Меню

Способы управления автономным инвертором напряжения

Способы управления автономным инвертором напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления автономными инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией для преобразователей частоты, входящих в состав систем электроприводов переменного тока с жесткими требованиями по электромагнитной и электромеханической совместимости.

Известен способ формирования импульсов управления ключами трехфазного инвертора (Казаченко В.Ф. Практическое руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. — М.: Изд-во ЭКОМ, 1997. — 500 с.) путем сравнения по трем каналам одного цифрового опорного сигнала треугольной формы и трех цифровых сигналов задания, изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из каналов сравнения формируют управляющий сигнал, соответствующий логической «1», если опорный сигнал меньше сигнала задания, и логическому «0», если опорный сигнал больше сигнала задания, который дополнительно с инверсным используют для управления верхним и нижним ключами соответствующей фазы инвертора. Модулирующие сигналы представляют собой дискретные выборки табличных значений синуса, развертка которых во времени осуществляется по прерываниям процессора, а амплитуда определяется законом частотного управления.

Недостатком известного способа является несимметричность фазных напряжений на обмотках двигателя относительно оси ординат и, следовательно, содержание в спектре выходных напряжений четных гармоник, оказывающих наибольшее влияние на электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Известен способ управления преобразователем частоты (патент RU №2482595, опубл. 20.05.2013 г.), в котором формирование сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты осуществляют с помощью широтно-импульсной модуляции в моменты равенства опорного пилообразного напряжения высокой частоты и управляющего напряжения низкой частоты, причем моменты формирования сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты дополнительно изменяют на каждом коммутационном интервале по случайному закону. Данное изменение осуществляется за счет дополнительной модуляции по случайному закону скорости нарастания опорного пилообразного напряжения высокой частоты на каждом коммутационном интервале.

Недостатком такого способа управления является содержание в спектре выходного напряжения и тока высокого уровня амплитуд гармоник на частотах ШИМ и кратных ей, что отражается на пульсациях электромагнитного момента двигателя и габаритах выходного фильтра преобразователя в случае его наличия. Также в данном способе из-за изменения скорости нарастания опорного напряжения высокой частоты, при сохранении периода модуляции, возможно снижение амплитуды опорного напряжения, следствием чего является слияние следующих друг за другом импульсов управления силовыми ключами преобразователя и, соответственно, импульсов выходного напряжения преобразователя. На этих участках теряется управляемость двигателем — зависимость ширины импульсов от амплитуды модулирующего сигнала.

Известен способ управления преобразователями частоты на основе ШИМ («Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей» Тезисы докладов второго межведомственного научно-технического совещания. Академия наук Эстонской ССР, Институт термофизики и электрофизики. Таллин, 1982), в котором для решения проблем электромагнитной совместимости используются различные методы формирования ШИМ сигналов управления их полупроводниковыми ключами. При этом сами преобразователи во всех случаях выполняются со специально синтезируемыми фильтрами выходного напряжения.

Недостатками известного способа управления преобразователями частоты являются повышенные массогабаритные показатели их выходных фильтров и, как следствие, низкое качество выходного напряжения из-за перенапряжений, возникающих при коммутациях нагрузки (из-за большой индуктивности дросселей фильтров).

Известен способ формирования широтно-импульсных сигналов управления автономным инвертором путем сравнения опорного напряжения треугольной формы и модулирующего напряжения синусоидальной формы (Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 216 с.), результатом которого является формирование серии импульсов, длительность которых изменяется по синусоидальному закону. Для получения трехфазной системы сигналов управления ключами инвертора используется один источник опорного напряжения, задатчик трехфазного управляющего напряжения и три канала сравнения, в каждом из которых формируются два импульса управления ключами фазы инвертора.

Недостатком данного способа является содержание в спектре выходного напряжения инвертора высокочастотных гармоник с достаточно большой амплитудой, оказывающих наибольшее влияние на пульсации электромагнитного момента двигателя.

Известен способ управления трехфазным автономным инвертором (Патент RU №2558722, опубл. 16.04.2014 г.), основанный на сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного трехфазного модулирующего напряжения, в котором производят модуляцию амплитуды положительных и отрицательных полуволн опорного напряжения соответственно положительной и отрицательной огибающими максимальных фазных модулирующих напряжений, и далее полученное опорное напряжение сравнивают с фазными модулирующими напряжениями.

