Главная »  Типовые схемы инверторов 

1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 38

Различают четыре вида равномерной синусоидальной АИМ: все сочетания с четным и нечетным числом равных интервалов и коэффициентами рур = 0,5 и О, показанные на рис. 2.11, а-г для трехступенчатого напряжения. Синусоида на рис. 2.11 является функцией построения. При четном числе интервалов i число получаемых уровней напрял^ения

Л^ур = 72, (2.23)

при нечетном

AAp=.(t-l)/2 дляр,р = 0; I

AAyp = (i-f 1)/2 для Рур = 0,5.1 -

При рур = 0 напряжение имеет нулевую ступень (рис. 2.11, в, г), а при рур = 0,5 напряжение такой ступени не имеет (рис. 2.11, а, б). Напряжения с четным

.числом интервалов i при Рур = 0,5 (рис. 2.11, а) и с нечетным числом интервалов i при рур = 0 (рис. 2.11, г) имеют среднюю ступень удвоенной длительности.

В частотном спектре напряжения при синусоидальной равномерной АИМ согласно [2.2] равны нулю гармоники с номером

п = 2iS ± 1,

где 5 - целое число (5=1, 2, 3...). Поэтому номер наинизшей из высших гармоник

= 2i-l, (2.25)

а с учетом (2.23), (2.24)

г =5 ; ;3ур = 0,5


6) t г]

Рис. 2.11. Равномерная синусоидальная АИМ

число исключаемых высших гармоник

2 (ЛАур- 1) для четного i\

1 для нечетного i и рур=0; (2.26)

искл = 2ЛАур - 3 для нечетного i и рур = 0,5.

Следовательно, наилучший частотный спектр имеет напряжение с нечетным i и рур = 0, наихудший - с нечетным i и рур = 0,5; промежуточное положение занимает напряжение с четным i. Напряжения с числом 1, кратным трем, удобно использовать в трехфазных преобразователях, что показано в гл. 9. Коэффициент гармоник для всех видов синусоидальной равномерной АИМ

Кг = УШ1 sin {n/2i)Y ~ 1 (2.27)



и уменьшается при увеличении числа интервалов L Применив разложение синусоидальной функции в степенной ряд, можно получить приближенную формулу для Кг

Кг - для Рур = 0,5; 1

/Сг = 45,2/(iVyp -f 0,5) для Рур = 0. 1

Построенные по (2.27) зависимости Kr=f{Njp) показаны на рис. 2.10 в виде кривых 3 я 4. Преимущество рассмотренной синусоидальной равномерной АИМ по сравнению с трапецеидальной состоит в полном исключении массива высших гармоник низкого порядка, что позволяет использовать LC-фильтр с малыми габаритными размерами и массой. Так как относительное значение не-исключенных высших гармоник соответствует (2.11), коэффициент гармоник, %, на выходе фильтра соответствует (2.12) или с учетом (2.25)

/Сг.ф = 25/(0.1 {2Р - Si + 1). (2.29)

На рис. 2.5 показана зависимость /Сг.ф = [ (о)*) для трехступенчатого напряжения с i=6 (кривая 6).

Ступенчатое напряжение с синусоидальной функцией построения может быть сформировано, когда интервалы (длительности ступеней) не равны, а кратны друг другу [2.9]. Как показывает анализ такого напряжения, коэффициент гармоник в этом случае незначительно (на 0,1-0,2 %) меньше коэффициента гармоник при равномерной АИМ с нулевой паузой (кривая 4 на рис. 2.10), но полного исключения высших гармоник низкого порядка нет. Поэтому усложнение системы управления для получения таких форм выходного напряжения инвертора, как правило, не оправдано. Для уменьшения числа ячеек (обмоток или источников) силового контура инвертора соотношение между амплитудами прямоугольных напряжений на выходах этих ячеек (обмоток, источников) выбирают по закону двоичного или троичного счета, а в результирующем выходном напряжении инвертора, использующем сумму и разность указанных напряжений ячеек, образуются ступени с равной амплитудой [2.10].

