Транзисторные инверторы.

 

8.1. Транзисторные инверторы с прямоугольной формой кривой напряже­ния.

 

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью труппы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения, например величины его первой гармоники (U2(1)), значениям напряжения постоянного тока на входе (E), конструктивного параметра схемы (К) и фактора управления (Fy):

U2{1)=EKFy. (7.1)

 

В зависимости от конструктивного исполнения: модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей.

В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его величину. Поясним изложенное на примере ИН, модуль переключения Мs которого выполнен по мостовой схеме (рис. 7.2,а).

 

Рис. 7.2. Пример схемы модуля переключения (а) и возможные диаграммы

напряжения, тока и мгновенной мощности ( б, в)

Рассмотрим установившейся режим работы схемы в предположении индуктивного характера сопротивления эквивалентной нагрузки. Для формирования положительной полуволны напряжения u(t) на интервале времени [t₀, t₁] (рис. 7.2,6) под действием сигналов Fy управляющего контроллера замыкаются ключи S1, S3. Вторая полуволна (интервал [t_2, t₃]) формируется другой парой ключей (S2, S4).

Важно отметить, что при индуктивном характере сопротивления Z3 ток нагрузки i, а следовательно, и ток ключей на интервале полуволны меняет знак (меняет свое направление). На интервалах времени с совпадающими знаками тока и напряжения мгновенная мощность p(t) = u(t)i(t) > 0. Такие интервалы соответствуют режимам «прямой» передачи энергии, связанными с трансляцией в нагрузку активной мощности и накоплением энергии в её реактивных элементах. На интервалах времени с противоположными знаками тока и напряжения мгновенная мощность отрицательна, что соответствует «инверсному» режиму, т.е. режиму возврата (рекуперации) реактивной энергии нагрузки в источник.

Для регулирования выходного напряжения длительность (ширину) импульсов полуволны изменяют (рис. 7.2,в). На интервалах между импульсами, называемые интервалами паузы, связь источника с потребителем нарушается, а условие непрерывности тока в нагрузке обеспечивается её «закорачиванием» с помощью включения определенной пары ключей модуля Ms, либо с помощью введения в схему дополнительного шунтирующего ключа S₀. Нарушение такого алгоритма управления ключами приводит к образованию неконтролируемого инверсного режима, в котором реактивная энергия потребителя вынуждает открыть пару ключей для возврата в первичный источник накопленной энергии. Образуемый при этом на зажимах нагрузки «импульс реакции» изменяет форму напряжения

и его интегральные показатели. Соответственно в уравнении (7.1) появляется дополнительный множитель, связанный с коэффициентом мощности нагрузки.

Далее будет показано, что изложенные закономерности не зависят от схемотехнического решения инвертора и, таким образом, определяют общий подход к формированию алгоритмов переключения его силовых ключей.

Сформулируем ряд положений, определяющих методы технической реализации инверторов и особенности их работы.

1. Ключи инвертора должны быть управляемыми (включаться и выключаться по сигналу управления), а также обладать свойством двухсторонней проводимости тока. Как правило, такие ключи получают шунтированием транзисторов обратными диодами (см.разд. 2.1). Исключение составляют полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом его полупроводниковой структуры.

2. Регулирование выходного напряжения инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. Наиболее просто регулирование достигается изменением длительности (ширины) импульса полуволны. Такой способ (для краткости его обозначают ШИР) является простейшим вариантом метода широтно-импульсной модуляции сигналов (ШИМ).

3. Нарушение симметрии полуволн выходного напряжения порождает побочные продукты преобразования с частотой ниже основной, включая возможность появления постоянной составляющей напряжения, недопустимой для цепей, содержащих трансформаторы.

4. Для получения управляемых режимов работы инвертора, описываемых уравнением (7.1), ключи инвертора и алгоритм управления ключами должны обеспечить последовательную смену структур силовой цепи, называемых прямой, короткозамкнутой и инверсной.

5. Мгновенная мощность потребления p(t) пульсирует с удвоенной частотой. Первичный источник питания должен допускать работу с пульсирующими и даже изменяющими знак токами потребления. Переменные составляющие первичного тока определяют уровень помех на зажимах источника питания.