Формирование и стабилизация выходного напряжения инверторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование и стабилизация выходного напряжения инверторов

В связи с тем, что транзисторы силового контура инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, естественной формой выходного напряжения является прямоугольная. Такая форма удобна для нагрузок постоянного тока, получающих питание с выхода инвертора через выпрямитель и фильтр, так как при этом пульсации основной гармоники напряжения на входе фильтра невелики.

Для ряда нагрузок переменного тока такая форма питающего напряжения или допустима ( светильные и нагревательные устройства), или приемлема (электродвигатели, обмотки электромагнитов, реле и т. п.), поскольку первые безразличны к роду тока, а вторые сами обладают фильтрующими свойствами вследствие индуктивного характера эквивалентного сопротивления.

Согласно исследованиям при питании электродвигателей напряжением прямоугольной формы вращающий момент, перегрев обмотки, время пуска и другие основные характеристики электродвигателя незначительно отличаются от аналогичных характеристик при питании электродвигателей синусоидальным напряжением при условии равенства первых гармоник напряжений.

Для некоторых нагрузок переменного тока, например для сельсинов, поворотных трансформаторов и т. п., требуется чисто синусоидальная форма питающего напряжения, так как при наличии высших гармоник происходит сильное искажение регулировочных характеристик этих устройств в режиме, где близка к нулю первая гармоника.

Синусоидальная форма выходного напряжения наиболее универсальна, т.е. обеспечивает эффективную работу всех видов нагрузок переменного тока, а иногда становится целесообразной, и для нагрузок постоянного тока, так как обеспечивает коммутацию силовых транзисторов и диодов при токе, близком к нулю, уменьшает тем самым высокочастотные пульсации, радиопомехи и, следовательно, массу и габаритные размеры фильтрующих узлов в инверторе, потребителе и линии связи. При синусоидальной форме напряжения передача энергии на значительные расстояния по обычным проводным линиям не вызывает искажения формы напряжения.

Качество выходного напряжения, т. е. приближение его формы к синусоидальной, принято характеризовать прежде всего коэффициентом гармоник Kг, %, определяемым как отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению первой (основной) гармоники, т. е.

где Un - действующее значение напряжения гармоники с номером n;

U1 - действующее значение напряжения первой гармоники, U - действующее значение выходного напряжения; nmin - номер ближайшей к основной высшей гармоники.

Иногда используют также критерий синусоидальности на напряжения в виде отношения U1/U, называемого коэффициентом искажения Kиск (6.2).

Согласно (6.1)

Таким образом, коэффициенты K1 и Kиск характеризуют один и тот же показатель - общее содержание высших гармоник, но не отражают сложность фильтрации ( массогабаритных показателей фильтра), так как не учитывают расположение гармоник в частотном спектре. Предложение учесть данное обстоятельство с помощью КПД выделения гармоники, определяющего отношение мощности первой гармоники к мощности на выходе инвертора по все полосе частот, нельзя признать удачным, как его значения существенно зависит от cosц нагрузки и при cosц = 1 становится равным иск2K

Наиболее эффективным критерием оценки синусоидальности является коэффициент гармоник Kг.ф для напряжения, получаемого на выходе стандартного фильтра с заданным параметром , подключенного к выходу инвертора. В качестве такого фильтра удобно принять простейший Г-образный LC-фильтр, а в качестве указанного параметра - его относительную частоту

где щ0 - собственная частота фильтра; щ - рабочая частота фильтруемого напряжения (первой гармоники); L и C - индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра соответственно. Модуль коэффициента передачи фильтра по напряжению на частоте гармоники с номером n

С учетом (6.4) коэффициент гармоник напряжения на выходе фильтра

При этом коэффициент передачи фильтра по напряжению первой гармоники принят равным единице, что, как будет показано ниже, близко к получаемым в большинстве практических случаев значениям. Построив по (6.5) зависимости Kг.ф = f(щ*) для каждого исследуемого напряжения на выходе инвертора, можно объективно оценить качество напряжения. Чем ближе к оси ординат будет расположена эта зависимость, тем с меньшим значением относительной частоты щ* и, следовательно, с меньшей массой и габаритными размерами потребуется фильтр для обеспечения заданного значения Kг.ф. Из (6.5) видно, что значение щ* для данного значения Kг.ф будет тем меньше, чем выше номер ближайшей к основной высшей гармоники (nmin), т.е. качество выходного напряжения инвертора определяется не столько его коэффициентом гармоник Kг.ф, сколько количеством исключенных из спектра этого напряжения высших гармоник низкого порядка.

