3577

Рис. 8.11. Полумостовой инвертор

Здесь два конденсатора равной емкости, соединенные последовательно, включены параллельно источнику постоянного тока, при этом напря-

жения на них равны и составляют 12 U d . При достаточно больших емко-

стях конденсаторов можно считать потенциал точки О постоянным по отношению к отрицательной шине N. Поэтому данная схема сходна со схемой простого одноплечевого инвертора и при этом U0=UA0. При использовании ШИМ коммутаций обнаруживается, что форма выходного сигнала в точности соответствует форме сигнала рис. 8.6, б.

Нужно заметить, что независимо от состояния вентилей, ток между двумя конденсаторами С+ и С_ распределяется поровну. Когда включен Т+, проводят Т+ или D+ в зависимости от направления выходного тока, и iо распределяется поровну между двумя конденсаторами. Поэтому С+

иС- соединены в параллель на пути тока iо. Этим же объясняется, почему точка О (на рис.8.11) делит напряжение пополам.

Так как iо вынужден протекать через параллельное соединение С+

иС-, iо в установившемся режиме не может иметь постоянной составляющей. Поэтому конденсаторы играют роль заградителей, решая тем самым проблему с насыщением стали трансформатора на первичной стороне, когда он используется на выходе для гальванической развязки. Диоды D+ и D- будут обеспечивать протекание реактивного тока обмотки трансформатора через главную емкость источника питания.

Вполумостовом инверторе амплитуды напряжений и токов через вентили таковы:

Полномостовые инверторы (однофазный вариант)

Полномостовой инвертор показан на рис. 8.12. Он состоит из двух одноплечевых инверторов и обычно используется при больших мощностях нагрузки. При том же входном постоянном напряжении максимальное выходное напряжение в два раза выше, чем в полумостовом инверторе. Это значит, что при одинаковой мощности выходной ток и токи через вентили вдвое меньше, чем в полумостовом инверторе. Это является преимуществом схемы, особенно при больших мощностях, так как требует меньшего числа параллельно соединенных приборов.

Рис. 8.12. Однофазный полномостовой инвертор

8.5. ШИМ с биполярным переключением напряжения

Здесь диагонально-противоположные вентили (ТА+, Тв-) и (ТА-, Тв+) из плеч моста (рис. 8.12) переключаются как вентильные пары 1 и 2 соответственно. В следствие такого типа ШИМ форма выходного напряжения плеча А идентична выходному напряжению простого одноплечевого инвертора, который так же можно описать, сравнивая Uупр и Uпил на рис. 8.13,а. Выход плеча В инвертора имеет противоположный знак по сравнению с выходом плеча А, например, когда ТА+ открыт и UА0 равно

Форма сигнала показана на рис.8.13,6. Анализ, проведенный для простого одноплечевого инвертора, полностью справедлив и для данного типа ШИМ. Поэтому амплитуда основной гармоники выходного напря-

1

f S

a)

Ud 0 t -Ud

б)

Рис. 8.12. ШИМ с биполярным переключением напряжения

Значения амплитуд гармоник можно получить из табл. 8.1, как показано в следующем примере.

Пример 8.2

В полномостовой схеме рис.8.12 Ud=300В, mа=0,8, m f =39 и основная

частота 47 Гц. Вычислить величины нескольких основных гармонических составляющих выходного напряжения U0, если используется ШИМ с биполярным переключением напряжения.

Решение. Из (8.29) гармоники сигнала U0 можно вычислить, умножив гармоники из табл. 8.1 и Примера 8.1 на два. Поэтому из (8.22) для любого номера h гармоники:

(U 0 )79 212,130,22 =46,67В при 3713 Гц, и т.д.

Ток id на стороне постоянного тока

Для простоты будем считать, что на стороне постоянного и переменного тока установлены "фиктивные" LС ВЧ фильтры как показано на рис.8.14. Предположим также, что частота переключений очень велика и приближается к бесконечности. Поэтому, чтобы отфильтровать ВЧ компоненты в U0 и id, величины L и С в фильтрах должны быть близки к нулю. Это значит, что энергия, запасаемая в фильтрах, ничтожна. Так как в преобразователе нет элементов, способных запасать энергию, мгновенная мощность на входе должна быть равна мгновенной мощности на выходе.

