2.3.1 Однофазный мостовой аин
Рис. 2.3.1
Схема приведена на рисунке 2.3.1. Форма выходного напряжения определяется видом коммутационной функции вентильного комплекта. При широтном управлении, рисунок 2.3.2, поочередно переключаются накрест лежащие вентили VT1, VT4 и VT2, VT3, так что каждый из них открыт 180 эл. гр. В установившемся режиме кривая тока активно-индуктивной нагрузки симметрична и состоит из участков экспонент с постоянной времени =Lн/Rн. На интервале t0-t1 проводят транзисторы VT1, VT4. Напряжения на нагрузке равно Ud и имеет полярность указанную на схеме без скобок. В момент t1 с транзисторов VT1, VT4 снимается, а на транзисторы VT2, VT3 подается отпирающее напряжение. Напряжение прикладывается к нагрузке с обратной полярностью. Под действием ЭДС самоиндукции индуктивности нагрузки ток на интервале t1-t2 сохраняет прежнее направление. Транзисторы VT2, VT3 в таком направлении проводить не могут, поэтому ток протекает через диоды встречно включенного диодного моста VD2, VD3. В момент t2 ток нагрузки становится равным нулю, диоды VD2, VD3 закрываются и транзисторы VT2, VT3 начинают проводить ток. В момент t3 происходит очередное переключение транзисторов с VT2, VT3 на VT1, VT4. Процессы протекают аналогично, на интервале t3-t4 проводят диоды VD1, VD2, на интервале t4-t5 транзисторы VT1, VT2.
Рис. 2.3.2.
В кривой выходного напряжения при широтном регулировании содержится значительное количество высших гармоник 3, 5, 7. Особенно трудно подвергается фильтрации 3 гармоника, наиболее неблагоприятная для типовой нагрузки АИН асинхронного двигателя. Поэтому широтное управление можно применять только в малом диапазоне для стабилизации выходного напряжения. Для улучшения гармонического состава применяют широтно-импульсное регулирование (ШИР).
При широтно-импульсном регулировании, рисунок 2.3.3 кривая выходного напряжения состоит из нескольких однополярных импульсов в каждой из его полуволн. Изменением длительности импульсов осуществляют регулирование действующего значения выходного напряжения. Особенностью широтно-импульсного регулирования является наличие интервалов времени, в течение которых все вентили инвертора закрыты.
Рис. 2.3.3.
По окончании интервала времени t1-t2 проводимости транзисторов VT1, VT4 отпирающее напряжение снимается со всех транзисторов схемы. Однако из-за накопленной в индуктивности нагрузки энергии ток мгновенно прекратиться не может, в связи с чем, возникает контур тока через диоды VD2, VD3. В результате отпирания диодов к нагрузке прикладывается ЭДС обратной полярности. Энергия, запасенная в индуктивности, отдается в источник питания и нагрузку, ток уменьшается по экспоненциальному закону, в момент t3 диоды закрываются, и напряжение на нагрузке становится равным нулю. Пауза в напряжении продолжается до момента t4 отпирания транзисторов VT2, VT3. Аналогичные процессы протекают в схеме и после запирания транзисторов VT2, VT3. Вследствие проводимости обратных диодов на нагрузке возникают дополнительные импульсы, что приводит к нежелательному увеличению действующего выходного напряжения инвертора. Длительность этих импульсов зависит от постоянной времени нагрузки =Lн/Rн, а значит на практике возможен случай, когда из-за изменения параметров нагрузки ток не успеет достигнуть нулевого значения. Форма напряжения получится такой же, как у нерегулируемого инвертора, а изменение длительности паузы между импульсами управления не будет приводить к изменению действующего значения выходного напряжения инвертора.
Для устранения этого эффекта изменяют коммутационную функцию транзисторов, так чтобы обеспечивалась одновременная проводимость двух транзисторов, относящихся к одной группе (катодной или анодной) инверторного моста: VT1, VT3 или VT2, VT4, рисунок 2.3.4. При этом нагрузка замыкается накоротко через одну из шин питания источника напряжения и напряжения на нагрузке равно нулю. Ширину импульсов напряжения в нагрузке регулируют с помощью изменения фазового сдвига коммутационных функций транзисторов. На интервале t1-t2 проводят транзисторы VT1, VT4. В момент t2 с VT1 снимается, а на VT3 подается отпирающее напряжение. Нагрузка оказывается закорочена через шину «-» источника напряжения. Напряжение на нагрузке равно нулю. Под действием энергии запасенной в индуктивности нагрузки возникает контур тока через транзистор VT4 и диод VD2, интервал t2-t3. В момент времени t3 с VT4 снимается, а на VT3 подается отпирающее напряжение и к нагрузке подключается источник напряжения с обратной полярностью. В момент времени t4 снимается управляющее напряжение с транзистора VT2 и подается на VT1. На интервале t4-t5 образуется аналогичное замыкание на шину «+» источника питания через транзистор VT3 и диод VD1. Далее процессы повторяются.
Рис. 2.3.4.
Применение ШИР смещает гармоники напряжения, обусловленные регулированием, в область более высоких частот, что облегчает их фильтрацию. Дальнейшее улучшение спектра выходного напряжения инвертора обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительности формирующих выходное напряжение импульсов по определенному закону.
Рис. 2.3.5.
По форме моделирующего сигнала различают синусоидальный, треугольный и трапецеидальный законы широтно-импульсной модуляции. По числу полярностей импульсов различают однополярную, рисунок 2.3.5, а, и двуполярную, рисунок 2.3.5, б, ШИМ. При двуполярной ШИМ вместо пауз между импульсами содержатся импульсы противоположенной полярности. По кратности частоты коммутации частоте выходного напряжения различают ШИМ с целочисленной кратностью, ШИМ с кратностью, выражаемой дробно-рациональным числом и ШИМ с кратностью, выражаемой иррациональным числом. По модулируемому параметру различают одностороннюю и двустороннюю ШИМ. При односторонней ШИМ изменяется положение только одного фронта импульса: переднего или заднего, при двусторонней ШИМ – обоих фронтов. По способу определения длительности импульса различают ШИМ первого, второго, третьего и четвертого рода. По числу уровней модуля вектора напряжения различают одноуровневые и многоуровневые алгоритмы управления.