Поэтому все рассматриваемые ниже методы формирования выходного напряжения в основном направлены на решение задачи исключения высших гармоник, ближайших к основной.

Синусоидальное выходное напряжение может быть получено в простейших схемах усилителей мощности, если силовые транзисторы перевести в линейный режим работы. При этом в цепь управления силовых транзисторов подается синусоидальное напряжение задающего генератора, а поскольку транзистор работает как линейный усилитель, на выходе инвертора формируется также синусоидальное напряжение . Такие инверторы широко используются в радиотехнике как усилители низкой частоты класса А (однотактные) и класса В (двухтактные). Их достоинство состоит в простоте выполнения силового контура, но КПД таких инверторов относительно низок, особенно в стабилизированных инверторах при изменении значения входного напряжения в широком диапазоне.

Диаграммы входного и выходного напряжений инвертора класса В показанный на

а потребляемая мощность при максимальном входном напряжении

где Uнm и Iнm - амплитуда напряжения и тока нагрузки; Iн.ср - средние значение тока нагрузки; Uвх max и Uвх min - максимальное и минимальное входное напряжение; е_U -кратность изменения входного напряжения , причем

Минимальный КПД инвертора

Например, при кратности е_U = 2 КПД зmin = 0,39, т.е. в силовых транзисторах рассеивается более 60 % потребляемой мощности. В связи с этим применение инверторов данного вида в преобразовательной технике ограничено малой мощностью и узким диапазоном изменения входного напряжения.

Для получения высоких значений КПД в широком диапазоне изменения входных напряжений в преобразовательной технике транзисторы используются преимущественно в ключевом режиме.

Если в силовом контуре инвертора используются простейшие схемы двухтактных усилителей мощности, то на выходе формируется одноуровневое импульсное напряжение( Рис.6.1).

Рис.6.1.

Добавление в силовой контур выходного фильтра низкой частоты обеспечивает получение синусоидального выходного напряжения. Классификация различных форм импульсной модуляции одноуровневого напряжения дана на рис. 6.2.

По модулируемому параметру различаются три вида модуляции: частотно-импульсная; фазо-импульсная; широтно-импульсная.

В первых двух видах длительность импульсов неизменна, а изменяется либо частота их повторения, либо сдвиг фазы относительно начала импульсного интервала в зависимости от значения модулирующего напряжения. Эти два вида модуляции не нашли широкого применения в преобразовательной технике вследствие сложности фильтрации модулированного напряжения.

Наиболее распространена в преобразовательной технике широтно-импульсная модуляция, при которой частота повторения импульсов неизменна, а изменяется длительность (ширина) импульсов.

По числу импульсов в полупериоде М широтно-импульсная модуляция (ШИМ) разделяется на однократную (М=1) и многократную (М>1).

По полярности импульсов в полупериоде многократная ШИМ разделяется на однополярную, когда импульсы каждого полупериода имеют одну полярность и между импульсами напряжение имеет нулевой уровень ( нулевая пауза), и двухполярную, когда в пределах полупериода импульсы имеют чередующуюся полярность (нулевые паузы между импульсами отсутствуют).

Однополярная ШИМ, как правило, имеет лучший спектральный состав.

Однако двухполярные ШИМ может быть реализована в простейших схемах инверторов ( со средней точкой и в полумостовой), а для реализации однополярной ШИМ необходимо использование мостовой схемы или введение в силовой контур дополнительных ключей.

Рисунок 6.2 Классификация видов импульсной модуляции одноуровневого напряжения

По длительности импульсных интервалов в многократная ШИМ разделяется на:

- равномерную, когда полупериод разделен на четное или нечетное число i импульсных интервалов равной длительности ( каждый интервал содержит смежные импульс и нулевую паузу или импульсы прямой и обратной полярностей);

- неравномерную, когда такое разделение отсутствует.

При равномерной ШИМ упрощается по сравнению с неравномерной система управления, однако при неравномерной ШИМ можно исключить большее количество, чем при равномерной, высших гармоник низкого порядка при одинаковом числе импульсов за полупериод.

