в данных преобразователях плохо используются транзисторы, так как зарядный ток, ограниченный только внутренним сопротивлением источника питания, имеет форму треугольных коротких импульсов, а КПД не превышает 50 %. Поэтому область их применения ограничена.

Глава восьмая

МНОГОЯЧЕЙКОВЫЕ ИНВЕРТОРЫ

8.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

По аналогии с многоячейковыми преобразователями постоянного напряжения разделение инвертора на отдельные ячейки используется для решения следующих задач: деления тока, напряжения и мощности; многозонного регулирования; резервирования и модульного построения унифицированного ряда инверторов. Дополнительно в многоячейковых инверторах решается задача формирования ступенчатого, аппроксимирующего синусоиду выходного напряжения.

Классификация многоячейковых инверторов показана на рис

8.1.

Инверторы с суммированием ячеек, по существу, являются системой электропитания с одновременно работающими инверторны-ми модулями, соединенными параллельно как по входу, так и по выходу. Для равномерного деления токов между ячейками должны включаться уравнительные устройства параметрического (реакторы) или компенсационного типа и должна обеспечиваться синхронная и синфазная работа ячеек, например, путем взаимной синхронизации их задающих генераторов. Особенности построения пре-. образователей матричной структуры, рассмотренные в § 7.2, в определенной степени относятся и к инверторам, прежде всего при прямоугольной форме их выходного напряжения.

Задача многозонной стабилизации напряжения прямоугольной формы может быть решена в многоячейковых инверторах, выполненных по схемам на рис. 7.10, а или 7.12,6, в путем изъятия выпрямителей В и введения в основную ячейку диодов, шунтирующих транзисторы, с целью обеспечения нормальной работы на активно-индуктивную нагрузку. Частота переключения транзисторов при этом принимается равной выходной частоте инвертора. Полученные в § 7.5 расчетные соотношения (7.21) - (7.37), (7.42) - (7.44) остаются справедливыми и для инверторов, построенных таким образом. Необходимое из условия получения заданной нестабильности (заданного диапазона плавного регулирования) AUu* число ячеек также определяется по кривым на рис. 7.11, а. Эти же схемы могут быть использованы не только для решения задачи стабилизации выходного напряжения, но одновременно и для фор-

с промежуточным звеном повышенной частоты

без промежуточного звена повышенной частоты

Рис. 8.1. Классификация многоячейковых инверторов

мирования ступенчатого (близкого к синусоидальному) напряжения.

Инверторные ячейки могут быть выполнены бестрансформаторными при подключении их входа к отдельным источникам питания. Формирование синусоиды осуществляется путем суммирования следующих видов напряжений:

одинаковых по форме и частоте со взаимным сдвигом фазы;

с одинаковым периодом повторения, но с различной длитель-

ностью положительного импульса (с различной длительностью нулевой паузы или отрицательного импульса);

периодических с основной частотой и с частотой, кратной основной;

воспроизводящих функции Уолша.

Возможны также комбинации этих видов напряжений.

Для уменьшения габаритных размеров силовых трансформаторов многоячейковые инверторы могут выполняться с промежуточным звеном повышенной частоты.

Эти инверторы имеют в выходной цепи преобразователь частоты, полностью или частично формирующий выходное напряжение, или выполняются в виде двух каналов, работающих наповышенных частотах, полуразность которых равна выходной.

Многоячейковые инверторы с делением входного напряжения выполняются путем секционирования источника питания или использования трансформаторных или конденсаторных делителей по-стояного напряжения.

8.2. ИНВЕРТОРЫ С СУММИРОВАНИЕМ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 8.2.1. СУММИРОВАНИЕ ОДИНАКОВЫХ ПО ФОРМЕ И ЧАСТОТЕ НАПРЯЖЕНИИ

Если несколько инверторных ячеек включить по входу параллельно, а по выходу последовательно и управлять ими на одной частоте и с одинаковым взаимным сдвигом фазы, то на выходе такого многоячейкового инвертора сформируется напряжение ступенчатой формы. Если при этом амплитуды выходных напряжений всех ячеек одинаковы, то, как было показано в гл. 2, функция построения выходного напряжения инвертора трапецеидальна (см. рис. 2,9), а число ступеней в полупериоде равно половине числа ячеек при отсутствии паузы в выходном напряжении каждой ячейки и числу ячеек при наличии указанной паузы длительностью, вдвое меньшей угла сдвига фаз между напряжениями смежных ячеек. Изменяя значение угла взаимного сдвига фаз, можно регулировать выходное напряжение, причем при увеличении этого угла число ступеней уменьшается. Как показано в гл. 2, при трапецеидальной функции построения ступенчатой кривой из спектра выходного напряжения исключаются только третья и кратные ей гармоники.

Для решения задачи аппроксимации синусоиды и исключения нескольких высших гармоник, близких к основной, амплитуды прямоугольных напряжений ячеек должны быть неодинаковыми и согласно [8.1] выбираются по формуле

=н1мФС08 2(Аг- 1)ф, (8.1)

где t/i,iM - амплитуда первой гармоники выходного напряжения; п - номер ячейки; ф - угол сдвига фаз между напряжениями смежных ячеек, причем

Ф = Jt/6/С, (8.2)

где К=1, 2, 3 ... - целое число.

