ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ




Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах

Инверторы напряжения

Однофазный мостовой инвертор напряжения. Принцип действия инвертора напряжения рассмотрен в гл. 7 на примере однофазной мостовой схемы на тран­зисторах. Синусоидальная ШИМ в этой схеме, как и в однофазной полу мостовой, может быть осуществлена на основе сравнения основной (первой) гармоники выходного напряжения с несущим сигналом треугольной формы. При этом в мос­товой схеме, в отличие от полумостовой схемы, возможно использование как однополярной, так и двух полярной модуляции.

На рис. 8.3 представлена упрощенная функциональная схема однофазного мос­тового инвертора напряжения. В этой схеме ключи S 1— S 4 аналогичны ключам в схеме на рис. 8.1. Для упрощения представления процессов модуляции на стороне постоянного тока посредством соединения двух конденсаторов равной емкости С показана точка схемы 0.

 

 

 

Рис. 8.3. Однофазная мостовая схема инвертора напряжения

 

Различные комбинации состояний ключей S I— S 4 в мостовом инверторе приведены в табл. 8.1, где включенное состояние ключа S обозначено «1», а выключенное — «0». В табл. 8.2 представлены значения н апряжений ua 0 и ub 0 (относительно точки 0) и их разница uab = ua 0- ub 0. В зависимости от вида модуляции в процессе работы инвертора могут использоваться различные комбинации состояний ключей. Рассмотрим возникновение и смену состояний ключей для однополярного и двух полярного видов модуляции.

При однополярной модуляции используются два сигнала управления модуляции u M(θ) и u M(θ) одновременно (см. рис. 8.4, а). При этом существуют две последовательности импульсов управления ключами. Одна управляет ключами S 1 и S 4, а другая — ключами S 3 и S 2. Для принятых обозначений последовательность импульсов, создаваемая при сравнении опорного сигнала u M(θ) с сигналом треугольной формы u H(θ),управляет ключами S 1 и S 4 и определяет напряжение ua 0 (относительно условного узла 0).

 

Таблица 8.1

Значения напряжений

 

Номер Ключи и диоды, находящиеся в проводящем состоянии Напряжение
состояния iab >0 iab <0 ua 0 ub 0 uab
I S 1, S 2 D 1, D 2 U d
         
II D 3, D 4 S 3, S 4 - U d
         
III S I, D 3 D 1, S 3  
       
IV S 2, D 4 S4, D 2  
       

 

 

При использовании для сравнения с несущим сигналом отрицательного

модулирующего сигнала - u M(θ) будет формироваться последовательность импульсов, управляющих ключами S 2 и S 3 и определяющих напряжение ub o. В результате при включении ключей S 1, S 4 происходит одновременная модуляция потенциалов узла а относительно 0 и модуляция потенциала узла b при включении ключей S 3, S 2. При этом потенциал узла а относительно узла 0 равен при включенных ключах S 1, S 2 (состояние I) и при включенных ключах S 2, S 4 (состояние IV). Потенциал узла b относительно 0 равен при включенных ключах S 3, S 4 (состояние II) и при включенных S 1, S 3 (состояние III).

На выходе инвертора формируется напряжение uab (θ). Форма напряжения uab (θ) имеет вид последовательности однополярных импульсов на каждом полупериоде синусоиды, задаваемой сигналом модуляции u M(θ) (рис. 8.4).

 

Рис. 8.4. Диаграммы основных сигналов при синусоидальной однополярной модуляции в однофазной мостовой схеме инвертора напряжения: а — модулирующий u м и несущий u н сигналы; б — выходное напряжение ub 0, uаЬ, ua 0

 

Алгоритм переключения изменяется при переходе от одно полярной к двух полярной модуляции. При реализации этого вида модуляции периодически сме­няются два состояния ключей I и II (см. табл. 8.1). Условия переключения сле­дующие (8.5):

u M (θ) > u H (θ) состояние I;

u M (θ) < u H (θ) состояние II. (8.5)

Переключения состояний I и II соответствуют процессу модуляции в схеме полу мостового инвертора напряжения (см. рис. 8.1, а), реализуемой переключением ключей S I и S 2. Выходные напряжения в мостовом и полумостовом инверторах различаются амплитудами импульсов напряжения. В мостовой схеме амплитуда импульсов напряжения равна Ud а не Ud / 2, как в полумостовой. При модуляции соответственно напряжению изменяется максимальное значение амплитуды первой гармоники напряжения, которая, согласно (8.6), станет равной Ud при Мa = 1. При переходе в режим сверх модуляции с Мa > 1 происходит вырождение модулированного напряжения в напряжение прямоугольной формы с амплитудой первой гармоники (см. рис. 8.3):

 

. (8.6)

Рассмотрим более подробно влияние на электромагнитные процессы однофазного инвертора напряжения активно-индуктивной нагрузки. В этой схеме ток основной гармоники нагрузки отстает от напряжения основной гармоники, обусловливая необходимость изменения потока энергии из нагрузки в источник питания постоянного тока. После изменения знака основной гармоники напряжения ток имеет прежнее направление. В схеме предусмотрены диоды D 1— D 4, включенные параллельно ключам S 1— S 4. На интервалах «вывода» энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, отрицательный ток iab протекает через встречновключенные диоды, возвращаясь в источник постоянного тока напряжения Ud (см. табл. 8.2). Момент прохождения тока через нуль (смена его направления) (8.7) зависит от параметров нагрузки. Если учитывать только основную гармонику тока и выходного напряжения, то этот момент определяется углом φH:

φн=arctg•ω1 L н/ R н, (8.7)

где 𝜔1— частота основной гармоники; L H, R H — индуктивность и активное сопротивление нагрузки.

