Однофазний мостовий трирівневий аін.

Однофазний мостовий БАІН (рис.4.86) у порівнянні з напівмостовою схемою дозволяє подвоїти кількість рівнів у напівхвилі вихідної напруги.

Вихідна напруга и_H=и_АВ може приймати п’ять значень (рівнів): ±2U, ±U, 0.При вмиканні ключівК1₁, К2₁(К3₁, К4₁ - вимкнуті) іК3₂, К4₂(К1₂, К2₂ - вимкнуті) навантаження підключено між позитивним і негативним виводами джерела, напруга на ньомуи_H=+2U. При вимкнені ключаК1₁ (одночасно вмикається К3₁) навантаження підключається до нижнього конденсатору і и_H=U. Перехід на нульовий рівень з позитивного здійснюється вимкненням ключаК4₂ (одночасно вмикається К2₂). При цьому в залежності від напряму струм навантаження замикається за коломZ_H, К3₂, VD2₂, VD1₁, К2₁(позитивний напрямок струму) абоZ_H, К3₁, VD2₁, VD1₂, К2₂(негативний напрямок струму). Негативна полярність напруги навантаження досягається аналогічно – ключі першого та другого плеч мосту міняються містами. Так, при вмиканні ключівК1₂, К2₂(К3₂, К4₂ - вимкнуті) іК3₁, К4₁(К1₁, К2₁ - вимкнуті) навантаження підключено між позитивним і негативним виводами джерела, напруга на ньомуи_H=-2U.

Принцип реалізації багаторівневої синусоїдальної ШІМ ілюструє рис.4.87. Як і при однополярній модуляції (п.4.2.4.1) для ключів обох плеч мосту використовується дві напруги завдання u_ЗАД1 і u_ЗАД2, що змінюються у протифазі. На рис.4.87 імпульси керування подані лише для ключів К1 і К4, для ключа К2 імпульси керування є інверсією імпульсів К4, для ключа К3 імпульси керування є інверсією імпульсів К1. Напруги на плечах мосту u_А0 і u_В0 мають той же вигляд, що і у напівмостовій схемі. Напруга на навантаженні

u_H(1)=u_АВ(1)=u_А0(1) – u_В0(1)=μUsinω₂t – μUsin(ω₂t-π)=2μUsinω₂t .

Амплітуда і діюче значення напруги навантаження при цьому:

U_НМ(1)=2μU,U_Н(1)=√2μU. (4.72)

При активно-індуктивному навантаженні струм і_Ндобре відфільтровується і має практично синусоїдальну форму (рис.4.88). Відносно першої гармоніки напругии_Н(1) струмі_Нвідстає на кутφ.

Вхідний струм БАІН і_d=і_dР знайдемо виходячи з балансу миттєвої потужності. Миттєва потужність p(t), що віддається у навантаження

,

де амплітудні і діючі значення першої гармоніки напруги і струму U_Нm(1)=μ2U=√2U_Н и I_Нm=√2I_Н, ω₂ - кутова частота вихідної напруги АІН. З урахуванням останнього

Вважаємо, що ємність C у колі постійного струму достатньо велика, щоб напруга на вході АІН була ідеально згладженою, тобто u_d(t)=2U. При цьому потужність на вході АІН

.

Звідки значення вхідного струму і_dР

.

Таким чином, поряд з постійної складовою у вхідному струмі присутні і змінні складові. Діаграми струму і_dР, що споживається від позитивного виводу джерела і його усередненого за період модуляції значення і_dРСР, що підтверджують ці висновки, подані на рис.4.88. Постійна складова вхідного струму

.

Змінна складова вхідного струму замикається крізь конденсатор, тобто струм конденсатору, обумовлений цією гармонікою

.

Відповідне значення напруги пульсації на конденсаторі відносно постійної складової U

,

де U_Пm – амплітуда пульсації.

Значення ємності C обирається як і п.4.2.4.2 виходячи з необхідного коефіцієнта пульсацій К_П при цьому

.

Змінні складові струмів, що споживаються від позитивного і_dР і негативного полюсів джерела і_dN змінюються у протифазі, тобто струм i_С замикається крізь послідовно з’єднані конденсатори на вході БАІН. При цьому струм i_d0 (рис.4.86), що споживається від середнього виводу конденсаторів являє собою різницю миттєвих значень струмів і_dР і і_dN (рис.4.88). Середнє значення струму i_d0CP практично дорівнює нулю.

Середнє значення струмів у елементах схеми розраховується аналогічно схемі трифазного БАІН, про що мова йде нижче.

Відзначимо також, що наявність пульсацій вхідної напруги обумовлює у вхідному струмі випрямляча гармонійні складові з частотами кратними частоті вихідної напруги, як і у схемі однофазного АІН (п.4.2.4.1)

Трифазний мостовий трирівневий АІН.

Розглянуті вище напівмостова (рис.4.82) і однофазна мостова схеми інвертору (рис.4.86) не дають змогу продемонструвати переваги багаторівневого формування напруги, що проявляються у трифазній мостовій схемі, яка складається з трьох однакових плечей (рис.4.89). Трифазне симетричне навантаженняZ_H підключено до відповідних виводів а, в, с плеч інвертора за схемою “зірка”. Вмиканням визначеної комбінації ключів у плечах схеми забезпечується можливість підключення кожної фази навантаження до відповідного виводу джерела постійного струму (на рис.4.89 позначені як: +U, 0, -U).

