Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 3

На одноименном выводе Dнаводится отрицательный потенциал, и на нагрузке наводится отрицательноенапряжение. При выключении VT1, включается VT2, и на нагрузке наводитсяположительное напряжение. Диоды VD1 и VD2 проводят ток, от наведеннойЭДС самоиндукции. Диоды VD1 и VD2 также необходимо выбирать на удвоенное напряжение питания. Необходимость выбирать полупроводниковыеприборы на удвоенное напряжение питания является одним недостаткам схемы, другим – то, что даже при высокочастотной модуляции перемагничиваниетрансформатора происходит на частоте сети. Это и определило непопулярность двухтактного преобразователя в последнее время. Достоинством схемы –минимальное число элементов инвертора.На Рисунке 1.4 показана силовая часть полумостового инвертора.15Uп/2VD1VT1VD2VT2ZнUп/2Рисунок 1.4 – Схема полумостового инвертораЗа счет поочередного переключения транзисторов VT1 и VT2 в нагрузкеформируется переменное напряжение.

Как и в предыдущей схеме, диоды VD1и VD2 проводят ток, от наведенной ЭДС самоиндукции. Для работы полумостовой схемы требуется расщепленный источник питания, поэтому наиболеечасто такой силовой каскад применяется в структуре Рисунка 1.2. Действующеезначение выходного напряжения Uвых = Uп/2, а напряжение на выключенномтранзисторе равно Uп, что выгодно отличает данную схему от предыдущей.Инвертор, выполненный по мостовой схеме (Рисунок 1.5), обеспечиваетформирование переменного напряжения поочередным диагональным включением транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. Для замыкания токов от наведеннойЭДС самоиндукции используется четыре диода VD1–VD4.

Форма тока нагрузки определяется характером нагрузки. Для регулирования частоты переменногонапряжения изменяется частота коммутации ключей инвертора. Силовые полупроводниковые приборы для такой структуры выбираются, как и у полумосто-16вой схемы на напряжение питания, однако число полупроводниковых элементов в этой схеме вдвое больше чем, у двух предыдущих. Достоинством этойсхемы, в отличие от двух предыдущих, является возможность формироватьнапряжения с нулевой паузой, что позволяет формировать напряжения с лучшим гармоническим составом.VT1VD1VD3VT3VD2VT2ZнUпVT4VD4Рисунок 1.5 – Схема мостового инвертораВыходное напряжение инвертора для любой структуры силового каскадаимеет импульсный характер.

На Рисунке 1.6 показано напряжение для простейшего алгоритма коммутации ключами инвертора для любой из рассмотренных структур.Рисунок 1.6 – Выходное напряжение инвертора до применения фильтров17Разложение в ряд Фурье сигнала (Рисунок 1.6) содержит только нечетныегармоники:E0  1uвых (t )  sin  n1t .4 n 1,3,5 n(1.1)Амплитуда n–й гармоники определяется как:Un E0.4n(1.2)Для уменьшения амплитуд гармоник с номерами n = 3, 5, … n на выходеинвертора включают LC–фильтр нижних частот (ФНЧ). Схема однозвенногоФНЧ показана на Рисунке 1.7.

Однако использование только ФНЧ оказываетсянедостаточно эффективным. Для подавления третьей и пятой гармоник, имеющих наибольшие амплитуды, необходим фильтр нижних частот с частотой среза, близкой к частоте первой гармоники. Для реализации такого фильтра требуются дроссель и конденсатор больших номиналов. Соответственно, такойфильтр имеет большие массу и габариты.Рисунок 1.7 – Схема однозвенного LC фильтраНаряду с теплоотводящими радиаторами силового каскада силовой элементы силового фильтра (дроссель и конденсатор) наиболее трудно поддаютсяминиатюризации.

Для уменьшения массы и габаритов частоту среза силовогофильтра должна быть выше, что позволит подавлять в спектре выходногонапряжения низшие из высших гармоник (n = 3, 5). Напряжение с уменьшен-18ным содержанием высших гармоник можно сформировать, применяя различные виды импульсной модуляции.В настоящее время известны следующие основные режимы улучшенияспектра выходного напряжения на входе силового фильтра: амплитудно–импульсная модуляция (АИМ); использование дополнительных коммутаций; широтно–импульсная модуляция (ШИМ); амплитудно–широтно–импульсная модуляция (АШИМ);Режим ШИМ – один из наиболее эффективных с точки зрения улучшениякачества выходного напряжения инвертора.

В этом режиме выходное напряжение формируется в виде серии высокочастотных импульсов, длительность которых изменяется (модулируется) по определенному закону, преимущественно– синусоидальному. Частота следования импульсов называется несущей (илитактовой) частотой, а частота, с которой изменяются длительности импульсов,– частотой модуляции. Поскольку несущая частота обычно существенно вышечастоты модуляции, то гармоники кратные несущей частоте, присутствующие вспектре выходного напряжения, относительно легко подавляются с помощьюсоответствующего фильтра.Способы формирования напряжения режима ШИМ.

