Широтно-импульсная модуляция при синусоидальной форме модулирующего напряжения

Рассмотрим работу инвертора напряжения при реализации широтно- импульсной модуляции при синусоидальной форме модулирующих напряжений каждой фазы [4]. При анализе данной схемы предполагается, что вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии они замыкают накоротко участки электрических цепей, в закрытом состоянии разрывают их. Принято также, что источник постоянного тока (на входе инвертора) обладает двухсторонней проводимостью (или на его входе установлен конденсатор с достаточно большой емкостью).

Каждые два транзистора, подключенные к одному плечу инвертора, работают в противофазе, если один транзистор открыт, другой (в том же плече) закрыт и наоборот. Отсутствуют ситуации, в которых оба транзистора одной фазы закрыты или открыты одновременно.

В схеме, приведенной на рисунке 19, с помощью транзисторов и обратных диодов фазы нагрузки подключаются или к положительному или к отрицательному полюсу источника питания или замыкаются накоротко. За счет изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При переключении транзисторов изменяется структура схемы и электрические контуры, в которых протекают токи. Характерные состояния схемы изображены на рисунке 27.

Как изображено на рисунке 27, в состоянии схемы 1) в 1 фазе инвертора открыт верхний транзистор, во 2 и в 3 фазах открыты нижние транзисторы. Токи в инверторе протекают через открытые транзисторы в соответствии с направлениями токов в фазах. Закрытые транзисторы и диоды не отражены на рисунках, поскольку токов в них нет.

Если верхний транзистор 1 фазы закрывается, а нижний транзистор этой фазы открывается, то в соответствии со знаками токов нагрузки открывается обратный диод нижнего транзистора 1 фазы. При этом схема переходит в состояние 2).

Рисунок 27. Состояния схемы (1-6) трехфазного инвертора напряжения при переключении его транзисторов на интервале одного периода

Ветви схемы, в которых токи отсутствуют, не отражены на рисунке. В состоянии схемы 2) цепь источника питания и сглаживающего дросселя замкнута на конденсатор, установленный на входе инвертора. Фазы нагрузки замкнуты накоротко через вентили инвертора. Электрическая связь источника питания и нагрузки отсутствует.

Если в состоянии схемы 2) во 2-ой фазе закрывается нижний транзистор и, соответственно, открывается верхний транзистор, то схема переходит в состояние 3), в котором связь источника питания и нагрузки восстанавливается.

Схема переходит в состояние 4), когда в 1-ой фазе закрывается нижний транзистор, а верхний транзистор открывается.

Из состояния 4) схема может перейти в состояние 5), если откроется верхний транзистор в 3-ьей фазе.

Из состояния 5) в состояние 6) схема может перейти, если в 1-ой фазе закроется верхний транзистор, а нижний откроется.

Указанные переходы схемы из одних состояний в другие определяются системой управления и знаками токов в индуктивностях цепей инвертора.

Как видно из рисунка 27, при принятых допущениях ток фазы нагрузки протекает всегда через то плечо моста, в котором находится открытый транзистор (при идеальных ключевых элементах).

При расчете токов и напряжений силовой схемы следует учитывать особенности работы системы управления инвертора. Эти особенности можно пояснить с помощью рисунке 28, на котором изображены пилообразное (опорное) напряжение u_оп, напряжение управления u_y1 (модулирующее напряжение) транзисторами одной из трех фаз моста, а также функции состояния двух транзисторов 1-ой фазы k_i1 и 1-k_i1.

Рисунок 28. Опорное напряжение, напряжение управления и сигналы управления, подаваемые на транзисторы одного плеча в режиме синусоидальной ШИМ

Напряжения управления транзисторами двух других фаз u_y2 и u_y3 на рисунке 28 не изображены. Однако можно отметить, что в симметричном режиме работы они имеют ту же амплитуду и взаимно сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов.

Если напряжения управления синусоидальны и их амплитуда не превышает амплитуду опорного напряжения, то считается, что преобразователь работает в режиме синусоидальной ШИМ без перемодуляции.

В реальных установках, вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления, напряжения управления имеют ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по форме к синусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных систем управления Δt_y во многих случаях принимается равной периоду T_оп пилообразного напряжения. В пределах этого периода напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы, приведенные на рисунке 28, построены с учетом этой особенности системы управления.

В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально допустимое время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напряжения (участвующую в формировании импульсов управления) на величину Du_оп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения принять равной 1, то в соответствии с рисунком 28 активная зона напряжений управления находится в пределах от ( –1+Δu_оп) до (1–Δu_оп).

Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода T_оп в данной фазе происходит одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение и одно выключение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны пилообразного напряжения, то в данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак.

При работе в режиме ШИМ «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны напряжениям управления фаз (при условии постоянства напряжения в цепи постоянного тока инвертора).

На рисунке 29 изображены опорное напряжение u_оп и напряжение управления u_y1 одной фазы при выходе напряжения управления на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного напряжения (ограниченной пунктирными линиями). В рассматриваемом случае АИН работает в режиме перемодуляции.

Рисунок 29. Опорное напряжение и напряжения управления транзисторами инвертора в режиме перемодуляции

На тех отрезках времени рисунка 29, на которых напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими по границам рабочей зоны на уровне (–1+Δu_оп ) или (1–Δu_оп). При этом, как изображено на рисунке 29, фактическое напряжение управления u_оy1 приближается по форме к трапеции.

При работе в режиме перемодуляции «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз.

При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления u_y1 трапецеидальное напряжение u_оy1 приближается к прямоугольной форме. Инвертор переходит в режим работы при фазной коммутации при которой длительность открытого состояния транзисторов не регулируется.

В режимах перемодуляции и фазной коммутации амплитуда основных гармонических составляющих напряжений управления может быть больше 1. Соответственно в выходных напряжениях инвертора амплитуда основных составляющих превышает амплитуду «гладких» составляющих.