Збільшення кількості рівнів напруги живлення обумовлює збільшення кількості можливих станів схеми БАІН. Так у трифазній мостовій схемі дворівневого інвертора (п.4.2.5) кількість станів, коли фази навантаження підключені до різних полюсів джерела (ненульові вектора) – 6, крім того, є 2 стани, коли усі фази навантаження підключені до одного полюса джерела (нульові вектора, один з яких є надлишковим).

Загальна кількість станів [175] визначається кількістю рівнів вихідної напруги фази N=m=3 і становить . Загальна кількість базових векторів (нульових та ненульових)(18 ненульових та 1 нульовий), яким окрім основних станів відповідає ряд надлишкових (“redundant”) [123, 122] – в даній схемі їх 8 (6 ненульових та два нульових).

Аналіз також ускладнюється взаємозв’язаною роботою фаз навантаження - у подальшому вважаємо, що воно має схему з’єднань «зірка». Деякі стани схеми БАІН (вважаємо ключі схеми ідеальними) подані на рис.4.90.

Якщо для випадку на рис.4.90,б, де дві фази навантаження (аис) з’єднані паралельно друг другу і послідовно з третьою фазою (в), аналіз розподілення напруги на симетричних опорах навантаження не є складним, то для інших варіантів задача ускладнюється. Це відноситься до станів на рис.4.90,а, в, де всі фази навантаження підключені до різних рівнів напруги джерела. Перетворимо схему (рис.4.90,а) до вигляду, що поданий на рис.4.91 – для неї можна скористатися методом вузлової напруги. Згідно напрузіU_nmневажко розрахувати напругу у фазах навантаження:

U_nm = (-U·Y_в+ U·Y_c)/(Y_a +Y_в + Y_c)= 0,

звідки фазні напруги на навантаженні:

U_а=0, U_в= -U, U_с=U.

(де Y_a=Y_в=Y_c - провідності фаз навантаження).

Фазні напруги для основних комбінацій з трьома рівнями напруги подані у табл.4.14 і табл.4.15. При цьому у таблиці не увійшли “нульові” комбінації, коли всі три фази навантаження з’єднані з одним виводом джерела. У табл.4.15 комбінації 1 – 6 і відповідно 7 - 12 відносно фазної напруги на навантаженні однозначні. Тобто замість 12 комбінацій фактично маємо 6. Слід відзначити, що вихідна напруга має 9 рівнів з дискретністю U/3, амплітуда 4U/3 (U – один рівень напруги джерела). Кожному із станів відповідає певний просторовий вектор напруги (див. рис.4.61). При цьому табл.4.15 відповідає перший рівень вектора з дискретністю пересування 60º, а табл.4.14 відповідає д

Таблиця 4.14

До розрахунку напруги у фазах трирівневого БАІН

Вивід джерела, до якого підключена фаза навантаження

№

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

а

U

U

U

0

-U

-U

-U

-U

-U

0

U

U

в

-U

0

U

U

U

U

U

0

-U

-U

-U

-U

с

-U

-U

-U

-U

-U

0

U

U

U

U

U

0

Фазна напруга

Uа

4U 3

3U 3

2U 3

0

-2U 3

-3U 3

-4U 3

-3U 3

-2U 3

0

2U 3

3U 3

Uв

-2U 3

0

2U 3

3U 3

4U 3

3U 3

2U 3

0

-2U 3

-3U 3

-4U 3

-3U 3

Uc

-2U 3

-3U 3

-4U 3

-3U 3

-2U 3

0

2U 3

3U 3

4U 3

3U 3

2U 3

0

Таблиця 4.15

До розрахунку напруги у фазах трирівневого БАІН

Вивід джерела, до якого підключена фаза навантаження

№

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

а

U

0

0

-U

0

0

0

U

-U

0

-U

U

в

0

0

U

0

0

-U

-U

U

0

U

-U

0

с

0

-U

0

0

U

0

-U

0

-U

U

0

U

Фазна напруга

Uа

2U 3

U 3

-U 3

-2U 3

-U 3

U 3

2U 3

U 3

-U 3

-2U 3

-U 3

U 3

Uв

-U 3

U 3

2U 3

U 3

-U 3

-2U 3

-U 3

U 3

2U 3

U 3

-U 3

-2U 3

Uc

-U 3

-2U 3

-U 3

U 3

2U 3

U 3

-U 3

-2U 3

-U 3

U 3

2U 3

U 3

ругий рівень вектора подвійної амплітуди з дискретністю пересування 30º.

Амплітудне регулювання вихідної напруги.

Розглянемо амплітудне регулювання вихідної напруги з формуванням просторового вектору напруги (див.п.4.3.2.1). Алгоритм перемикання ключів при цьому для трирівневого трифазного БАІН визначається табл.4.14 і табл.4.15. При цьому можна отримати два рівня вихідної напруги, що ілюструють рис.4.62 і рис.4.63.

Діаграми напруги і струму у фазі навантаження, а також струми у елементах схеми приведені на рис.4.92 для другого рівня просторового вектору.

Для спрощення аналізу завантаження елементів схеми за струмом вважаємо, що вихідний струм фази БАІН| (і_ФА) синусоїдальний. Струм і_ФА через тиристор ключа К1А при його вмиканні протікає на інтервалі (0 ,(π-φ-15º)) - для зручності відлік ведемо відносновідносноструму і_ФА . Середнє значення струму тиристора VTК1А

,

де I_Hm - амплітуда першої гармоніки струму навантаження I_Hm=I_Фm(1).

Середнє значення струму діода VDК1А при тривалості (φ -15)

.