В основе ШИМлежат различные варианты задания моментов переключения транзисторов. Основные методы, используемые при формировании ШИМ:– Использование опорной частоты для формирования ШИМ.– ШИМ с синусоидальным опорным напряжением– ШИМ со ступенчатым опорным напряжением– Оптимизированная ШИМ.– Полуоптимизированная ШИМ.– ШИР–КД [56].19Формирование ШИМ с использованием опорной частоты. Для формирования выходного сигнала ШИМ используется сравнение треугольного(пилообразного) напряжения повышенной частоты с опорным синусоидальнымсигналом с частотой выходного напряжения (Рисунок 1.8).

Этот метод ранеебыл популярен ввиду его простоты и возможности реализации аналоговымиспособами.Процесс модуляции на опорной частоте нелинеен и описывается трансцендентными уравнениями, что вызывает сложности при реализации режимаШИМ с помощью цифрового управления на основе микроконтроллера.U2ππtUtРисунок 1.8 – Диаграммы напряжений ШИМ с использованием опорной частотыДвухуровневая ШИМ с синусоидальным опорным напряжением(ШИМ–СИН) (Рисунок 1.9). Длительность импульсов пропорциональна амплитудам модулируемого сигнала и задается следующим уравнением [56]:[](1.3)20Поскольку форма сигнала ШИМ изменяется от +U до –U, такой способопределяется как двухуровневая ШИМ.

Среднеквадратичное значение выходного напряжения Uвых = U/2, где U – напряжение питания силового каскада.Uπ2πt2πtUπРисунок 1.9 – Диаграммы напряжений двухуровневой ШИМ–СИНТрехуровневая ШИМ–СИН (Рисунок 1.10). При сочетании двух двухуровневых ШИМ с определенным фазовым сдвигом можно получить трехуровневую ШИМ. Преимуществом данного метода является соответствие Uвых = U.Трехуровневую форму сигнала можно описать следующим уравнением[56]:tи TM  sin tкi  sin tнi  ,2(1.4)где М = A1/Uп - индекс модуляции; A1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения; Uп – напряжение питания; tнi, tкi – координаты начала и концаi–го импульса напряжения режима ШИМ.21Uπ2πtπ2πtUРисунок 1.10 – Диаграммы напряжений трехуровневой ШИМ–СИНШИМ со ступенчатым опорным напряжением (ШИМ–СТ).

Недостатки режима формирования ШИМ с использованием опорной частоты можноустранить, используя ШИМ–СТ. Основным преимуществом такого метода является процесс линейной дискретизации [43], позволяющий выбирать опорныесигналы из определенных промежутков, Рисунок 1.11.В режиме ШИМ–СТ модулирующий сигнал не изменяется в течение периода несущей частоты. Он остается постоянным или изменяется на определенное значение на время выборки. Возможно разные варианты.

Если модулирующий сигнал постоянен, ширина импульса пропорциональна амплитуде этого сигнала и моменты коммутации равномерно распределены (ШИМ–СТ 1). ВШИМ–СТ 2 форма сигнала ШИМ линейно зависит от коэффициента модуляции [43] .22Симметричная ШИМАсимметричная ШИМРисунок 1.11 – Формирование импульсов в режиме ШИМ–СТОптимизированная ШИМ (Рисунок 1.12).

Применение оптимизированной ШИМ позволяет создавать гармонический спектр заданного значения, существенно превосходя этим ранее рассмотренные методы, но при этом он существенно сложнее для вычислений. [106]Для получения оптимизированной ШИМ сигнала, оригинальный ШИМсигнал разделяется на набор углов переключения. Углы переключения определяются для получения определенных характеристик, например, минимум коэффициента гармоник (kг), посредством различных известных методов. Оптимизация выполняется, исходя из многочисленных параметров, таких как общеегармоническое искажение, устранение единичной гармоники и пр. Выбираяопределенный параметр и подставляя его в исходное уравнение ШИМ, получается система уравнений, решение которых позволяет получить определенные23углы переключения. Используя эти значения можно формировать ШИМ сигналы.

При этом практически невозможно вести расчеты в режиме реального времени.UtРисунок 1.12 – Принцип формирования напряжения при оптимизированнойШИМПолуавтоматизированная ШИМ (Рисунок 1.13). Полуавтоматизированная ШИМ называется так из–за возможности реализации оптимизации цифровыми средствами с помощью приближенных вычислений. Существуют дваспособа формирования такой ШИМ. [106]Способ 1. При исследовании обычной асимметричной ШИМ, была замечена возможность сформировать очень близкую к оптимальной форме ШИМ,имея составной сигнал модуляции [107].Модулирующее напряжение – это произвольный сигнал. Опорный сигналмодулируется включением выбранных гармоник в синусоидальный сигнал.