Сделав такие предположения, можно считать U0 на рис.8.13 чистой синусоидой с частотой, равной основной частоте ,

Рис. 8.14. Инвертор с “фиктивным” фильтром

Если нагрузка такова, как показано на рис. 8.14, где е0 - синусоида с частотой то выходной ток будет также синусоидальным и будет отставать от U0 для индуктивной нагрузки, такой как АC двигатель:

i0 2 I0 sin 1t , (8.33)

где - угол, на который iо отстает от U0.

На стороне постоянного тока LСфильтр будет отфильтровывать

ВЧ составляющие id и id * будет содержать только низкочастотную и постоянную составляющие. Предположим, что запасаемая в фильтрах энергия определяется по выражению:

Поэтому

Выражение (8.36) для id* показывает, что он состоит из постоянной составляющей Id, которая обеспечивает передачу энергии от Ud со стороны входа инвертора на сторону выхода, а также из синусоидальной составляющей с двойной, по отношению к основной частотой. Входной ток инвертора id состоит из id* и ВЧ составляющих, появляющихся из-за переключений в инверторе, как показано на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Ток в однофазном ШИМ-инверторе с биполярным переключением напряжения

В реальных системах предыдущее утверждение о постоянстве выпрямленного напряжения на входе инвертора не совсем верно. Обычно оно получается выпрямлением сетевого переменного напряжения. При этом для фильтрации постоянного напряжения используют конденсатор большой емкости, включаемый параллельно выходу.

Пульсация напряжения конденсатора (которое также является входным для инвертора) проявляется в следствие того, что ток однофазного инвертора на входе содержит вторую гармонику, которая вызывает пульсации напряжения конденсатора.

ШИМ с униполярным переключением напряжения

В данной схеме ШИМ вентили в двух плечах полномостового инвертора (рис. 8.12) не переключаются одновременно, как в предыдущей схеме ШИМ. Здесь плечи А и В полномостового инвертора управляются раздельно, в зависимости от сравнения Uпил с Uупр и -Uупр соответственно. Как показано на рис.8.16а, сравнение Uупр с пилообразным сигналом образует следующие управляющие сигналы для вентилей плеча А:

Выходное напряжение плеча А инвертора по отношению к ―минусу‖ источника показано на рис.8.15,б. Для управления вентилями плеча В - Uупр сравнивается с тем же пилообразным сигналом, в результате чего:

Из-за действия диодов обратной связи, включенных встречнопараллельно вентилям, напряжение в (8.39) и (8.40) не зависит от направления выходного тока iо.

Формы сигналов на рис.8.15 показывают, что существует 4 комбинации состояний вентилей и соответствующие напряжения равны:

3.TA+, TB+ вкл: UAN =Ud, UBN = Ud; U0 = 0

4.TA-, TBвкл: UAN = 0, UBN = 0; U0 = 0

Здесь заметно, что когда включены оба верхних вентиля, выходное напряжение равно нулю. Выходной ток циркулирует в замкнутом контуре через TА+ и DB+ или DА+ и ТB+ в зависимости от направления iо. На этом интервале входной ток id равен нулю.

Рис. 8.16. ШИМ с униполярным переключением напряжения (однофазный вариант)

То же получается и когда включены оба нижних вентиля TА- и ТB-. В такой схеме ШИМ, когда происходит переключение, выходное напряжение меняется от 0 до -Ud. По этой причине данная схема ШИМ и получила свое название, в противоположность схеме ШИМ со сменой знака напряжения (от +Ud до -Ud), которая описывалась ранее. Преимущество этой схемы состоит в "эффективном" удваивании частоты переключения, с точки зрения выходных гармоник, по сравнению с предыдущей схемой ШИМ. Кроме того, уменьшились скачки напряжения до величины Ud, по сравнению с 2Ud в предыдущей схеме. Преимущество "удваивания" частоты переключений проявляется в спектре гармоник выходного напряже-

ния, где низшие гармоники (в идеализированной цепи) появляются на частотах, вдвое больших частоты переключений. Это легко понять, если выбрать коэффициент модуляции частоты mf четным (в схеме биполяр-

ной ШИМ mf должен быть нечетным) для схемы однофазного инвертора.