Очевидно, что значение угла φH влияет на распределение тока нагрузки между ключевыми элементами и «обратными» диодами. Например, при активной нагрузке через «обратные» диоды ток не протекает, а при индуктивной нагрузке среднее значение тока нагрузки распределяется поровну между управляемыми ключами и обратными диодами.

При синусоидальной ШИМ в выходном напряжении присутствуют гармоники напряжения n-го порядка, определяемые коэффициентом кратности частот Mf.

. (8.8) 

 

Здесь при однополярной модуляции: k =1,3,5,…, при l=2,4,6,…;

при двухполярной модуляции:

k =1,3,5,…, при l=2,4,6,…; k =2,4,6,…, при l=1,3,5,…;

8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения

 

Схема трехфазного инвертора напряжения представлена на рис. 8.8, где ключи S 1, S 2 идентичны ключам в ранее рассмотренных схемах однофазных инверторов. В схеме на рис. 8.8 выделен узел 0, образованный соединением конденсаторов С 1 и С 2, относительно которого можно рассматривать фазные напряжения ua 0, ub 0, и uc 0.

 

 

Рис. 8.8. Трехфазная мостовая схема инвертора напряжения

 

В сбалансированной трехфазной системе фазные напряжения и токи одинаковы в каждой фазе (с учетом междуфазного сдвига) и сумма их значений для двух любых фаз определяет значение напряжения и тока в третьей фазе. Это необходимо учитывать при задании опорных сигналов модуляции. Как и в однофазных, в трехфазных схемах можно организовать модуляцию, используя в качестве опорных модулирующих сигналов синусоидальные сигналы и сигналы несущей частоты треугольной формы.

В процессе модуляции в схеме имеет место восемь состояний ключей S 1— S 6, указанных в табл. 8.2. В традиционных методах синусоидальной ШИМ для формирования выходных напряжений используется шесть состояний ключей (I—VI).

Таблица 8.2

Состояние ключей и напряжений фаз a и b в схеме трехфазного инвертора напряжения (0 — выключенное, 1 — включенное)

 

Номер Состояние ключей Значения напряжений
состояния S 1 S 3 S 5 S 4 S 6 S 2 ua 0 ub 0 uc 0
VIII                  
I             Ud
               
II              
               
III             - Ud
               
IV             - U d
               
V              
               
VI             U d
               
VII                  

 

В состояниях VII и VIII выходное напряжение равно нулю. Смена состояний ключей во времени происходит в зависимости от соотношения текущих значений опорного и несущего сигналов. Рассмотрим формирование линейных напряжений на выходе инвертора. В целях единообразия трехфазной и однофазной схем будем рассматривать линейное напряжение uab как разность напряжений фаз а и б, определенных относительно точки 0. Выбор общей точки не имеет принципиального значения. Например, в качестве такой точки можно взять точку с потенциалом минусовой шины постоянного тока или какую-нибудь другую. С учетом выбора общей точки 0 линейное напряжение uab равно разности фазных напряжений uab и т. е. uab = ua 0 - ub 0. Напряжения фаз ua 0 и ub 0 могут принимать следующие значения:

· на интервалах включенного состояния ключа S 1 фаза а соединяется с шинами + Ud и , а на интервалах с включенным состоянием S 4 фаза а соединяется с шинами - Ud и ;

· на интервалах с включенным состоянием ключей S 3 и S 6 для фазы b и .

г

Рис. 8.9. Диаграммы синусоидальной ШИМ в трехфазном инверторе: а — напряжение модулирующих сигналов; б — напряжение фаз ua0; в — напряжение фаз ub0; г — линейное напряжение uab

 

В трехфазных инверторах, как и в однофазных, нагрузку ключей по току можно оценить по средним значениям токов в них на интервале одного периода. Оче­видно, что усредненные значения токов ключей S 1 —S 6 и диодов D 1 —D 6 будут соответствовать отрезкам синусоидальных токов фаз, т. е. первым гармоникам этих токов. При этом следует учитывать, что на интервалах включенных состоя­ний ключей общий ток фазы при активно-индуктивной нагрузке распределяется, например, между ключом S 1 и обратным диодом D 1. Таким образом,

 

 

через ключ S1 ток поступает в нагрузку, а при изменении знака возвращается в источник через обратный диод D 1. Момент смены знака тока определяется коэффициентом сдвига основных гармоник тока и напряжения cosφ. Поэтому, учитывая только основную гармонику токов, несложно произвести расчет статических потерь мощности в ком­мутационных элементах и обратных диодах ключей.

