3577

Пульсациями периодического сигнала считают разность между величинами напряжений этого сигнала и его основной гармонической составляющей.

Рис.8.18,а показывает однофазный импульсный инвертор. Предполагается, что он питает индуктивную нагрузку, показанную для простоты в виде источника э.д.с. е0. Так как е0(t) считается синусоидальной, то именно синусоидальные (основной частоты) составляющие отвечают за передачу мощности в нагрузку.

UL = UL1 + Uпульс Индуктивно двигательная нагрузка

Однофазный

Рис. 8.19. Однофазный инвертор: а - схема; б - составляющие основной частоты; в - составляющие частоты пульсаций;

г - векторная диаграмма для основной частоты Можно разделить основную составляющую и пульсации, используя

принцип суперпозиции для линейной цепи рис.8.20,а на UL1 и Uпульс и i0 = i01 + iпульс. Рис. 8.20,б, показывает схемы для основной составляющей и для частот пульсаций соответственно, где составляющая пульсаций содержит ряд гармоник.

Рис. 8.19. Пульсации на входе инвертора:

а – режим прямоугольного сигнала; б - биполярная ШИМ Поэтому в векторном виде (для частоты основной составляющей)

можно записать так (см. рис. 8.19,г)

Так как действует принцип суперпозиции, все пульсации в U0 приложены к L, где

где k – постоянная; δ переменная интегрирования.

При соответствующем выборе начала отсчета t = 0, константа в (8.52) будет равна нулю. Поэтому (8.51) и (8.52) показывают, что ток пульсаций не зависит от передаваемой в нагрузку мощности.

Например, рис.8.20,а показывает ток пульсаций для выхода инвертора с прямоугольным напряжением. Рис.8.20,б – ток пульсаций для

ШИМ с биполярным переключением напряжения. На рис.8.20,а и 8.20,б основные составляющие поддерживаются равными по величине (что требует большего Ud в ШИМ инверторе). ШИМ инвертор генерирует значительно меньшую величину тока пульсаций по сравнению с прямоугольным инвертором. Это показывает преимущество увеличения (на сколько это возможно) частот гармоник выходного напряжения, уменьшающего тем самым потери в нагрузке, так как уменьшаются гармоники выходного тока. Это достигается использованием высоких частот переключений, что ведет к более частым переключениям и, следовательно, к увеличению потерь на переключения в инверторе. Поэтому, с энергетической точки зрения всей системы, при выборе частоты переключений инвертора необходимо искать компромисс.

8.5.6. Двухтактные инверторы

На рис. 8.21 показана схема двухтактного инвертора. Для его работы необходим трансформатор с отводом от средней точки первичной обмотки. Сначала предположим, что выходной ток iо протекает непрерывно. При этом, когда вентиль Т1 включен (а Т2 выключен), Т1 будет проводить положительную величину iо, а D1отрицательную. Поэтому, независимо от направления iо, U0=Ud/n, где n -соотношение числа витков половины первичной обмотки и id вторичной обмотки.

i0

+

Ud/n. Двухтактным инвертором можно управлять с помощью ШИМ или в режиме прямоугольного напряжения, причем формы сигналов схожи с показанными на рис. 8.5 и рис.8.12 для полумостового и полномостового

Основным преимуществом двухтактной схемы является то, что в любой момент времени ток проводит только один из последовательно соединенных вентилей. Это может оказаться важным, если вход преобразователя питается от низковольтного источника типа батареи, где при параллельном соединении падает большее напряжение, чем может вызвать один последовательно соединенный вентиль, при заметном снижении эффективности с энергетической точки зрения. Кроме того, схемы управления для двух вентилей имеют общую "землю". Однако в таком инверторе трудно предотвратить проникновение постоянного тока в трансформаторную обмотку.

Выходной ток, протекающий по вторичной обмотке, это медленно изменяющийся ток с частотой, равной основной выходной частоте. Его можно считать неизменным за время интервала переключения. При переключении ток переходит с одной первичной полуобмотки на другую. Для этого необходима очень хорошая магнитная связь между обмотками, с целью уменьшения потерь на рассеяние от двух первичных полуобмоток. Эта энергия будет рассеиваться либо в самих вентилях, либо в их ограни-

чивающих цепях, используемых для защиты этих вентилей. Данное явление присуще всем преобразователям (или инверторам) с гальванической развязкой, где ток в одной из обмоток заставляют спадать до нуля при каждом переключении. При разработке таких преобразователей это явление очень важно.

В двухтактном ШИМ инверторе для получения синусоидального выходного напряжения (в отличие от используемых в качестве источников постоянного тока) трансформатор должен быть рассчитан на основную выходную частоту. Поэтому число витков должно быть увеличено по сравнению с трансформатором для работы на частоте переключений в импульсном выпрямителе. Это ведет к увеличению индуктивности рассеяния, которая пропорциональна квадрату числа витков, при сохранении всех остальных показателей постоянными. Поэтому довольно сложно создать модулированный синусоидой двухтактный ШИМ инвертор при частотах переключений выше, чем частоты около 1кГц.

Использование вентилей в однофазных инверторах

Так как целью данного раздела является сравнение использования вентилей в различных однофазных инверторах, условия работы схем упрощены. Будем считать, что Udмакс - максимальная величина входного напряжения, которое устанавливает и величины напряжении на вентилях. В режиме ШИМ входное напряжение остается постоянным при величине Udмакс. В режиме прямоугольного напряжения оно снижается до величины ниже Udмакс для уменьшения выходного напряжения ниже максимального. Вне зависимости от режима будем полагать, что нагрузка обладает достаточно большой индуктивностью для получения чисто синусоидального тока (на самом деле это всего лишь идеализированное состояние, в случае работы в режиме прямоугольного напряжения) при его величине, равной I0макс, и при максимальной нагрузке.

