Автономные инверторы

Автономный инвертор тока.
Схема инвертора имеет вид
Источник напряжения Ed работает в режиме источника тока, поскольку последовательно с ним включен реактор Ld с бесконечной величиной индуктивности. В этом случае пульсациями входного тока Id можно пренебречь и считать его идеально сглаженным. Переключения в схеме инвертора осуществляются с помощью ключей S1–S4. Их функция сводится к периодическому изменению направления тока iн в цепи нагрузки zн.

Диаграмма работы ключей

При замыкании ключей S1, S4 на интервале 0 – Т/2 ток нагрузки iн протекает от источника Ed через ключи S1, S4 и сопротивление нагрузки zн. Величина и форма этого тока определяются током Id источника Ed, поэтому на этом интервале ток нагрузки iн = Id. Принимаем такое направление тока iн положительным, ему соответствуют положительные значения ординат этого тока (рисунок г).
В момент времени t = T/2 происходит коммутация ключей. Теперь в замкнутом положении на интервале T/2 – T находится другая пара ключей S2, S3. При этом направление тока нагрузки iн, замыкающегося через входную цепь инвертора и ключи S2, S3, меняет направление на противоположное, чему соответствуют отрицательные значения ординат этого тока (рисунок г). Поэтому для этого интервала времени ток нагрузки iн = –Id. Таким образом, переменный по форме ток нагрузки инвертора имеет прямоугольную форму с амплитудой Id, равной входному току инвертора. Частота этого тока определяется периодом Т замыкания (размыкания) ключей инвертора (рисунок б, в).
В прямоугольной форме тока нагрузки iн можно выделить первую (основную) гармонику тока iн1 с частотой ω1=2π/T. Амплитуда этой гармоники для прямоугольной формы тока определяется известным соотношением:
I1m=4Id/π .
Поэтому первая гармоническая составляющая тока нагрузки iн1 определяется по формуле

Параллельный инвертор тока
Значение емкости коммутирующего конденсатора Ск, обеспечивающего опережающий характер тока нагрузки определим из условия или
Откуда
где

Автономный инвертор напряжения.
Схема инвертора имеет вид
Управление инвертором напряжения осуществляется путем поочередного включения (выключения) диагональных транзисторов моста. На интервале 0 – T/2 через включенные транзисторы VS1, VS4 к нагрузке zн прикладывается напряжение источни­ка Еd и через нее начинает протекать ток нагрузки iн. Положительные направления uн и iн показаны на рисунке a сплошными стрелками. На интервале T/2 – T выключаютcя транзисторы VS1, VS4, и нагрузка уже через включенные транзисторы VS2, VS3 подключается к источнику Еd, при этом полярность напряжения uн меняет знак (показана пунктиром на рисунке a). В момент t = Т вновь включаются транзисторы VS1, VS4, после чего процессы в схеме инвертора повторяются. Таким образом, при поочередном переключении транзисторов VS1–VS4 осуществляется формирование напряжения нагрузки, имеющего переменную прямоугольную форму. Амплитуда напряжения uн определяется величиной напряжения входного источника Еd. В прямоугольной форме напряжения uн можно выделить первую гармоническую составляющую напряжения, с амплитудой