Сигналы UAN И UBN при частоте f1 смещены на 180 градусов относительно друг друга. Поэтому гармонические составляющие частоты переключения в UAN И UBN имеют одну и ту же фазу ( AN - =180 0 m f 00 , так как сигналы сдвинуты на 180° и m f предполагается

четным). Поэтому частотные составляющие с частотой, равной частоте переключения в выходном напряжении, подавляются U0 = UAN – UBN. Кроме того, исчезают и частотные составляющие в этой полосе частот. Подобным образом исчезает и гармоническая составляющая двойной частоты по отношению к частоте переключения, хотя гармоники ее полосы частот не исчезают. Таким образом

Пример 8.3 В условиях примера 8.2, полагая, что используется униполярная схема

переключений ШИМ при m f =38, вычислить порядок и величины некоторых преобладающих гармоник выходного напряжения.

Решение. Основываясь на описании работы схемы, порядок гармоник h можно записать

(8.44)

где гармоники существуют в пределах полос частот вокруг 2 m f и

кратных ей. Так как h нечетно, k в выражении (8.44) принимает только нечетные значения.

Из Примера 8.2

Используя (8.35) и табл.8.1 найдем требуемые величины напряже-

ний:

Сравнение схем ШИМ из примеров 8.2 и 8.3 показывает, что в обоих случаях напряжения основной гармоники равны при равных mа, одна-

Ток Id на стороне входа

При условиях, сходных с условиями в схеме рис.8.13 для ШИМ с биполярным переключением напряжения, рис.8.1,6 показывает ток id на стороне входа для ШИМ с униполярным переключением напряжения, где m f =14 (вместо m f =15 для предыдущей схемы ШИМ).

Сравнивая рис. 8.15 и 8.1,6, становится ясно, что при использовании ШИМ с униполярным переключением напряжения пульсации тока инвертора на стороне входа заметно снижаются.

Работа в режиме прямоугольного сигнала

Полномостовой инвертор также может работать и в режиме прямоугольного сигнала. Оба типа ШИМ, рассмотренных ранее, вырождаются в один и тот же режим работы с прямоугольным сигналом, где вентили (ТА+, ТВ-) и (ТВ+,ТА-) работают как две пары с коэффициентом загрузки

0,5.

При этом величину выходного напряжения, данную ниже, можно регулировать, управляя входным С напряжением:

U 01 4 U d .

Управление выходным напряжением с помощью отсечки напряжения

Этот тип управления возможен только в однофазном режиме в схеме полномостового инвертора. Он основан на комбинации прямоугольного переключения и ШИМ с униполярным переключением напряжения. В схеме рис.8,17,а вентили в двух плечах инвертора управляются раздельно (как в ШИМ с униполярным переключением). Но все они за-

гружены на 50%, как при прямоугольном управлении. Поэтому сигналы UAN и UBN получаются как на рис.8.18,6, где величиной угла перекрытия можно управлять.

На интервале перекрытия выходное напряжение равно нулю как следствие ситуации, когда или оба верхних, или оба нижних вентиля включены. При = 0 форма выходного напряжения сходна с прямоугольным инвертором при максимально возможной величине выходного напряжения.

Рис. 8.17. Ток на стороне переменного тока в однофазном инверторе с униполярным ШИМ переключением напряжения

Легче выразить основную и гармонические составляющие выходно-

Рис.8.18,в, показывает вариации основной и высших гармоник как функцию угла . Характеристики нормализованы по отношению к основной составляющей для прямоугольного сигнала ( =0). Коэффициент искажений, являющийся отношением величины гармонического искажения к величине основной составляющей, также построен как функция угла . Из-за сильного искажения при больших эта часть кривых показана пунктиром.

id

UAN