Недостатком такого способа является присутствие в спектре выходного напряжения высокочастотных гармоник, имеющих достаточно большую амплитуду, что приводит к увеличению вибраций электропривода на соответствующих частотах, т.е. ухудшению электромеханической совместимости преобразователя с двигателем.

Известен способ формирования широтно-импульсных сигналов управления автономного инвертора (патент RU №2326486, опубл. 10.06.2008 г.), принятый за прототип, содержащего в каждой фазе полумост из последовательно соединенных первого и второго силовых ключей и полумост обратных вентилей, подключенных соответственно к первому и второму выводам источника питания, а средней точкой — к соответствующей фазе асинхронного двигателя, состоящий в том, что формирование импульсов управления осуществляют путем сравнения одного опорного сигнала треугольной формы и трех модулирующих синусоидальных сигналов задания, изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из трех каналов сравнения формируют высокий уровень широтно-импульсного сигнала, если опорный сигнал меньше сигнала задания, и низкий уровень, если опорный сигнал больше сигнала задания, и формируют в каждом из трех выходных каналов два сопряженных инверсных относительно друг друга выходных сигнала управления первого и второго ключей соответствующей фазы инвертора, кроме того, дополнительно изменяют знак модулирующих сигналов на противоположный шесть раз за период в моменты времени, соответствующие точкам естественной коммутации выходных напряжений, и одновременно с коммутацией модулирующих сигналов инвертируют сигналы выходных каналов по отношению к широтно-импульсным сигналам каналов сравнения.

Недостатком способа является присутствие в спектре выходного напряжения высокочастотных комбинационных гармоник с частотами f2кp=к⋅f1±p⋅f2, где к,р=1,2,3 … — ряд натуральных чисел, f1 — частота опорного сигнала треугольной формы, f2 — частота управляющего сигнала. Однако гармоники первой группы комбинационных гармоник с частотами f21p=f1±p⋅f2 имеют достаточно большую амплитуду, что приводит к увеличению вибрации двигателя на соответствующих частотах, увеличению массы и габаритов выходного силового фильтра в случае его наличия, увеличению вибрации дросселей. Кроме того, комбинационные гармоники попадают в частотный поддиапазон радиопомех, что ведет к снижению показателей электромагнитной совместимости.

Техническим результатом изобретения является улучшение виброшумовых и массогабаритных показателей электропривода переменного тока при одновременном повышении его электромагнитной и электромеханической совместимости.

Технический результат достигается тем, что дополнительно осуществляют изменение частоты опорного сигнала треугольной формы в заданном диапазоне частот таким образом, что длительность каждого последующего периода опорного сигнала отличается от предыдущего, при этом период выходного напряжения соответствует периоду модулирующего синусоидального сигнала задания, а диапазон изменения частоты выбирают в пределах от (0,95÷0,8)⋅fpwm до (1,05÷1,2)⋅fpwm, исходя из допустимых потерь на переключениях и интенсивности «размазывания» высокочастотного спектра, где fpwm — средняя частота работы преобразователя.

Описываемый способ управления автономным инвертором напряжения поясняется следующими чертежами:

фиг. 1 — схема автономного инвертора напряжения для реализации способа управления;

Читайте также:  Как понизить постоянное напряжение с 220 до 12 вольт

фиг. 2 — структурная схема технической реализации способа управления автономным инвертором напряжения, где:

1 — задатчик частоты;

2 — блок формирования фазы;

3 — трехфазный формирователь синусоидальных модулирующих сигналов;

4 — блок перемножения;

5 — функциональный преобразователь;

6 — узел сравнения;

7 — формирователь сигналов управления транзисторами;

8 — формирователь опорного сигнала треугольной формы;

9 — регулятор частоты опорного сигнала;

фиг. 3 — диаграмма управляющих сигналов;

фиг. 4 — спектры напряжения инвертора, тока и электромагнитного момента асинхронного двигателя при постоянной частоте (а) и при изменении частоты опорного сигнала треугольной формы (б), иллюстрирующие результат, полученный заявленным изобретением, где U(n), I(n), Mem(n) — амплитуды n-й гармонической составляющей напряжения инвертора, тока и электромагнитного момента двигателя; n — порядковый номер гармоник, кратных частоте работы инвертора.

Способ осуществляется следующим образом. Автономный инвертор напряжения (фиг. 1) содержит три полумоста полностью управляемых ключей V1-V6 и три полумоста неуправляемых обратных вентилей D1-D6. Каждый из полумостов фазы инвертора содержит первый и второй ключи, подключенные соответственно к первому и второму выводам источника питания, а средней точкой — к соответствующей фазе асинхронного двигателя М.