Диаграмма управления транзисторами

В конце первого интервала работы инвертора: 0 – T/2 ток нагрузки возрастает от нуля до величины I0 (показано пунктиром на рисунке г) и имеет положительное направление.
В момент t = Т/2 включается очередная пара транзисторов VS2, VS3, но ток нагрузки iн через них протекать не может, поскольку он является обратным для этих транзисторов. Поэтому ток iн замыкается через обратные диоды VD2 и VD3 и входную цепь инвертора за счет энергии, запасенной в индуктивности нагрузки. Поскольку в момент времени t = T/2 полярность напряжения нагрузки меняет знак, величина тока нагрузки на интервале T/2 – t2 уменьшается от I0 до нуля. После закрытия диодов VD2, VD3 при t = t2 ток iн проводят транзисторы VS2, VS3, изменяя его направление в цепи нагрузки на противоположное. Аналогичные процессы происходят на последующих интервалах работы инвертора, т.е. в течение одного полупериода его работы ток нагрузки iн поочередно замыкается через транзисторы и обратные диоды. Отрицательные ординаты кривой тока нагрузки соответствуют протеканию прямого тока через обратные диоды, кривая тока которых показана в положительной области (рисунок е). На рисунке г сплошной линией показана кривая тока нагрузки iн в установившемся режиме работы. Из анализа электромагнитных процессов можно сделать вывод о том, что для выполнения условия непрерывности протекания тока необходимо обеспечивать на определенных интервалах работы инвертора протекание обратного тока через цепь транзисторов VS1–VS4, что достигается путем параллельного подключения к ним обратных диодов VD1–VD4.

На рис. 4.11, д, е показаны диаграммы токов транзисторов VS1, VS4 и включенных параллельно им обратных диодов VD1, VD4. Из него следует, что в начале полупериода ток нагрузки протекает через диоды VD1,VD4, а в конце – через транзисторы VS1, VS4. При этом совпадение по знаку величин uн и iн на интервалах проводимости транзисторов соответствует запасанию энергии в цепи нагрузки. Противоположные по знаку напряжение uн и ток нагрузки iн, замыкающийся через цепь обратных диодов, свидетельствуют о возвращении энергии из цепи нагрузки во входную цепь инвертора.
Входной ток инвертора iи определяется величиной тока нагрузки и совпадает с формой iн на интервале 0 – T/2 и противоположен ему по знаку на интервале T/2 – T. Ток iи является пульсирующим и содержит участки положительных и отрицательных значений тока. Ток инвертора iи замыкается через конденсатор фильтра Сd. Поскольку ток iи является переменным, источник напряжения должен обладать двусторонней проводимостью, что обеспечивается путем подключения на входе инвертора конденсатора Сd большой ёмкости. При малой величине сопротивления конденсатора переменному току обеспечивается шунтирование тока iи цепью конденсатора Сd.
Выясним величину и форму тока нагрузки iн. Дифференциальное уравнение для активно-индуктивной нагрузки имеет вид:
Общее решение уравнения

где – постоянная времени цепи нагрузки.
Постоянная интегрирования А определяется из амплитудных значений тока нагрузки в моменты переключения схемы. Для интервала 0 – Т/2, T – 3/2T … можно записать:
при
Подставив эти значения в уравнение получим:
Откуда искомое значение А определяется выражением
Тогда
Таким образом, ток нагрузки iн описывается экспоненциальными отрезками кривых с амплитудными значениями:
ен

на основании изложенного выше можно сделать вывод:
1) условие непрерывности протекания тока в цепи инвертора выполняется посредством встречно-параллельного подключения к транзисторам инвертора обратных диодов,
2) шунтирование высших гармоник тока инвертора осуществляется конденсатором фильтра Сd.

Резонансные инверторы.
В схемном отношении резонансные инверторы напоминают инверторы тока, но в отличие от них на входе имеют индуктивность Ld, которая образует колебательный контур с коммутирующим конденсатором и индуктивностью нагрузки Lн.
При этом в режиме, близком к резонансному, напряжение и ток
нагрузки будут приближаться к синусоидальным. Резонансные инверторы могут выполняться так же, как и инверторы тока, по схеме
параллельного, последовательного или последовательно-параллельного
инвертора.
Параллельный резонансный инвертор имеет характер основных зависимостей такой же, как и у параллельного инвертора тока, но в резонансном инверторе из-за синусоидальной формы тока нагрузки скорость нарастания токов тиристоров di/dt
значительно ниже. Поэтому выходная частота в резонансном инверторе может быть значительно более высокой.
Особенностью резонансного инвертора является также то, что на-грузка может изменяться лишь в небольших пределах, так как при из-менении параметров нагрузки в большом диапазоне может возникнуть
режим, приводящий к опрокидыванию инвертора.