2.2. МЕТОДЫ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЕГО ЗНАЧЕНИЯ

2.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Задача стабилизации состоит в сохранении неизменным значения первой гармоники выходного напряжения при изменении в определенных пределах амплитуды одноуровневого напряжения или при пропорциональном изменении амплитуд каждой из ступеней многоуровневого напряжения.



Методы изменения формы выходного напряжения для его стабилизации

изменение глбины модуляции

Дополнительная многократная ши-ротно-и мпул ьсная модуляция

! [змвнение дли -тельности импульсов одноуровневого напряжения

Изменение длительности импульсов многоуровневого напряжения

на полную глубину

Геометрическое суммирование нескольких одинаковых напряжений

на неполную глубину t многозонная импульс-пая модуляция

на глубину одаой ступени

с дополните;ль>1Ыми вольтодооа-вочныкт или вольтовычитающи-ми импульса\П1

Рис. 2.12. Классификация методов изменения формы выходного напряжения

Можно выделить три основные группы методов изменения формы выходного напряжения с целью его стабилизации (рис. 2.12):

изменение глубины модуляции, т. е. изменение длительности (ширины) имеющихся импульсов или ступеней;

введение дополнительной многократной широтно-импульсной модуляции;

геометрическое суммирование нескольких одинаковых напряжений неизменной формы.

В широтно-модулированном одноуровневом напряжении изменение соотношения между амплитудами выходного напряжения и напряжения первой гармоники наиболее просто производится путем изменения длительности импульса. При этом если ШИМ равномерная и напряжение первой гармоники пропорционально модулирующему напряжению (функции построения), то задача стабилизации выходного напряжения сводится к поддержанию стабильным модулирующего (опорного) напряжения. Это справедливо также и для амплитудной модуляции, когда при изменении амплитуд ступеней будет изменяться их длительность с тем, чтобы напряжение первой гармоники оставалось неизменным.

Метод геометрического суммирования двух или более напряжений одинаковой неизменной формы состоит в том, что в процессе стабилизации изменяется взаимный сдвиг фаз, который увеличивается от нуля при росте амплитуды каждого из этих напряжений. Метод удобен при выполнении преобразователя, состоящего из нескольких преобразовательных ячеек.

Сущность дополнительной многократной импульсной модуляции состоит в том, что в исходную форму выходного напряжения



вводятся дополнительные отрицательные импульсы ( щели ) или положительные вольтодобавочные импульсы. Данный метод, особенно при неполной глубине модуляции, позволяет почти сохранить спектральный состав выходного напряжения в процессе стабилизации и тем самым незначительно увеличить габаритные размеры фильтра для обеспечения заданного коэффициента гармоник на всем интервале изменения амплитуд напряжения на входе фильтра.

Три указанных метода могут использоваться также в комбинации друг с другом.

2.2.2. МЕТОД ИЗМЕНЕНИЯ ГЛУБИНЫ МОДУЛЯЦИИ

При равномерной ШИМ одноуровневого напряжения, как было показано в п. 2.1.3, порядок гармоник спектра определяется только числом импульсов и не зависит от глубины модуляции (от коэффициента у, характеризующего относительную длительность импульса в середине полупериода).

Напряжение высших гармоник при равномерной ШИМ со ступенчатым модулирующим напряжением согласно (2.18) определяется множителем

P=i7-V

Sin

пу £7(2/7 - 1) я

2i 2i

где A - коэффициент, не зависящий от у.

Анализ этого множителя показывает, что напряжение гармоник с номером п, меньшим i, будет уменьшаться с уменьшением у, а напряжение гармоник с номером п, близким к 2Si, где S = l, 2, 3... - целое число, будет увеличиваться с уменьшением у, так как при этом указанный множитель от значения, близкого к нулю, будет стремиться в процессе стабилизации (снижения 7) к единице. Другими словами, в процессе стабилизации усиливаются напряжения гармоник с частотой, близкой к частоте модуляции /мод=2 вых и кратной ей. Эти гармоники и в исходном спектре (при у = 1) являются преобладающими. При 7 = 0,5 их значение может достигать 70-80 % 1-й гармоники.