По форме функции построения ( форме модулирующего напряжения) многократная равномерная ШИМ разделяется на синусоидальную; ступенчатую; трапецеидальную (в частном случае - треугольную).

В системе управления транзисторами используется эталонное (модулирующее) напряжение, форма которого соответственно имеет вид синусоиды, многоступенчатой кривой, аппроксимирующей синусоиду, и трапеции.

Это напряжение сравнивается с опорным, например пилообразным, напряжением тактовой частоты ( fтакт = 2ifвых), и в моменты равенства эталонного и опорного напряжений подается сигнал на переключение соответствующих силовых транзисторов. Благодаря этому длительность импульса выходного напряжения данного интервала пропорциональна амплитуде эталонного напряжения на этом интервале.

По расположению точки, в которой функция построения определяет длительность импульса на данном интервале, многократная равномерная ШИМ разделяется на:

двухстороннюю, когда указанная точка расположена в середине интервала;

одностороннюю, когда указанная точка расположена в начале или в конце интервала.

При использовании опорного пилообразного напряжения оно имеет двухстороннюю симметричную форму для двухсторонней ШИМ и одностороннюю форму для односторонней ШИМ.

Для трапецеидальной функции построения дополнительно может использоваться симметрично-односторонняя ШИМ, при которой на первой половине полупериода указанная точка расположена в конце интервала, а на второй половине полупериода - в начале интервала. Такая ШИМ согласно исследованиям имеет наилучший спектральный состав и реализуется относительно простой цифровой системой управления, в которой

суммируются сигналы двух близких частот.

При синусоидальной функции построения, кроме того, различают четыре рода ШИМ:

1-го, когда указанная точка соответствует положению модулируемого фронта импульса;

2-го, когда указанная точка соответствует тактовым моментам времени (началу, концу или середине импульсного интервала);

3-го, когда указанная точка смещена относительно модулируемого фронта на некоторое время, пропорциональное заданному коэффициенту;

4-го, когда указанная точка смещена относительно тактового момента времени на некоторое время, пропорциональное заданному коэффициенту.

Если силовой контур инвертора усложнить, разделив обмотки его выходного трансформатора, преобразовательные ячейки или источник питания на несколько секций, выборочно вводимых в работу, то можно сформировать выходное напряжение с несколькими уровнями ( ступенями). Классификация различных форм импульсной модуляции многоуровневого напряжения показана на рисунке 6.3.

транзистор электродвигатель напряжение импульсный

Рисунок 6.3 Классификация видов импульсной модуляции многоуровневого напряжения.

При импульсной модуляции многоуровневого напряжения, называемой также амплитудно-импульсной модуляцией ( АИМ), формируется ступенчатое выходное напряжение, аппроксимирующее форму функции построения.

По форме функции построения различают синусоидальную, АИМ и трапецеидальную.

Система управления инвертором, формирующая сигналы на переключение силовых транзисторов, может быть выполнена как система аналогового типа с эталонным напряжением, имеющим форму функции построения, или цифрового типа с выдачей сигналов по программе, воспроизводящей функцию построения.

По длительности импульсных интервалов АИМ, так же как и ранее рассмотренная ШИМ, делится на равномерную (с четным числом интервалов) и неравномерную.

По расположению точки, в которой функция построения определяет амплитуду импульса на данном интервале, АИМ, так же как ШИМ, делится на двухстороннюю, когда указанная точка расположена в середине интервала, и одностороннюю, когда указанная точка расположена в начале или в конце интервала.

Одноуровневые формы выходного напряжения

Однократная ШИМ. Прямоугольное выходное напряжение с одним импульсом в полупериоде (рис. 6.4,а) содержит нечетные гармоники с номером n, напряжение которых

где U_A - амплитуда прямоугольного напряжения; г - относительная длительность импульса прямоугольного напряжения; причем

где t_и - длительность импульса; T - период повторения импульсов.

На рис. 6.4, б показаны построенные по (6.8) с первой по седьмую нечетные гармоники и коэффициент гармоник, определяемый по (6.1). При прямоугольном напряжении без паузы на нулевом уровне (г 1) напряжение U = U_A, а напряжение UA = 4 U/р_v2

Поэтому коэффициент

Рисунок 6.4 Однократная ШИМ одноуровневого напряжения

Транзисторные инверторы с самовозбуждением.

