Однофазные автономные инверторы

Силовая часть однофазных инверторов полностью повторяет силовую часть ШИП (рис. 4.1а). Отличие состоит лишь в алгоритме управления силовыми транзисторными ключами. Если в схеме управления ШИП с симметричным законом управления (рис. 4.1а) на вход подавать не постоянное, а переменное напряжение частоты ( ), то в нагрузке будет формироваться импульсное напряжение, в котором гармоника с частотой ( ) будет наиболее ярко выражена. Гармонический состав выходного напряжения, а соответственно и гармоника частоты в сильной степени будет зависеть от формы входного (в дальнейшем модулирующего) напряжения.

Рассмотрим работу одноплечевого АИН (рис. 5.1 а) с различными формами модулирующего напряжения.

Первоначально рассмотрим закон с прямоугольным модулирующим напряжением. На рис. 5.1 б показаны алгоритм формирования напряжения на нагрузке и его первая гармоника.

Рис. 5.1. Одноплечевой однофазный инвертор (а), способ

формирования выходного напряжения (б)

Автономные инверторы 277

Функциональная схема управления, реализующая этот алгоритм, аналогична рассмотренной ранее для ШИП (рис. 4.1 в), но при этом, как сказано выше, на вход схемы управления должно подаваться переменное напряжение прямоугольной формы. Модель схемы управления повторяет аналогичную для ШИП (рис. 4.5).

На рис. 5.2 представлены результаты моделирования схемы управления инвертором с ШИР модуляцией. На верхней осциллограмме видны напряжения ГПН и напряжение на входе, на двух нижних – сигналы управления транзисторами инвертора.

Обычно схемы управления АИН строятся так, чтобы частота ГПН (рис. 5.1 б) на порядок и более превышала максимальную частоту напряжения на входе.

Рис. 5.2. Результаты моделирования схемы управления с ШИР

278 Электронные аппараты

По аналогии с радиоприёмными и радиопередающими устройствами частота ГПН называется несущей , частота входного напряжения – модулирующей , а само входное напряжение называется модулирующим. Амплитуда и частота этого напряжения задаёт частоту и напряжение основной гармоники на выходе АИН.

На рис. 5.1 б показана первая гармоника выходного напряжения, которая равна частоте входного сигнала. Амплитуда этой гармоники определяется отношением амплитуды входного сигнала и амплитуды пилообразного напряжения . Это отношение обозначается через m и называется коэффициентом модуляции. Рассмотренная модуляция называется широтно-импульсным регулированием или ШИР модуляцией.

Напряжение на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при ШИР модуляции может быть представлено рядом Фурье:

. (5.1)

Составляющие этого разложения, как известно, называются гармониками. Из уравнения (5.1) следует, что в составе выходного напряжения присутствуют только нечётные (1, 3, 5 и т. д.) гармоники.

На рис. 5.3 приведены кривые, характеризующие относительный гармонический состав выходного напряжения инвертора, построенные на основании уравнения (5.1).

Зависимость относительных амплитуд гармоник от частоты называется спектром. Ток нагрузки зависит от параметров нагрузки. При активной нагрузке ток имеет тот же гармонический состав, что и напряжение.

Рис. 5.3. Спектр выходного напряжения инвертора ШИР

Автономные инверторы 279

При индуктивно-активной нагрузке высшие гармоники существенно подавлены.

В качестве примера на рис. 5.4 показан спектр выходного тока инвертора ШИР модуляции, для относительной постоянной времени нагрузки и = 25 Гц, = 500 Гц.

Рис. 5.4. Спектр выходного тока инвертора

В последние годы в связи с появлением мощных быстродействующих транзисторов (IGBT, MOSFET) широкое распространение получили иные способы широтно-импульсной модуляции.

Самым распространённым из них является способ с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ по синусоидальному закону). В этом случае модулирующим напряжением является синусоида.

Формирование выходного напряжения АИН при синусоидальной ШИМ показано на рис. 5.5. Там же показана первая гармоника выходного тока.

В схеме управления при ШИМ модуляции на вход подаётся синусоидальное модулирующее напряжение.

Результаты моделирования схемы управления при этом демонстрирует рис. 5.6.

280 Электронные аппараты

Рис. 5.5. Принцип формирования выходного напряжения

при синусоидальной ШИМ

Рис. 5.6. Результаты моделирования схемы управления

с синусоидальной ШИМ

Автономные инверторы 281

Для расчёта спектра выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШИМ используются методы спектрального анализа, основанные на дискретном преобразовании Фурье. Теоретические вопросы, касающиеся спектрального анализа, выходят за рамки данного учебного пособия. Ниже этот анализ проведён с использованием интерактивных средств пакета расширения Signal Processing Toolbox. Пример такого анализа при ( = 25 Гц, = 500 Гц, m = 0,6, = 240 В) представлен на рис. 5.7. Как следует из рис. 5.7 ближайшая к первой высшая гармоника сдвинута на частоту несущей. При работе АИН на активно-индуктивную нагрузку ток этой гармоник будет на два порядка меньше тока первой гармоники. Поэтому при синусоидальной широтно-импульсной модуляции высшие гармоники можно не учитывать, считая, что инвертор является генератором синусоидального напряжения.

Рис. 5.7. Спектр выходного напряжения инвертора

с ШИМ при m<1

Частота этого напряжения равна частоте модулирующего напряжения ( ),

а амплитуда определяется коэффициентом модуляции

.

С целью увеличения амплитуды первой гармоники на выходе АИН иногда допустимо реализовать режим перемодуляции, когда m>1. Пример спектрального анализа при ( = 25 Гц, = 500 Гц, m = 1,2, = 240 В) представлен на рис. 5.8.

282 Электронные аппараты

Рис. 5.8. Спектр выходного напряжения инвертора

с ШИМ при m>1

Часто автономный инвертор строится так, чтобы он обладал свойствами источника тока. В этом случае используется замкнутый способ реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 5.9.

Рис. 5.9. Реализация «токового коридора» в инверторе

Здесь за счёт отрицательной обратной связи по току и релейного элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения. Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L активно-индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором».

Автономные инверторы 283

При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой источник тока.