Структурная схема технической реализации способа управления автономным инвертором напряжения (фиг. 2) содержит задатчик 1 частоты, выход которого подключен через последовательно соединенные блок 2 формирования фазы и трехфазный формирователь 3 синусоидальных напряжений к трем первым входам блока 4 перемножения, а к его четвертому входу — через функциональный преобразователь 5. Три выхода блока 4 подключены через блок 6 сравнения к трем входам формирователя 7 импульсов управления ключами инвертора. Выход регулятора частоты опорного сигнала 9 подключен через генератор опорного сигнала треугольной формы 8 к четвертому входу блока 6 сравнения. Регулирование скорости асинхронного двигателя осуществляется путем изменения частоты питающих напряжений с одновременным изменением их амплитудных значений. Формирование напряжений осуществляется инвертором (фиг. 1) за счет коммутации силовых ключей V1-V6. Для формирования синусоидальных токов в фазах двигателя используется широтно-импульсная модуляция напряжений по синусоидальному закону.

Частота выходных напряжений формируется задатчиком 1, а соотношение между частотой и выходным напряжением инвертора, определяющее закон частотного регулирования, задается с помощью функционального преобразователя 5. Опорная фаза модулирующих сигналов задания формируется с помощью блока 2, а с помощью блока 5 задается их амплитудное значение. Формирование системы трехфазных модулирующих сигналов сдвинутых относительно друг друга на угол 2π/3, осуществляется формирователем 3, а модуляция их по амплитуде — блоком перемножения 4.

Формирование широтно-импульсных сигналов управления осуществляется с помощью трехканального блока сравнения 6. Причем в каждом из каналов производят сравнение модулирующего сигнала соответствующей фазы с общим для всех каналов опорным сигналом треугольной формы, вырабатываемым блоком 8. Модулирующий и опорный сигналы канала фазы блока 6 показаны на фиг. 3, там же представлен широтно-импульсный сигнал на выходе соответствующего канала сравнения. Для уменьшения амплитуд высших гармоник, содержащихся в выходном напряжении инвертора, токе и электромагнитном моменте двигателя, осуществляют изменение частоты опорного сигнала треугольной формы вырабатываемого блоком 8 в соответствии с заданием на выходе регулятора частоты опорного сигнала 9.

Выходные сигналы а, b, с блока 6 поступают на блок 7, где производится формирование для каждой фазы пар, комплиментарных сигналов a1, а2, b1, b2, c1, с2 управления верхними и нижними ключами инвертора.

На фиг. 3 представлены графики, на которых сплошной линией показаны сигналы при постоянной частоте опорного сигнала треугольной формы, а пунктирной — при изменяющейся частоте опорного сигнала треугольной формы. На графиках обозначено: U9 — сигнал задания частоты опорного сигнала; U8 — опорный сигнал треугольной формы; U4 — модулирующий сигнал, определяющий частоту и амплитуду выходного напряжения инвертора; U6 — широтно-импульсный сигнал на выходе канала сравнения.

Установлено, что наиболее целесообразно при использовании заявленного способа управления автономным инвертором напряжения диапазон изменения частоты выбирать в пределах от (0,95÷0,8)⋅fpwm до (l,05÷l,2)⋅fpwm исходя из допустимых потерь на переключениях и интенсивности «размазывания» высокочастотного спектра, где fpwm — средняя частота работы преобразователя.

Реализация заявленного способа управления автономным инвертором напряжения на макете электропривода дала положительные результаты, которые наглядно отражены на фиг. 4.

Таким образом, результат, достигаемый предложенным способом управления (фиг. 4б), в сравнении с прототипом (фиг. 4а), позволяет уменьшить амплитуды отдельно взятых высокочастотных гармоник в напряжении инвертора U(n), токе I(n) и электромагнитном моменте Mem(n) асинхронного двигателя, распределяя их по спектру, а это, в свою очередь, позволяет улучшить виброшумовые и массогабаритные показатели (снижение габаритов выходного фильтра преобразователя) электропривода переменного тока. Соответственно, происходит улучшение показателей электромагнитной и электромеханической совместимости электропривода.