Так как для 1-й гармоники (/2 = 1) указанный множитель можно считать прямо пропорциональным коэффициенту у, между амплитудой выходного напряжения и напряжением 1-й прмоники существует линейная зависимость, а кратность изменения 7 в процессе стабилизации равна кратности изменения возмущающего воздействия 8с7 (амплитуды выходного напряжения):

УтЫ = = UAmin/UAmax. (2.30)

Интересная особенность данного метода состоит в том, что некоторое уменьшение 7 приводит к значительному уменьшению 3-й гармоники и наинизшей из высших гармоник спектра. Например,



при i=6, q=l (трехступенчатая функция аппроксимации с одним импульсом на ступень) в исходной кривой при у=1 содержится напряжение 3-й гармоники /з = 2,3 % и первой из высших, 9-й гармоники L9=13%, а при уменьшении у до 0,7 Uz = 0,9%, L9 = = 8,5%. Поэтому для уменьшения массы и габаритных размеров фильтра иногда целесообразно максимальное значение у принимать равным не единице, а 0,7-0,8. Целесообразно также использовать ШИМ с двумя импульсами на ступень функции построения ( = = 2), когда усиливаемые в процессе регулирования гармоники (23-я и 25-я при i=12) имеют частоту, примерно вдвое большую наинизшей из высших гармоник (11-й при i=12), и поэтому эффективно подавляются фильтром, практически без увеличения его габаритных размеров.

Все полученные для ступенчатого модулирующего напряжения выводы по влиянию у на напрялчение гармоник относятся и к другим формам модулирующего напряжения при равномерной ШИМ (синусоидальной, трапецеидальной и треугольной [2.2]).

При неравномерной ШИМ одноуровневогона-пряжения с четырьмя импульсами в полупериоде (см. рис. 2.6, б) согласно исследованиям [2.5] в процессе уменьшения у напряжение гармоник изменяется пропорционально множителю .

sin (7AZJi/15).

Следовательно, при уменьшении у будут усилены гармоники с номером близким к 15, появится 15-я гармоника и будут уменьшены 7-я и 9-я гармоники, т. е. при стабилизации напряжения заметного ухудшения качества напряжения на выходе фильтра не произойдет.

При амплитудной модуляции многоуровневого напряжения в процессе стабилизации изменяются длительности всех ступеней, а соотношение между амплитудами ступеней остается неизменным. Например, в системе, работающей по принципу слежения за эталоном [2.10], эталонное синусоидальное напряжение Уэт поддерживается стабильным, а равные между собой амплитуды ступеней выходного напряжения инвертора Lh изменяются пропорционально входному напряжению инвертора Ux-При этом в процессе стабилизации может изменяться число ступеней (рис. 2.13). Переход с одной ступени на другую происходит, когда разность напряжений Ut-0 в первой четверти периода и напряжений -Пэт во второй четверти достигает уровня опорного напряжения Uon, пропорционального входному, т.е. Uon=kUbx.

Из рис. 2.13 следует, что выбор коэффициента k определяет число ступеней выходного напряжения

которое максимально при минимальном входном напрян<ении.

Максимальное располагаемое число ступеней напряжения Un определяется построением силового контура инвертора - числом




6х min Bx.HDM и f)x max

Рис. 2.13. Формирование многоступенчатого напряжения по эталонной синусоиде

преобразовательных ячеек (или секций) Nn- При использовании ячеек с двумя устойчивыми состояниями

iVcT = 2 , а с тремя устойчивыми состояниями

Л^с. = (3 -1)/2.

Исходя из этого и учитывая, что для получения удовлетворительного спектрального состава минимальное число ступеней (при максимальном входном напряжении) должно быть не менее трех, получим необходимое минимальное число ячеек силового контура:

= 1 + lgp38t/ для р = 2; = Ыр (6et/ + 1) для р = 3,

(2.31)

где р - число устойчивых состояний ячейки; еи-кратность изменения входного напряжения.

Полученное по (2.31) значение Мя должно быть округлено вверх до целого числа. Из (2.31) следует, что при кратности 817=1,5 достаточно двух ячеек с р=3 или трех ячеек с р=2, а при кратности 8[/=2 на одну ячейку больше и в том, и в другом случае.