Если считать выходной ток чисто синусоидальным, выходная мощность инвертора будет равна U 01 I 0 макс при основной выходной частоте, и эта выходная мощность является максимальной; здесь подстрочная 1 показывает, что выражение для мощности записано для основной составляющей выходного напряжения инвертора. При UT и IT в качестве максимального напряжения и тока вентиля, коэффициент использования вентиля (К.И.В.) можно определить:

U01I0 макс

где q – число вентилей в инверторе.

Для сравнения использования вентилей в различных типах однофазных инверторов сначала сравним их при работе в режиме прямоугольного напряжения при максимальной нагрузке (максимальное использование вентиля имеет место при Ud = Udмакс).

Двухтактный инвертор

( n – соотношение числа витков обмоток, рис.8.21).

Таким образом, в каждом из инверторов коэффициент использования вентилей один и тот же и равен

На практике коэффициент использования вентилей бывает гораздо меньше 0,16 по следующим причинам:

1)параметры вентилей выбирают с запасом для обеспечения безопасной работы;

2)при определении токов через вентиль в ШИМ инверторе необходимо принимать во внимание возможные колебания входного DС напряжения;

3)пульсации выходного тока влияют на параметры вентилей.

Кроме того, инвертор может быть включен на кратковременную перегрузку. Поэтому реальный коэффициент использования вентилей получается меньше рассчитанного значения 0,16.

При уменьшении мощности ниже максимальной, коэффициент использования вентилей линейно уменьшается. Необходимо заметить, что при использовании ШИМ при mа < 1,0 этот коэффициент будет меньше

на величину 4 ma по сравнению с режимом прямоугольного напряжения:

Поэтому теоретически максимальный коэффициент использования вентилей в схеме переключений ШИМ составляет около 0,125 при mа=1,0, по сравнению с 0,16 в инверторе с прямоугольным напряжением.

Пример 8.4. В однофазном полномостовом ШИМ инверторе Ud изменяется в диапазоне 295-325 B. Необходимо выходное напряжение,

стабилизированное на 200 В при максимальном (синусоидальном) токе нагрузки 10 А. Вычислить коэффициент использования вентилей (без учета перегрузок).

Решение.

В данном инверторе

UT = Udмакс

q = 4(число вентилей)

Максимальное значение полной выходной мощности (при основной частоте):

8.6. Трехфазные инверторы

Трехфазные инверторы в основном работают на трехфазную нагрузку в качестве источников непрерывного питания и источников питания электроприводов переменного тока. Возможно питать трехфазную нагрузку, используя три отдельных однофазных инвертора, где каждый из них на выходе выдает напряжение, сдвинутое на 120° по отношению к двум другим. Хотя при соответствующих условиях это и предпочтительнее, но в таком случае требуется либо трехфазный выходной трансформатор, либо раздельный доступ к каждой из трех фаз нагрузки. На практике это обычно невозможно. Кроме того, требуется12 вентилей.

id

+

U d

2

Рис. 8.22. Трехфазный инвертор Чаще всего используют трехфазную схему инвертора, состоящего

из трех плеч, одного на каждую фазу, как показано на рис.8.22. Поэтому выход например UAN (относительно отрицательной постоянного тока), зависит только от Ud и состояния вентиля; выходное напряжение не зависит от выходного тока нагрузки, так как один из двух вентилей в плече всегда включен в любой момент времени.

Здесь мы снова не учитываем временные задержки на переключение, полагая вентили идеальными. Поэтому выходное напряжение инвертора не зависит от направления тока нагрузки.

ШИМ в трехфазных инверторах напряжения

Как и в однофазных инверторах, целью трехфазных ШИМ инверторов является возможность формировать и управлять амплитудой и частотой трехфазного выходного напряжения при постоянном входном напряжении Ud. Для симметричного трехфазного выходного напряжения в трехфазном ШИМ инверторе пилообразное напряжение сравнивают с тремя синусоидальными сигналами управления, сдвинутыми на 120°, как показано на рис.8.23,а (для mf =15).

Рис

. 8.23. Формы сигналов и гармонический спектр при трехфазной ШИМ

Из рис.8.23,б также видно, что в выходных напряжениях UAN и UBN, измеренных относительно отрицательной шины, присутствует одна и та же средняя величина постоянного напряжения. Однако эти постоянные составляющие исчезают в линейных напряжениях, например, в UAB, показанном на рис.8.23,6. То же происходит и в однофазном полномостовом инверторе, использующем ШИМ.

В трехфазных инверторах мы будем рассматривать только гармоники в линейном напряжении. Гармоники в выходном напряжении любого плеча инвертора, например, UAN на рис.8.22,6 сходны с гармониками в UA0 на рис.8.5, где в полосах частот присутствуют только нечетные гармоники, сконцентрированные вокруг mf и кратных ему частот, при не-

четном mf . При учете только гармоник при mf (то же относится и к его нечетным кратным) разница в фазе между гармоникой m f в UAN и UBN равна (120m f )° . Эта разность будет равна нулю (как помноженная на 360°), если mf нечетен и кратен трем. Как следствие, подавляется гармоника при mf в линейном напряжении UAB. То же относится и к подавлению нечетных гармоник, кратных mf , если mf выбран нечетным и крат-