4.4 Автономные инверторы напряжения с многократной коммутацией в одном периоде

Применяя многократные включения и выключения ключей на интервале одного периода можно задавать ток нагрузки требуемой формы, а также обеспечивать плавное регулирование действующего значения выходного напряжения. Наибольшее применение находит широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с формированием огибающей в виде прямоугольника, трапеции или синусоиды. Соответственно, такие виды ШИМ получили название прямоугольной, трапециидальной и синусоидальной модуляции.

Прямоугольная модуляция (рис. 4.8) часто называется способом широтно-импульсного регулирования (ШИР).

На интервале одного полупериода выходного напряжения силовые ключи инвертора включаются и выключаются многократно с частотой f_H, превышающей основную частоту f₁ в несколько раз. Кратность частот влияет на содержание высших гармонических составляющих. При увеличении K_F снижается содержание гармонических составляющих низкого порядка и возрастает содержание гармонических составляющих высокого порядка, частоты каждых кратны несущей частоте. При изменении длительности импульса tu регулируется скважность в пределах групп импульсов, формирующих положительную и отрицательную полуволны выходного напряжения. Амплитуда основной гармоники пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности. При этом общее содержание гармоник в выходном напряжении значительно меньше, чем при одноимпульсной модуляции.

Ещё более сильное снижение содержания высших гармонических составляющих достигается при широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. В схеме управления инвертором формируется последовательность сигналов треугольной формы (опорное напряжение), которая сравнивается с модулирующей синусоидой. Точки пересечения кривых определяют длительность импульса выходного напряжения.

В зависимости от алгоритма управления состоянием ключей инвертора возможны два решения ШИМ: биполярный и униполярный.

При биполярном режиме диагональные ключи мостового инвертора управляются в противофазе (рис. 4.8). Сигналы управления вырабатываются при сравнении опорного напряжения с модулирующей синусоидой. При этом напряжение на нагрузке изменяется в течение всего периода от -E_П до +E_П. Амплитуда основной гармоники выходного напряжения равна:

,

где – коэффициент модуляции.

При униполярном режиме (рис 4.9) вырабатываются два канала сигналов управления. Для управления ключами К1 и К4 используются результаты сравнения модулирующей синусоиды с опорным напряжением с начальной фазой 0⁰, а для ключей К3 и К2 – той же модулирующей синусоиды с опорным напряжением с начальной фазой 180⁰ (возможен вариант и наоборот: с изменением фазы модулирующей синусоиды).

Ключи К1 и К4 управляются в противофазе, аналогично К3 и К2 также управляются в противофазе. Поэтому напряжение на ключах К4 и К2 представляет собой однополярные импульсы с амплитудой E_П, длительность каждых изменяется по синусоидальному закону со сдвигом по фазе 180⁰. Выходное напряжение инвертора является разностью этих напряжений и в конечном виде представляет собой положительные импульсы с амплитудой E_П в положительный полупериод модулирующей синусоиды и отрицательные с такой же амплитудой в отрицательный полупериод модулирующей синусоиды. Амплитуда основной гармоники выходного напряжения равна, как и при биполярной модуляции

,

но амплитуды высших гармонических составляющих в два раза меньше, причём частоты высших гармоник выше в два раза.