Согласно исследованиям [2.11] коэффициент гармоник стабилизируемого подобным способом напряжения инвертора изменяется в процессе изменения входного напряжения, как показано на рис. 2.14. Волнистость зависимости /Сг=/(вхтгп/вх) объясняется тем, что при увеличении входного напряжения автоматически уменьшается число ступеней (точка перелома соответствует пропаданию верхней ступени). Исключение высших гармоник низкого порядка происходит только в одной точке каждой зоны данной характеристики, что вызывает затруднения в использовании фильтров вследствие возможного попадания гармоник, близких к основной, в полосу резонанса частот фильтра.



6 7

N = 8

Рис. 2.14. Изменение коэффициента гармоник при формировании и стабилизации выходного напряжения по эталонной синусоиде

Поэтому данный способ стабилизации применим в основном в инверторах с бесфильтровым выходом и обеспечивает коэффициент гармоник /Cг=6-9 % при кратности ги=2 и максимальном числе ступеней Мс1=8 или /Сг=12--17% при кратности еи=1,5 и максимальном числе ступеней Л^ст=4.

2.2.3. МЕТОД ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МНОГОКРАТНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

при дополнительной ШИМ на полную глубину на каждой ступени выходного напряжения инвертора формируются равномерно расположенные вырезы ( щели ) на полную амплитуду ступени, ширина которых в процессе стабилизации изменяется от нуля при минимальном входном напряжении до некоторого максимального значения (рис. 2.15).

Согласно [2.12] амплитуда п-й гармонической составляющей выходного напряжения при данном методе

21(/д . ял sin {nnyl2ik)

sin-

(2.32)

I - число интерва-каждом интервале;

ял 2i sin (ял/гЛ)

где и А - амплитуда выходного напряжения; лов в полупериоде; % - число импульсов на 7 -относительная длительность импульса на каждом подынтервале, число которых равно ifk.

Как показано в [2.2], при данном методе стабилизации гармонический состав не изменяется, т.е., как и в исходной кривой, присутствуют только пары гармоник с номером

/z = 2iS±l, (2.33)

где 5 = 1, 2, 3... -номер пары. Подставляя (2.33) в (2.32), получаем (в относительных единицах)

Un sin {nySIX ± яу/2а) sin (Я/21А,)

(2.34)

и I п sin (яу/2/Х) sin {nS/l ± л/2И)

Знак -- относится к первой гармонике данной пары, а знак - - ко второй.



Проведем анализ (2.34) в отношении изменения в процессе стабилизации гармоник, близких к основной, и фильтрации выходного напряжения (коэффициентов Кг и /Сг.ф).

Для основной гармоники ( =!) при можно использовать

приближение sin а а и из (2.32) получить:

и.и^у. (2.35)

Следовательно, основная гармоника изменяется прямо пропорционально относительной длительности импульса. Построенные по

(2.34) зависимости /7 *=/(y) (рис, 2.16) являются типовыми, так как мало зависят от числа ступеней (интервалов i). Лишь при 7=1 напряжение Un* = l/n и поэтому зависит от числа интервалов i. Значительное увеличение гармоник в процессе стабилизации (при уменьшении 7) наблюдается только для пар с номером 5, равным числу щелей на интервале X.

Пары гармоник с номером, кратным числу к, увеличиваются только при глубоком изменении 7 (7<0,5). Другие пары гармоник изменяются несущественно во всем диапазоне стабилизации (изменения 7 от О до !)

Коэффициент гармоник модулированного таким образом напряжения согласно [2.12]

1 / л^у sin2 (л/2й) Г

При i3 можно принять sin ал; а. Тогда коэффициент гармоник

Л = 2

Рис. 2.15. Изменение формы выходного напряжения методом дополнительной многократной ШИМ

Vl/y-l.

Следовательно, коэффициент гармоник мало зависит от i и Я и резко возрастает при уменьшении 7, достигая 100 % при 7 = 0,5. Это объясняется ростом пары гармоник с номером S=X.

При использовании выходного фильтра коэффициент гармоник на его выходе согласно (2.12) увеличивается при уменьшении 7 пропорционально кратности увеличения Ку первой пары гармоник (5=1).