Характеристики основных зависимостей последовательного резонансного инвертора и последовательного инвертора тока также весьма похожи:
- напряжение на нагрузке возрастает с уменьшением cos ϕн ;
- уменьшение активного сопротивления нагрузки приводит к увеличению входного тока инвертора, напряжения на конденсаторе Ck и на тиристорах, а также к увеличению времени, предоставленного тиристорам для восстановления управляющих свойств;
- в режиме холостого хода последовательный резонансный инвертор неработоспособен, т. к. угол β = 0 , и инвертор опрокидывается. Диапазон изменения сопротивления нагрузки в последовательном резонансном инверторе также ограничен условиями его работоспособности, как и в параллельном резонансном инверторе, но влияние этого сопротивления в обоих инверторах противоположное (было отмечено выше).
Свойства последовательно-параллельного резонансного инвертора в большой степени зависят от соотношения ёмкостей последовательного и параллельного конденсатора и могут быть приближены либо к свойствам параллельного резонансного инвертора, если превалирует конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, либо к свойствам последовательного резонансного инвертора, если превалирует последовательно включённый конденсатор.

Существует большое количество схемных вариантов резонансных
инверторов, каждый из которых имеет свои отличительные особенности, достоинства и недостатки, но есть одно свойство резонансных инверторов, обеспечивающее им широкие перспективы применения в различных областях техники. Речь идет о возможности построения на базе резонансных инверторов так называемых «многоячейковых инверторов». Многоячейковые резонансные инверторы применяют, например, тогда, когда необходимо получить выходную частоту, превышающую
предельное значение выходной частоты одного инвертора, либо когда нужно получить большую выходную мощность без последовательного или параллельного соединения силовых вентилей. Это достигается благодаря тому, что n отдельных резонансных инверторов работают на од-ну и ту же нагрузку либо со сдвигом по фазе на угол
2π/n, и тогда часто-та выходного напряжения на нагрузке будет в n раз превышать выходную частоту отдельного инвертора, либо их можно включать или параллельно, или последовательно для получения большой мощности в нагрузке.

Однократная широтно-импульсная модуляция.
При такой модуляции импульсное напряжение содержит только один импульс за
половину периода .
(
Такое напряжение получится, если ключи в схеме замыкаются со смещением во времени. Диаграмма, показывающая интервалы замыкания ключей, изображена в нижней части рисунка. С помощью однократной ШИМ можно исключить из
спектра одну из высших гармоник, изменяя угол включения δ . Покажем это.
Разложение в ряд Фурье последовательности импульсов на рисунке показывает, что в сигнале содержатся только нечетные синусоиды:

Амплитуда n-й гармоники
Варьируя угол включения δ , мы изменяем амплитуды гармоник. Примем, что δ= 300 . Тогда амплитуда первой гармоники
а амплитуда третьей гармоники
равна нулю.
Можно исключить пятую гармонику, полагая δ= 180 . Однако для одновременного исключения третьей и пятой гармоник необходимо сформировать импульсное напряжение более сложной формы.

Многократная широтно-импульсная модуляция.
В этом случае напряжение представляет серию импульсов за половину периода.
На рисунке показано напряжение, имеющее два импульса одинаковой полярности
на полупериоде. Напряжение такой формы позволяет исключить две высших гармоники. Однако это не могут быть одновременно третья и пятая гармоники.
Для исключения третьей и пятой гармоник необходимо напряжение, содержащее три импульса на полупериоде.

Синусоидальная широтно-импульсная модуляция.
Другой способ исключения высших гармоник из спектра заключается в модуляции
длительности импульсов по синусоидальному закону. Такой способ эффективен при большом числе импульсов на полупериоде основной гармоники.
Форма сигналов широтно-импульсного модулятора показана на рисунке.
В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Такой тип ШИМ называется асимметричным, т.к. длительности управляющих импульсов неодинаковы. Высшие гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора
будут меньше, чем при симметричной широтно-импульсной модуляции.