий сигналы, подаваемые на вход компаратора; в– выходной сигнал компаратора

.

Рис. 12. ШИМ при прямоугольной форме модулирующего сигнал

Рис. 13. ШИМ при синусоидальной форме модулирующего сигнала

Иногда от автономного инвертора требуется, чтобы он обладал свой­ствами источника тока [4]. В этом случае используется замкнутый способ реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 14. При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой источник тока. Здесь за счет отрицательной обратной связи по току и релейного элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения. Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L ак­тивно–индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором».

Рис. 14. Схема и временные диаграммы, поясняющие реализацию «токового коридора» в инверторе

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Укажите основные способы широтно– импульсной модуляции выходного напряжения инвертора.

2. Каким образом можно реализовать способ широтно–импульсной модуляции с «прямоугольным синусом»?

3. Каким образом можно реализовать синусоидальную широтно–импульсную модуляцию?

4. Для чего и как реализуют способ управления, названный токовым коридором?