Габаритные размеры фильтра, определяемые его резонансной частотой со*, согласно (2.13) будут увеличены при введении стабилизации в со** раз, где

со*, = К(100 + КгфПтгпКуЖт + Кг.фПтгп)> (2.36)



здесь /Сг.ф - требуемое значение коэффициента гармоник на выходе инвертора (фильтра); п-тш - номер ближайшей к основной высшей гармоники; - кратность увеличения этой гармоники при стабилизации (см. рис. 2.16).

Например, при Я=1 и 8 = 2 (изменение 7 от 1 до 0,5) коэффициент /Cv=3,5 для i = 3 (Ят/п = 5) и /Cv =7 для i = 6 {ПтЫ =

= 11), что согласно (2.36) требует увеличения фильтра в 1,5 и 1,75 раза соответственно при /сг.ф = 5 %

При формировании двух импульсов на интервале (Я=2) коэффициенты /Cv согласно рис. 2.16 уменьшаются до 1,4 и оз** уменьшается до 1,04 и 1,07 соответственно. Следовательно, увеличения габаритных размеров фильтра практически не потребуется. Дальнейшее увеличение числа вырезов (Я^З) не имеет практического смысла, так как уменьшение со** при этом незначительно.

Таким образом, формирование выходного напряжения с двумя вырезами на интервале является достаточным для эффективной стабилизации напряжения при наличии выходного фильтра.

Дополнительная ШИМна неполную глубину осуш,ест-вляется двумя путями:

путем суммирования двух в общем случае ступенчатых напряжений одинаковой формы, одно из которых не регулируется; а второе регулируется методом ШИМ на полную глубину; путем формирования ступенчатого напряжения путем сравнения эталонного синусоидального напряжения с многозонным пилообразным напряжением (многозонная ШИМ).

При методе суммирования нерегулируемого и регулируемого напряжений силовой контур разделяется на два канала: основной и дополнительный, причем дополнительный широтно-импульсный регулируемый канал выполняется либо нереверсивным (только вольтодобавочным), либо реверсивным (и вольтодобавочным, и вольтовычитающим). В последнем случае относительная длительность импульсов 7 дополнительного напряжения (рис. 2.17) изменяется согласно (2.35) по линейному закону от 1 до О в вольтодобавочном (ВД) режиме (рис. 2.17, а) при увеличении входного напряжения от минимального Uxmin до некоторого значения t/вхо и от О до 1 в вольтовычитающем режиме (рис. 2.17,6) (ВВ) при последующем увеличении входного напря-

\\ \

- 7

----5 = 2

\ 1 1 1

\\ \\ \\

\\ \\

0,Ь 08 у

Рис. 2.16. Спектральный состав выходного напряжения при дополнительной многократной ШИМ



жения от f/вхо ДО максимального t/вх max. Соотношение амплитуд основного и дополнительного напряжений определяется из уравнений

доп mint осн тал; доп тах'

преобразуя которые получаем

(2.37)

где ц - доля добавочного напряжения; eu-кратность изменения входного напряжения и, следовательно, напряжений t/осн и t/доп.

оси



Рис. 2.17. Изменение формы выходного напряжения методом суммирования нерегулируемого и регулируемого напряжений

Входное напряжение, при котором происходит реверс добавочного канала с режима ВД на режим ВВ, с учетом (2.37) определяется по формуле

ео tbx o/t/вх min = JO min = -u/iU + 1). (2.38)

Используя (2.38), получаем выражения для относительной длительности добавочных импульсов в режимах ВД и ВВ соответственно:

Твд = (ео -t*)/(eo-1); Vbb = (f* - ео)/(е:/- 8о),

(2.39)

где t/* = t/Aon/t/flonnnn = t/ocH/t/ocHmm -относительное значениб напряжений t/доп и UoCH

Определим напряжение гармоник результирующего напряжения Un. Использовав (2.32) и (2.37) с учетом того, что для основного




1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 38



Как выбрать диван



История мебели



Стили кухонной мебели



Публикации



Инверторы



Приемники