Инверторы тока

До промышленного изготовления управляемых силовых электронных ключей импульсная модуляция в инверторах тока практически не применялась. Использование полностью управляемых ключей (тран­зисторов, запираемых тиристоров и других электронных приборов) позволяет успешно осуществлять импульсную модуляцию в инверторах тока и напряжения [3]. Возможность использования практически идентичных методов модуляции в схе­мах инверторов тока и напряжения обусловлено дуальностью этих схем. След­ствием дуальности является идентичность процессов изменения выходного тока в инверторах тока и выходного напряжения в инверторах напряжения при импульс­ной модуляции.

Существенное различие в алгоритмах, реализующих импульсную модуляцию в схемах инвертора напряжения и инвертора тока, заключается в организации нулевых пауз для выходного напряжения или тока. Например, интервалы нуле­вого напряжения в однофазном мостовом инверторе напряжения (см. табл. 8.1) формируются переводом в проводящее состояние ключей S 1 и S3 или S 4 и S 2 и выключением ключей S 4, S 2 или S 1, S 3 соответственно (см. рис. 8.3). При этом нагрузка шунтируется и отключается от источника напряжения Ud на стороне постоянного тока. Такая коммутация ключей не допустима в инверторе тока, (рис. 8.10),так как в его схеме на стороне постоянного тока включен реактор Ld с током id посту­пающим в нагрузку, и разрыв этой цепи приводит к недопустимым перенапряже­ниям, равным . На рис. 8.10, а представлена однофазная мостовая схема инвертора тока, выполненная на ключах однонаправленной проводимости (запи­раемых тиристорах) или дополненных последовательными диодами, защищаю­щими управляемый ключ, например транзистор, от воздействия обратных напря­жений. Эквивалентная схема для установившегося режима работы инвертора приведена на рис. 8.10, б, где источник напряжения Ud и реактор Ld представлены источником тока Id , а вентильная часть — источником с противо-ЭДС U пэ. Интер­вал времени, в котором ток имеет нулевое значение в цепи нагрузки а - b, может быть создан одновременным включением ключей S 1, S4 или S 3, S 2.

 

а б

Рис. 8.10. Однофазная мостовая схема инвертора тока

 

При этом в них протекает ток Id, а напряжение U пэ становится равным нулю, т. е. источник тока Id шунтируется проводящими ключами. Поскольку в цепях нагрузки могут содержаться индуктивности, то для поглощения их энергии в схеме необходимо включать конденсаторы. Таким образом, в токе нагрузки возможно создать по определенному алгоритму интервалы тока со значениями: 0, Id и - Id. Применяя различные методы синусоидальной модуляции тока, аналогичные для инверторов напряжения, можно обеспечить синусоидальность переменного тока в инверторах тока. Для снижения в спектральном составе тока высших гармоник, обусловлен­ных модуляцией, также используются «легкие» выходные LC - фильтры, но с под­ключением конденсаторов на стороне переменного тока инверторного моста. На рис. 8.11 показана форма выходного тока в однофазном инверторе тока при сину­соидальной ШИМ.

Рис. 8.11. Выходной ток однофазного инвертора тока при синусоидальной модуляции

 

Однофазные инверторы тока широкого практического применения не полу­чили. Однако трехфазные инверторы тока, схема которого приведена на рис. 8.12, успешно используются в электроприводе средней и большой мощности. Поэтому обеспечение синусоидальности напряжения на их выходе является актуальной задачей, которая может решаться методами синусоидальной ШИМ тока, принцип реализации которых рассмотрен на примере однофазной мостовой схемы.

 

Рис. 8.12. Упрощенная схема трехфазного инвертора тока

 

В табл. 8.3 приведены состояния ключей и токи фаз в схеме трехфазного инвертора тока, при синусоидальной модуляции выходных токов.

 

Таблица 8.3

Состояние ключей и напряжений фаз а и b схеме трехфазного инвертора тока (0 — выключенное состояние ключа, 1 — включенное)

 

Номер Состояние ключей Значения токов
состояния S 1 S 3 S 5 S 4 S 6 S 2 ia ib i c
I             Id   -Id
II               Id - I d
III             -Id I d  
IV             -Id   I d
V               -Id Id
VI             I d - Id  
VII                  
VIII                  

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Преобразователи частоты — это устройства, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой ча­стоты.

Различают два класса преобразователей частоты: с непосредственной связью; с промежуточным звеном постоянного тока.

Последние подразделяются на:

а) со звеном постоянного тока;

б) со звеном постоянного напряжения;

в) резонансные.

По количеству фаз выпускают:

а) однофазные;

б) трёхфазные.

По способу управления ключами схем применяют:

а) векторное;

б) скалярное;

в) с модуляцией по частоте;

г) с модуляцией по фазе или периоду.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

По величине питающего напряжения выпускают низковольтные и высоковольтные преобразователи [11].

В высоковольтных используются следующие схемные решения:

1) двухтрансформаторная схема преобразователя частоты;

2) схема преобразователя с последовательным включением ключей;

3) схема преобразователя с многообмоточным трансформатором.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-01-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: