Векторная ШИМ
В современных частотно-регулируемых электроприводах малой и средней мощности как правило используется шести- или семи-ключевой транзисторный модуль (рис.1). К седьмому транзисторному ключу подключается тормозной (сливной) резистор, который подключается параллельно фильтровому конденсатору в режиме генераторного торможения ЭД и обеспечивает безопасную работу ПЧ (разряжает фильтровый конденсатор, когда напряжение на нем достигает предельно-допустимый уровень).
Рисунок 1 Структуры силовых модулей трехфазных ПЧ.
Из рис.1 видно, что инвертор состоит из трех транзисторных стоек, средняя точка которых подключается к фазе двигателя. Потенциал средних точек меняется от 
(+ 
, когда включен верхний ключ стойки до 
, когда включен нижний.
Формирование синусоидальных выходных напряжений до недавнего времени осуществлялось методом синусоидальной симметричной центрированной ШИМ (при формировании скважностей транзисторных ключей используется треугольный опорный сигнал). При такой ШИМ в «одновременном» управлении на несущей частоте (4-16) кГц участвуют все 6 транзисторов, которые включаясь в противофазе, формируют синусоидальные выходные напряжения (фазные и линейные). При высокой частоте опорного сигнала фазы двигателя эффективно фильтруют ШИМ напряжение инвертора, формируя практический гладкий ток (рис.2).
Рисунок 2. Линейное напряжение инвертора и фазный ток.
Проанализируем фазные и линейные напряжения. Т.к. при синусоидальной ШИМ скважности верхних и нижних ключей изменяются в противофазе по синусоидальному закону, то для верхних ключей стоек можно записать:
где 
– относительное значение амплитуды фазного напряжения.
|
|
Средние значения потенциалов фаз стоек за период ШИМ относительно отрицательной шины звена постоянного тока (рис.3) повторяют закон изменения скважностей:
где 
- напряжение звена постоянного тока.
Рисунок 3- Средние потенциалы фазных напряжений инвертора.
Разница средних значений потенциалов фаз – линейные напряжения, изменяются по синусоидальному закону без постоянной составляющей:
В настоящее время синусоидальная ШИМ практически не применяется из за неэффективного использования напряжения звена постоянного тока. Из выражений видно, что максимальная амплитуда выходного фазного напряжения 
= 1) – половина от напряжения звена постоянного тока: 
,
а линейного 
.
Если входное трехфазное силовое напряжение выпрямляется и фильтруется, то напряжение в звене постоянного тока равно амплитуде линейного:
В,
тогда максимальная амплитуда выходного фазного напряжения:
,
а максимальное значение действующего выходного фазного напряжения:
что составляет в долях от номинального фазного напряжения двигателя:
= 0,864.
Таким образом при синусоидальной ШИМ двигатель будет недоиспользован по напряжению (и мощности) приблизительно на 14%.
Первые попытки полного использования напряжения звена постоянного тока связаны с перемодуляцией синусоидальной ШИМ. В этом случае для реализации больших выходных напряжений близких к номинальному 
, формируется сигнал задания амплитуды напряжения больше 100%, что вызывает работу ключей инвертора со скважностью близкой к единице (или нулю) в течение нескольких периодов выходного напряжения. Синусоиды фазных напряжений в этом случае оказываются усеченными по амплитуде, первая гармоника выходного напряжения инвертора увеличивается, но в гармоническом составе появляются все нечетные гармоники (3,5,7 и т.д.).
|
|
Рисунок 4- Осциллограммы сигналов при перемодуляции.
Увеличить амплитуду первой гармоники почти на 15% без искажения формы фазного тока удается за счет добавления к основному сигналу дополнительного с частотой третьей гармоники.
Рисунок 5 – Сигналы скважностей и потенциалов при добавлении третьей гармоники
Этот подход использует полезное свойство трехфазной системы - компенсировать третью гармонику в линейном напряжении при ее наличии в фазном (для всех фаз третья гармоника является синфазным сигналом). К примеру:
При этом способе повышения использования напряжения преобразователя получилась ШИМ идентичная векторной ШИМ по своим рабочим свойствам, но далекая от нее математически.
Интересный вывод из анализа рис. 5.
Не имеет значения, какой потенциал приложен к фазным обмоткам, важна разность потенциалов между фазами, т.е. форма линейного напряжения.
Разработкой векторной ШИМ занимались более 10 лет и к 2000 году все теоретические вопросы были решены и аппаратно поддержаны в ШИМ генераторах специализированных контроллеров для управления двигателями.