Способ управления автономным инвертором напряжения, включающий в каждой фазе полумост из последовательно соединенных первого и второго силовых ключей и полумост обратных вентилей, подключенных соответственно к первому и второму выводам источника питания, а средней точкой — к соответствующей фазе асинхронного двигателя, состоящий в том, что формирование импульсов управления осуществляют путем сравнения одного опорного сигнала треугольной формы и трех модулирующих синусоидальных сигналов задания, изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из трех каналов сравнения формируют высокий уровень широтно-импульсного сигнала, если опорный сигнал меньше сигнала задания, и низкий уровень, если опорный сигнал больше сигнала задания, и формируют в каждом из трех выходных каналов два сопряженных инверсных относительно друг друга выходных сигнала управления первого и второго ключей соответствующей фазы инвертора, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют изменение частоты опорного сигнала треугольной формы в заданном диапазоне частот таким образом, что длительность каждого последующего периода опорного сигнала отличается от предыдущего, при этом период выходного напряжения соответствует периоду модулирующего синусоидального сигнала задания, а диапазон изменения частоты выбирают в пределах от (0,95÷0,8)⋅f до (1,05÷1,2)⋅f исходя из допустимых потерь на переключениях и интенсивности «размазывания» высокочастотного спектра, где f — средняя частота работы преобразователя.
Способ управления автономным инвертором напряжения
Способ управления автономным инвертором напряжения
Способ управления автономным инвертором напряжения
Способ управления автономным инвертором напряжения

Источник

Что такое инвертор напряжения

Довольно часто возникают ситуации, когда требуется получить переменный ток путем преобразования постоянного тока. Для этих целей существует специальный прибор – инвертор напряжения, в котором находится встроенный микропроцессор, позволяющий автоматически выбрать необходимый режим работы, преобразованием напряжения в сети. Он может постоянное напряжение в 12 или 24 Вольт, которое производит аккумуляторная батарея, преобразовывать в стандартное 220 Вольт для работы большинства электроприборов. Таким образом, инвертор напряжения служит для приборов, использующих стандартную электросеть, бесперебойным источником питания.

  1. Определение инвертора напряжения
  2. Применение инвертора на практике
  3. Принцип работы инверторных устройств
  4. Схема управления
  5. Основные типы преобразователей
  6. Форма выходного напряжения
  7. Напряжение холостого хода в сварочных инверторах

Определение инвертора напряжения

Инвертор напряжения, в том числе и сделанный своими руками — неотъемлемая часть различных генераторов, использующих энергию течения или падения воды, силу ветра или солнечное излучение. С помощью него все виды энергии могут преобразовываться в обыкновенные для бытовых приборов параметры напряжения в 220 вольт из напряжения 12В или из трёхфазного. Таким образом, данные приборы выполняют преобразование постоянного напряжения с одной величиной, в переменное напряжение с требуемой величиной.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения centurion sl 10000 line c

По своей сути схема инвертора напряжения сама является генератором, с помощью которого можно подобрать и получить периодически изменяющееся напряжение. В отличие от стабилизаторов, выходные напряжения могут иметь синусоидальную, близкую к синусоидальной или импульсную формы. На практике эти устройства используются как самостоятельные устройства, или в качестве какой-то отдельной части в системах бесперебойного электроснабжения.

Пользу смогли оценить по достоинству обитатели регионов, которые испытали веерные отключения электроэнергии. Незаменим автономный инвертор напряжения в условиях стихийных бедствий. Очень важно его присутствие в медицинских и детских учреждениях, для безопасности банков, хранилищ, складов.

Применение инвертора на практике

Что такое инвертор напряжения

Выбирая инвертор напряжения, следует помнить, что он поможет и освещение обеспечить при необходимости, и телевизор посмотреть, и даже чайник вскипятить. Для тех, кто вынужден длительное время проводить в дороге, автомобильный инвертор своими руками незаменимое устройство, позволяющее пользоваться обычными бытовыми приборами в поездках.

В большинстве случаев инверторы напряжения используются как запасные фазные источники электропитания. Если ток в розетке пропадает, приборы тут же начинают работать от аккумулятора в обычном режиме. Подача электроэнергии восстановилась — инвертор переходит к зарядке аккумулятора, при этом, не мешая приборам нормально работать от сети. При этом он беспрерывно контролирует ситуацию.

Особую популярность данные устройства приобрели при совместном использовании с компьютерными системами. В этом случае электроснабжение становится непрерывным, даже при внезапном исчезновении сетевого напряжения. В ход идет резервный аккумулятор, обеспечивающий корректное завершение работы и выключение компьютера.