Простейшими транзисторными инверторами являются инверторы с самовозбуждением, в которых функции нелинейного магнитного элемента исполняет силовой трансформатор (рис. 7.9). Во всех изображенных схемах управление мощными транзисторами (биполярными или МДП-типа) осуществляется с помощью специальных базовых обмоток, расположенных наряду с первичной и вторичными обмотками на магнитопроводе силового трансформатора Т. При этом базовые цепи мощных транзисторов с объединенными эмиттерами могут питаться либо от двух самостоятельных обмоток, либо от одной обмотки со средней точкой (рис. 7.9,а, д), либо от одной обмотки без средней точки (рис. 7.9,г). В последнем случае обратное напряжение база--эмиттер каждого из транзисторов в его закрытом состоянии ограничено сравнительно малым постоянным прямым напряжением диода, что особенно важно для мощных дрейфовых биполярных транзисторов с небольшим предельно допустимым обратным напряжением база--эмиттер. В инверторах с самовозбуждением наряду с биполярными транзисторами n-p-n-типа принципиально могут использоваться также транзисторы p-n-p-типа. В последнем случае полярность питающего напряжения для всех схем, показанных на рис. 7.9, и полярности включения всех диодов следует изменить на противоположные.

Временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу однофазных транзисторных инверторов с выходным напряжением прямоугольной формы (см. рис. 7.9) на нагрузку активного характера, изображены на рис. 7.10,а; на нагрузку индуктивного характера -- на рис. 7.10,б. Отметим, что приведенные на рис. 7.10 временные диаграммы будут в равной степени характерны и для всех других типов однофазных высокочастотных транзисторных инверторов с выходным напряжением прямоугольной формы вне зависимости от типов используемых в них транзисторов и способа управления ими. Поскольку принцип действия всех схем, изображенных на рис. 7.10, а--д одинаков, ограничимся рассмотрением работы простейшей схемы, приведенной на рис. 7.9,а.

Пусть в произвольно выбранный момент t1 (рис. 7.10,а) транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 полностью закрыт и находится в режиме отсечки. Исходное состояние схемы поддерживается соответствующими полярностями напряжений на базовых обмотках трансформатора (показаны на рис. 7.9, а без скобок) и переходах база--эмиттер силовых транзисторов. Данное состояние схемы инвертора сохранится до тех пор, пока не произойдет кратковременное насыщение силового трансформатора, в результате коллекторный ток открытого транзистора резко возрастает, стремясь в пределе к току короткого замыкания источника питания. Открытый транзистор выйдет из режима насыщения, после чего под действием ПОС состояние схемы изменится на противоположное исходному--транзистор VT1 закроется, а транзистор VT2 откроется и перейдет в режим насыщения. При этом полярности напряжений на обмотках силового трансформатора будут соответствовать показанным на рис. 7.9,а в скобках. При следующем насыщении силового трансформатора схема инвертора возвратится в исходное состояние и т. д. Для активной нагрузки напряжения на первичной (u1) и вторичной (uн=uвых) обмотках

поддерживаются в течение каждого рабочего полупериода постоянными, а ток через открытый транзистор во времени постоянен (Iк нас) и равен приведенному току нагрузки инвертора:

Рисунок 7.9 Основные схемы однофазных транзисторных инверторов с самовозбуждением (а, б, в, г, д)

Рисунок 7.10 Временные диаграммы, иллюстрирующие работу однофазных транзисторных инверторов

где w1 , w2-- числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора (для обмоток с выводом нулевой точки под w1 и w2 следует понимать числа витков соответствующих полуобмоток); Uп--напряжение питания инвертора; Рн--сопротивление его нагрузки.

Для индуктивно-активной нагрузки токи коллектора открытого транзистора и нагрузки в течение каждого рабочего полупериода не остаются неизменными во времени, а увеличиваются к концу полупериода, достигая своих максимальных значений непосредственно перед очередной коммутацией мощных транзисторов. При этом максимальный ток нагрузки

максимальный коллекторный ток открытого транзистора

эффективный ток нагрузки

Размещено на Allbest.ru