Число ячеек Nh = K при нечетном К; Л^я=3/С-1 при четном К.

На рис. 8.2, а показан пример выполнения пятиячейкового инвертора, в котором выходное напряжение не содержит высших гармоник вплоть до 11-й.

В соответствии с (8.2) при этом К=2 угол ф=л;/12, а напряжения на выходе ячеек согласно (8.1) выбраны в следующем соотношении:

6i::f/3 = 0,5:0,87:1; U, = U,; U, = U,.

Из векторной диаграммы основной гармоники (рис. 8.2, б) следует, что результирующее напряжение на нагрузке меньше алгебраической суммы выходных напряжений ячеек в 3,73/3 = 1,25 раза, а угол сдвига фаз между током и напряжением только в третьей ячейке совпадает с углом фн между током и напряжением на нагрузке. В первой и второй ячейках этот угол более отстающий и увеличен на 2ф и ф соответственно, а в четвертой и пятой ячейках уменьшен на ф и 2ф соответственно и может быть опережающим. Это видно также из временных диаграмм на рис. 8.2, в, где для примера взят фн = 60°. Суммируя потребляемые токи inn каждой ячейки, получаем общий потребляемый ток 2in, имеющий постоянную составляющую /по и переменную составляющую двойной частоты,.проходящую через входной конденсатор Свх. Из этого следует, что потребляемый ток данного инвертора, как и всех инверторов, в которых формирование синусоидального выходного напряжения осуществляется изменением коэффициента передачи напряжения, соответствует (6.3), а ток входного конденсатора /с* = 0,707 независимо от cos фн. Максимальный ток транзисторов

Рис. 8.2. Суммирование напряжений, одинаковых по форме и частоте 268

/т.м*=2, а суммарный ток диодов и действующие значения токов транзисторов ячеек увеличены по сравнению с токами диодов и транзисторов инверторов, рассмотренных в § 6.2, вследствие встречного включения выходов смежных ячеек в течение части полупериода (токи диодов ячеек заштрихованы на рис. 8.2, в). Ток первичной стороны каждой ячейки равен току нагрузки, умноженному на коэффициент трансформации выходного трансформатора ячейки

feTP=n/n = f/nWHl, (8.3)

где ku=UinjeikcTB/Un - коэффициент передачи по действующему напряжению первой гармоники.

42,1пг

О О

Таблица 8.1

Подставив в (8.3) значения Un из (8.1), получим относительные значения коэффициентов трансформации ктр/ки, приведенные в табл. 8.1 для разного числа ступеней выходного напряжения. Суммарная расчетная мощность трансформаторов увеличена в 1,25 раза по сравнению с мощностью трансформаторов обычного инвертора и с учетом (1.48) для прямоугольной формы Ртр* = 1,4.

Это же значение получается при суммировании значений к^-/ки, приведенных в табл. 8.1.

Если ячейки выполнены по мостовой схеме или по любой схеме на рис. 3.4, и в каждой из них сформирована нулевая пауза 60 эл. град, т. е. исключена третья и кратные ей гармоники выходного напряжения, то число ячеек Л^я, необходимое для получения выходного напряжения инвертора заданного качества, существенно уменьщается, что показано в табл. 8.1. Коэффициенты трансформации средней [с номером (ЛГя+1)/2] и ближайшей к ней ячеек при этом увеличиваются на значения коэффициентов исключаемых крайних ячеек, а коэффициент трансформации ставших крайними ячеек уменьшается на это значение (см. табл. 8.1).

Суммарная расчетная мощность трансформаторов при этом увеличена в 1,08 раза по сравнению с мощностью трансформаторов обычного инвертора (отношение длины дуги к длине хорды на рис. 8.2,6) и с учетом (1.48) для формы напряжения с нулевой паузой 60 эл. град Ртр* = 0,92.

Расчет каждой ячейки производится по формулам гл. 3 с учетом указанных выше различий между созф нагрузки и созф для каждой из ячеек. Для обеспечения необходимого качества выходного напряжения его стабилизация осуществляется, например, методом геометрического суммирования, т.е. изменением взаимного сдвига фаз между двумя многоступенчатыми напряжениями.

8.2.2. СУММИРОВАНИЕ ОДИНАКОВЫХ ПО ЧАСТОТЕ И РАЗНЫХ по ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Для формирования ступенчатого, аппроксимирующего синусоиду напряжения могут быть использованы ячейки с однократной широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, работающие синхронно и синфазно (рис. 8.3,а). Число ступеней выходного напряжения такого многоячейкового инвертора равно числу ячеек, каждая из которых должна быть выполнена по мостовой схеме или по любой из схем на рис. 3.4. Коэффициент мощности нагрузки cos ф каждой ячейки равен cos ф нагрузки всего инвертора вследствие синфазной работы ячеек, а коэффициент длительности импульса у различен для каждой ячейки. Как показано в гл. 3, при малых значениях у увеличивается нагрузка диодов, шунтирующих транзисторы.