Существуют большие источники бесперебойного питания АИН, оборудованные мощными инверторами с высокой емкостью аккумуляторов. Они способны подавать энергию потребителю в автономном режиме в течение нескольких часов. При возвращении сети в нормальный рабочий режим происходит автоматическое переключение потребителей на нормальное электроснабжение, а аккумуляторы переходят в режим зарядки.

Если же напряжение, которое выдает аккумулятор, падает ниже допустимого предела, в этом случае также начинается его подзарядка. При отсутствии такой возможности — просигнализирует о прекращении подачи электроэнергии и перейдёт в режим ожидания, до возобновления подачи электроэнергии.

Принцип работы инверторных устройств

Современные технологические схемы, связанные с преобразованиями электроэнергии, предполагают использование инверторов в качестве промежуточного звена совместно с другими устройствами. Их основной функцией является преобразование напряжения с высокой частотой трансформации, составляющей несколько десятков или даже сотен килогерц.

Подобная задача с технической точки зрения в настоящее время решается достаточно легко, поскольку принцип работы инверторов основан на полупроводниковых ключах, устойчивых к высоким токам. Специально для этих устройств были разработаны магнитопроводы с нужными параметрами и различные типы электронных микроконтроллеров.

Технические характеристики и физические свойства инверторов примерно такие же, как и у других компонентов, в том числе и силовых устройств. Они отличаются надежностью, высоким коэффициентом полезного действия, минимальной массой и габаритными размерами. Каждый такой прибор должен выдерживать все параметры входного напряжения. Импульсные помехи на выходе находятся в разумных пределах и не создают проблем потребителям.

Схема управления

В каждом инверторе имеются полупроводниковые ключи с обратными шунтирующими диодами в виде моста мостовая схема. Для управления данными элементами используется специальный контроллер. Регулировка и расчет выходного напряжения осуществляется автоматически, в соответствии с мощностью текущей нагрузки. С этой целью изменяется ширина импульса в преобразователе высокой частоты. Данный процесс известен в качестве широтно-импульсной модуляции – ШИМ.

Выходное напряжение низкой частоты отличается симметричными полуволнами за счет постоянной ширины импульса низкочастотного блока.

Выходные ключи инвертора управляются путем специального алгоритма, при котором происходит последовательная смена структур в силовой цепи. За прямой структурой идет короткозамкнутая и далее – инверсная. Таким образом, мгновенная мощность выходной нагрузки инвертора представляет собой пульсации, протекающие с удвоенной частотой. В связи с этим режим работы первичного источника при прохождении через него пульсирующих токов, должен учитывать расчет определенных помех, образующихся на входе инвертора.

Основные типы преобразователей

Все преобразователи напряжения с 12 до 220В разделяются на несколько типов:

  • Первый вариант осуществляет превращение напряжения 12 вольт в 220. Пользуются популярностью у автолюбителей из-за возможности подключения телевизоров, пылесосов и других стандартных электротехнических устройств.
  • Во втором варианте, наоборот, инверторы 220 вольт преобразуют в 12. В основном используется в сложных эксплуатационных условиях, обеспечивая электробезопасность. Например, в специальном оборудовании, предназначенном для помещений с повышенной влажностью.
  • Третий инвертор тока по своей сути является стабилизатором, выполненным на основе двух инверторов. Вначале происходит преобразование 220 вольт в 12, а затем эти 12В вновь преобразуются в 220. В результате двойного преобразования на выходе получается напряжение с идеальной синусоидой. Бытовая техника и оборудование, у которых микросхема с электронным управлением надежно работают совместно с такими преобразователями. Данное устройство используется как стабилизатор напряжения для сварочного инвертора.

Все инверторы имеют три рабочих режима – пусковой, длительный и перегрузочный. В первом случае мощность нагрузки лишь на доли секунды в два раза превышает номинал устройства. Во втором случае нагрузка соответствует номиналу выбранного прибора. В режиме перегрузки расчет мощности подключенных потребителей может быть выше номинала в 1.3 раза. Подобный режим модель среднего инвертора выдерживает около 30 минут.

Форма выходного напряжения

В разных инверторах напряжение на выходе отличается по форме. Если это прямоугольник, то расчет коммутации группы ключей, дополненных обратными диодами, осуществляется таким образом, чтобы на нагрузке возникло переменное напряжение и обеспечивался контроль над режимом циркуляции в цепях реактивной энергии.

Выходное напряжение становится пропорциональным за счет относительной продолжительности импульсов управления или между сигналами, управляющими группами ключей, сдвигаются фазы. Если же циркуляция реактивной энергии находится вне зоны контроля, в этом случае величина и форма напряжения находятся под непосредственным влиянием потребителя.

Преобразователь напряжения, имеющий на выходе ступенчатую форму, с помощью предварительного преобразователя высокой частоты, производит формирование ступенчатой однополярной кривой напряжения. По своей форме она приближена к синусоиде, у которой полный период составляет половину периода напряжения на выходе. Далее, под влиянием низкочастотной мостовой схемы однополярная ступенчатая кривая становится двумя стабилизированными половинками кривой с разной полярностью, форма которой приблизительно напоминает синусоиду.

Напряжение холостого хода в сварочных инверторах

При использовании преобразующих устройств в практических целях, встречается такое понятие, как напряжение холостого хода сварочного инвертора. Данное состояние образуется за счет изменения напряжения 220 или 380 вольт с частотой 50 Гц, то есть может использоваться и трехфазный инвертор напряжения. Вначале оно становится напряжением постоянного тока, а затем вновь превращается в переменное, но уже с высокой частотой на выходе – в пределах 20-50 кГц.

Далее осуществляется расчет и подача этого высокочастотного напряжения к регулятору. Данный элемент поддерживает нужный уровень тока и напряжения, необходимых для зажигания дуги. Напряжение холостого хода не опасно при случайном касании токоведущих частей во время работы со сваркой, тогда как завышенное напряжение может вызвать серьезные негативные последствия.

Читайте также:  Защита линии от наведенного напряжения

Источник



Трехфазный инвертор напряжения, способы управления и характеристики

Трехфазный АИН с нулевым проводом

Одним из простейших вариантов схем трехфазных АИН является инвертор, состоящий из трех однофазных полумостовых инверторов (аналогичных рассмотренному в предыдущем разделе), управляемых со сдвигом на 120 градусов. Схема инвертора показана на рисунке 2.1, а развертки импульсов управления транзисторами – на рисунке 2.2. На рисунке 2.3 показаны развертки выходных напряжений и токов в фазах А и В, и линейного напряжения между этими фазами при активно-индуктивной нагрузке. Кривые построены в предположении, что положительная полуволна выходного напряжения каждой фазы формируется при включении транзистора, имеющего четный номер. Номера транзисторов соответствуют очередности выработки управляющих импульсов. Например, положительная полуволна напряжения фазы А формируется при включении транзистора VT4 в момент времени . Соответственно, отрицательная полуволна формируется при включении транзистора VT1 при Амплитуда фазного напряжения равна напряжению на верхней емкости фильтра C Ф1, которое составляет половину напряжения источника питания E d. Ток нагрузки фазы А замыкается через нулевой провод. При наличии нулевого провода, соединяющего нулевую точку звезды нагрузки со средней точкой входного фильтра, каждая фаза инвертора работает независимо друг от друга. В принципе, возможно два способа управления транзисторами инвертора: с длительностью управляющих импульсов 180 градусов, и с длительностью управляющих импульсов 120 градусов. Поскольку при втором способе управления форма выходного напряжения зависит от параметров нагрузки [3,5], то в настоящее время, как правило, используется лишь первый способ. При длительности управляющих импульсов равной 180 градусов кривая фазного напряжения имеет прямоугольную форму с амплитудой равной половине напряжения в звене постоянного тока. Соответственно, спектр выходного напряжения одной фазы содержит все нечетные гармоники, а действующее значение первой гармоники выходного напряжения определяется соотношением (1.18):

(2.1)

Кривая линейного напряжения показана на рисунке 2.3.

Амплитуда линейного напряжения равна напряжению E d, а длительность импульса – 120 градусов. Равенство нулю линейного напряжения соответствует тем моментам, когда фазные напряжения равны. Например, на интервале одновременно включены транзисторы VT4 и VT6, следовательно, потенциалы фаз А и В равны потенциалу верхней шины моста, а, соответственно, их разность потенциалов равна нулю.

