2.11.3.Описание работы системы широтно-импульсной модуляции (сшим)

Как указывалось выше, для управления ключевыми элементами инвертора преимущественно используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Рассмотрим принцип ШИМ на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного напряжения со средней точкой, схема которого приведена на рис.2.57.

Рис.2.57. Схема однофазного инвертора

Система управления транзисторными ключами содержит нуль-орган (НО) и формирователи импульсов Ф1 и Ф2. На входе НО сравниваются напряжение задания и пилообразное опорное напряжение Если то есть разность положительна, то сигнал на выходе НО положителен и на выходе Ф1 существует положительный сигнал u₁, отпирающий транзистор Т1, то есть замыкающий ключ Т1. К нагрузке оказывается приложенным напряжение 0,5Ud, считающееся положительным, знаки которого указаны на схеме рис.2.57. При отрицательной разности отпирается транзистор Т2, и напряжение на нагрузке становится отрицательным и равным -0,5U_d. На рис.2.58 показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением и напряжение задания, которое считается постоянным в течение периода опорного напряжения. Здесь же приведены состояния сигналов u₁ и u₂ и напряжение U на выходе инвертора.

Рис.2.58. Графики напряжений системы ШИМ

Среднее значение напряжения U определяется следующим образом:

; (2.95)

, (2.96)

где Т1, Т2 – интервалы замкнутого состояния ключей Т1 и Т2 соответственно;

– период широтно-импульсной модуляции, с;

– частота опорного пилообразного напряжения (частота ШИМ).

Напряжение на выходе инвертора определяется как:

, (2.97)

где k_и – передаточный коэффициент инвертора в линейной части характеристики, когда .

На рис.2.59 представлена регулировочная характеристика инвертора: , из которой видно, что должно быть предусмотрено ее ограничение на уровне 0,5U_d, так как для получения неискаженного напряжения на выходе инвертора задающий сигнал не должен превышать максимального значения опорного напряжения.

Рис.2.59. Регулировочная характеристика инвертора

В системе управления инвертором должна существовать задержка между замыканием одного ключа и размыканием другого для восстановления запирающих свойств транзисторов.

Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой ω₀, то напряжение на выходе инвертора, рассматриваемое за время , будет представлять собой гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, имеющей частоту управляющего сигнала, ряд гармонических составляющих более высокого порядка.

Если , то первая гармоническая составляющая напряжения на выходе инвертора в определенном масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты напряжения на выходе инвертора. Изменение амплитуды напряжения U_з задания при неизменной частоте приводит к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, то есть изменению амплитуды его первой гармонической составляющей.

Графики опорного и задающего напряжений системы ШИМ и выходного напряжения инвертора приведены на рис.2.60.

Рис.2.60. Графики опорного и задающего напряжений системы ШИМ и выходного напряжения инвертора

Для наглядности здесь принято, что частота ШИМ в 12 раз превышает частоту управляющего сигнала. Однако в современных инверторах частота опорного напряжения составляет от единиц до десятков килогерц при частоте выходного напряжения инвертора 50Гц. При высокой частоте ШИМ ток в активно-индуктивной нагрузке оказывается практически синусоидальным.

Схема трехфазного мостового инвертора, представленная на рис.2.61, имеет три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора. Схема включает в себя общий для всех трех фаз источник опорного пилообразного напряжения.

Рис. 2.61. Схема трехфазного мостового инвертора

Управляющие сигналы представляют собой трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120⁰. Изменение частоты напряжения на выходе инвертора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды – изменением их амплитуды.