Стабилизация выходного напряжения в данном инверторе осуществляется, как было показано в § 2.2, с помощью эталонного стабильного синусоидального напряжения, на которое нанизывается ступенчатое выходное напряжение инвертора. При этом с увеличением входного (питающего) напряжения число ступеней уменьшается (см. рис. 2.13) вследствие выключения ячеек, формирующих вершину синусоиды {U\, U2 и т.д.). Увеличение амплитуды выходных напряжений ячеек, формирующих нижние ступени [Us, Ue, Uj), приводит к увеличению расчетной мощности трансформаторов этих ячеек почти вдвое при увеличении входного на-

Рис. 8.3. Суммирование одинаковых по частоте и разных по длительности импуль сов напряжения

Пряжения вдвое (ес7=2) и к увеличению суммарной расчетной мощности трансформаторов примерно в 1,5 раза.

Если соотношение амплитуд выходных напряжений ячеек взять соответствующим закону двоичного счета, то число ячеек для заданного числа ступеней выходного напряжения существенно уменьшится [8.2, 8.3]. Например, при трех ячейках с соотношением амплитуд выходных напряжений C/i: 62 : з= 1 2 : 4 (рис. 8.3,6) формируется такое же семиступенчатое напряжение, как и при семи ячейках в предыдущем варианте. Ячейки переключаются по принципу системы +, О , рассмотренной в гл. 7.

Коэффициенты трансформации выходных трансформаторов ячеек

ТР1 Н.М'

/7С^п1 ФПО - 2kn

krpnn - 4п

трг ~~ тР! тРЗ ~ * тР1 ( 4)

Амплитуда тока транзистора ячейки

/тп - /н.м^трп где п - номер ячейки, а относительное значение суммы амплитуд токов транзисторов с учетом (8.4)

2/т.м* = (ад)2/т.м = 2.

Потребляемый инвертором ток, как и в предыдущих вариантах, соответствует (6.3), а ток входного конденсатора /с* = 0,707 независимо от созфн (без учета высокочастотной составляющей). При увеличении входного напряжения токи в транзисторах и диодах ячеек не изменяются, так как они определяются приведенным

Tpz Tg

Ж

Рис. 8.4. Инверторы с суммированием напряжений для образования ступенчатой формы с равными длительностями тактовых интервалов

значением тока нагрузки. Нагрузка трансформаторов по среднему напряжению (по значению магнитного потока в сердечнике) изменяется, что для примера показано на рис, 8.3, б, г в режимах, ког-

да входное напряжение равно полутора- и двукратному значению минимального. Третья ячейка (с напряжением U) при Un=2Unmin вообще закрывается, а ее функции принимают на себя вторая и первая ячейки, среднее напряжение на выходе которых возрастает более чем в 2 раза. Согласно проведенным расчетам суммарная расчетная мощность трансформаторов данного инвертора увеличена в 1,1 раза при ес7=1,5 и в 1,55 раза при еи=2 по сравнению с мощностью нагрузки.

Помимо рассмотренной системы + , О , так же как в преобразователях постоянного напряжения, для формирования синусоиды может применяться система двоичного кода + , - или система троичного кода + , О, - . Система + , - , хотя и позволяет упростить построение транзисторного коммутатора каждой ячейки, требует использования большего числа ячеек Л^я Для заданного числа ступеней

N.. = 2 -.

Кроме того, увеличивается расчетная мощность трансформаторов вследствие встречного включения вторичных обмоток в течение части полупериода. Согласно расчетам при неизменном входном напряжении (8с7=1) суммарная расчетная мощность трансформаторов SPtp* = 1,1, а при еи=2 она возрастает до 2Ртр* = = 2,5. Это объясняется тем, что ячейки высших разрядов при росте входного напряжения не выключаются, как в системе -}-, О . В системе +, - увеличены также расчетная мощность диодов и потери мощности в них вследствие указанной внутренней циркуляции мощности при вычитании выходных напряжений ячеек.

Система +, О, - занимает промежуточное положение между системами -}-, О и -}-, - по расчетной мощности трансформаторов и диодов, а также КПД, но обеспечивает максимальное число ступеней при данном числе ячеек

yV = (3H i)/2.

При рассмотренном способе формирования синусоиды по эталонному напряжению спектральный состав выходного напряжения изменяется (см. рис. 2.14) и в нем могут присутствовать высшие гармоники низких порйдков.

Для облегчения задачи фильтрации выходного напряжения формируют ступенчатую кривую, не содержащую группу высших гармоник, близких к основной.

Схемы таких инверторов на примере мостовых ячеек показаны на рис. 8.4. Там же показаны формы выходного напряжения, получаемые путем суммирования (вычитания) прямоугольных напряжений на выходе ячеек, имеющих одну или несколько нулевых пауз на каждой четверти периода. Напряжения на выходе отдельных ячеек показаны соответствующей штриховкой. Амплитуды напряжений указаны в долях амплитуды синусоидальной функции построения Ua. Коэффициенты трансформации выходных трансформаторов ячеек выбираются такими, чтобы ступенчатая кривая выходного напряжения инвертора аппроксимировала синусоиду при