Исходя из кривой линейного напряжения, нетрудно определить его действующее значение:

При вычитании напряжений фаз А и В, первые гармоники которых сдвинуты на 120 градусов, происходит компенсация третьей гармоники и высших гармоник с номерами кратными трем. Соответственно, действующее значение первой гармоники линейного напряжения больше фазного в раз:

Форма кривой входного тока инвертора зависит от характера нагрузки. На рисунке 2.4 показаны развертки тока фазы А, входного тока (потребляемого положительной шиной моста), и тока нулевого провода при чисто активной нагрузке. Очевидно, что в этом случае ток фазы равен:

В течение периода выходного напряжения происходит шесть переключений силовых транзисторов и, соответственно, имеется шесть состояний схемы, которые чередуются через 60 градусов. Соответствующие интервалы пронумерованы на рисунке 2.4 а. В соответствии с алгоритмом формирования управляющих импульсов, показанном на рисунке 2.2, на первом интервале включены транзисторы VT2, VT3 и VT4. То есть, включены два транзистора верхней группы (имеющих общие коллекторы) и лишь один транзистор нижней группы (имеющих общие эмиттеры). Следовательно, к верхней шине моста подключены две фазы нагрузки, а к нижней только одна. Таким образом, от верхней полови-

ны входного фильтра потребляется ток , а от нижней — . Разность этих токов замыкается через нулевой провод.

Через 60 градусов выключается транзистор VT2 и включается транзистор VT5, теперь две фазы нагрузки подключены к нижней шине моста и лишь одна к верхней. Соответственно, ток верхней половины фильтра уменьшается в два раза, а ток нижней – увеличивается. Разность этих токов опять же замыкается через нулевой провод. Аналогичное изменение структуры схемы происходит при каждом переключении силовых транзисторов – шесть раз за период выходного напряжения.

Таким образом, через нулевой провод течет ток с амплитудой равной амплитуде тока фазы, но с тройной частотой. Такую же частоту имеет первая гармоника пульсаций входного тока.

Среднее значение входного тока при активной нагрузке определяется очевидным соотношением:

Таким образом, амплитуда переменной составляющей входного тока равна половине амплитуды тока нагрузки и, соответственно, амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока:

причем частота первой гармоники пульсаций входного тока равна утроенной частоте выходного напряжения.

На рисунке 2.5 показаны кривые токов в схеме при активно-индуктивном характере нагрузки. Поскольку в этом случае кривая тока нагрузки состоит из отрезков экспоненты, соответственно изменился вид кривых входного тока и тока нулевого провода. В то же время, нетрудно видеть, что мгновенные значения входного тока на четных и нечетных интервалах отличаются, что приводит к появлению в этой кривой составляющей тройной частоты.

Спектральный состав входного тока инвертора можно определить, если просуммировать спектры входных токов каждой фазной ячейки, поскольку, в соответствии с первым законом Кирхгофа, можно записать:

Спектр входного тока фазной ячейки можно рассчитать методом коммутационных функций. Действительно, полагая, что кривая выходного напряжения имеет прямоугольную форму, можно представить напряжение фазы А как результат умножения эдс источника питания на коммутационную функцию:

где определена по (1.2) и (1.3).

В этом случае, комплексное сопротивление нагрузки для -той гармоники равно:

(2.9)

Следовательно, спектр тока нагрузки фазы А описывается следующим тригонометрическим рядом:

Величины и , используемые в уравнении (2.10) – амплитуда и фаза -той гармоники тока нагрузки, соответственно.

Как следует из принципа действия полумостовой схемы АИН, ток верхней половины схемы существует только на интервале от нуля до (см. рисунок 1.4д). Следовательно, для расчета кривой входного тока фазной ячейки можно использовать коммутационную функцию следующего вида:

Подставив (1.1) в (2.13) легко убедиться, что:

Тогда, используя (2.13) можно записать:

После подстановки (2.10) и (1.3) в (2.15) получим:

Индексы членов ряда коммутационной функции в (2.16) заменены на , поскольку перемножение рядов должно выполняться почленно. После раскрытия скобок в выражении для можно выделить две составляющих, одна из которых содержит нечетные гармоники, кратные частоте выходного напряжения, образующиеся после перемножения ряда для выходного тока на 1/2, а вторая составляющая содержит четные гармоники, образующиеся после перемножения рядов.

Первая составляющая равна:

Поэтому вторая составляющая представляет собой бесконечную матрицу, содержащую косинусные гармоники суммарных и разностных частот. Результаты перемножения первых трех членов каждого ряда показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Матрица результатов перемножения первых трех членов рядов.

Источник