4.7. Регулирование напряжения инверторов

Существуют несколько способов регулирования выходного напряжения инверторов. Один из них, рассмотренный выше, позволяет регулировать величину выходного напряжения за счет изменения входного напряжения инвертора Е_d. Для реализации такого способа регулирования на входе инвертора необходимо включать преобразователь, например управляемый выпрямитель, с помощью которого можно изменять входное напряжение.

При импульсном способе регулирования напряжения однофазного инвертора форма напряжения на его выходе представляет собой последовательность импульсов. Существует два основных способа импульсного регулирования: широтно-импульсное регулирование (ШИР) и метод широтно-импульсного модулирования (ШИМ) выходного напряжения. В первом случае в течение одного полупериода работы инвертора на его выходе формируется только один импульс. Выходное напряжение регулируют путем изменения длительности этого импульса, оставляя неизменным его амплитуду. Во втором случае на выходе однофазного инвертора получают последовательность импульсов различной ширины. Изменение величины выходного напряжения достигается изменением ширины импульсов, при постоянной амплитуде.

4.7.1. Метод широтно-импульсного регулирования

Рассмотрим принципы широтно-импульсного регулирования на примере однофазного инвертора напряжения (рис. 4.11, а). Такой способ изменения напряжения нагрузки реализуется путем изменения ширины управляющих импульсов транзисторами инвертора. В рассмотренном ранее алгоритме управления однофазным инвертором напряжения управляющие импульсы подаются на транзисторы в течение всего полупериода напряжения, т.е. угол управления транзисторами составляет 180 эл. град. При ШИР изменяется ин­тервал проводимости транзисторов за счет увеличения пауз между интервалами проводимости очередных транзисторов. В этом случае транзисторное плечо инвертора работает в течение меньшего интервала β времени. Метод ШИР иллюстрирует рис. 4.16, а, б, на котором показаны формы управляющих импульсов U_VS одного из плеч инвертора и кривые выходного напряжения u_н при обычном методе (180 эл. град.) (а) и методе ШИР (б).

Рис. 4.16. Метод ШИР регулирования

Из рис. 4.16, б следует, что во втором случае длительность управляющего импульса β уменьшена по сравнению с рис. 4.16, а, т. е. происходит так называемое регулирование ширины импульсов «по длительности».

В соответствии с длительностью управляющих импульсов изменяется величина и форма напряжения нагрузки u_н. Максимальное значение u_н достигается при β = 180 эл. град. Уменьшение интервала проводимости транзисторов β (рис. 4.16, б) приводит к уменьшению величины напряжения нагрузки за счет образования участков с нулевыми значениями u_н. При этом изменяется гармонический состав напряжения. Рассмотрим полученную зависимость относительных величин k-ых гармоник напряжения нагрузки (u_k / E_d) от продолжительности управляющего импульса β (рис. 4.17) [12].

Из анализа рис. 4.17 следует, что увеличение угла β сопровождается возрастанием относительной величины первой гармоники напряжения нагрузки  u_k / E_d, максимальное значение которой достигает 1,28 при β = 180^о. Спектр высших гармоник напряжения также зависит от значений угла β. Так 3-я гармоническая составляющая напряжения имеет максимальное значения 0,42 при β = 60 и 180 эл. град, а при β =120^о она уменьшается до нуля. Аналогичный характер изменения имеют и другие высшие гармоники напряжения нагрузки.

Рис. 4.17. Гармонический состав напряжений нагрузки при ШИР

Таким образом, за счет изменения продолжительности работы транзисторных плеч инвертора можно регулировать в широких пределах величину напряжения нагрузки. Однако к недостаткам такого способа управления инвертором следует отнести изменение состава высших гармоник в кривой u_н, что затрудняет их фильтрацию.

Метод ШИР можно распространить и на трёхфазный АИН. Регулирование напряжения в этом случае также осуществляется за счет изменения длительности управляющих импульсов. Различают инверторы напряжения с углами проводимости транзисторов 180, 150 и 120°. С помощью пакета DL была исследована математическая модель трёхфазного АИН, в котором реализован метод ШИР. Регулирование напряжения инвертора осуществлялась при трех указанных значениях угла управления β. Результаты моделирования приведены на рис. 4.18, где показаны формы напряжения нагрузки и входного тока инвертора при названных углах управления. В первом случае (β = 180°) режим работы инвертора соответствует рассмотренной ранее работе трёхфазного АИН. При этом форма выходного напряжения имеет прямоугольно-ступенчатую форму и не зависит от параметров цепи нагрузки. В режимах работы с β = 150 и 120° форма напряжения u_н определяется параметрами нагрузки.

Приведенные на рис. 4.18 кривые напряжений и токов получены для параметров цепи нагрузки: R_н = 0,33 Ом; L_н = 0,15 мГн. Напряжение входного источника Е_d составляло 100 В [6]. Гармонический анализ напряжения нагрузки показал, что величина первой гармоники напряжения u_н1 уменьшается с уменьшением значения β. С помощью модели установлено, что значение u_н = 0 при уменьшении угла управления β до 60°.

Рис. 4.18. ШИР напряжения трёхфазного АИН

Таким образом изменение β от 60° до 180° приводит к увеличению первой гармоники напряжения нагрузки от нуля до максимального значения 63,6 В (Е_d  = 100 В). Следует отметить, что изменение β влияет также на гармонический состав выходного напряжения инвертора. Если третья гармоническая составляющая отсутствует во всех трех названных режимах, то пятая гармоника напряжения уменьшается до нуля только при β  = 150°.

Уменьшение угла проводимости транзисторов сопровождается снижением среднего значения входного тока инвертора I_и и увеличением содержания в его составе высших гармоник (рис. 4.18). Последнее обстоятельство связано с повышенными пульсациями тока I_и. При β <120° начинается режим прерывистых токов во входной цепи инвертора, когда на отдельных интервалах времени ток во входной цепи инвертора отсутствует.

Таким образом, метод ШИР позволяет изменять величину выходного напряжения трёхфазного инвертора, однако ему присущи те же недостатки однофазного инвертора, связанные с наличием высших гармоник в кривой выходного напряжения. Некоторого улучшения формы этого напряжения можно достичь при работе инвертора с углом управления β = 150°.