Широтный способ регулирования выходного напряжения

При широтном способе регулирования выходное напряжения инвертора имеет прямоугольную форму, симметричную относительно оси времени [4]. На каждом полупериоде выходного напряжения в этом случае имеется лишь один прямоугольный импульс, ширина которого (λ_и) регулируется в пределах от λ_и =0 до λ_и=π.

Отношение длительности импульса напряжения на интервале полуволны выходного напряжения к длительности полупериода выходного напряжения принято называть коэффициентом заполнения импульса D:

D = t _и/ T ',

где T '= T /2– длительность полупериода выходного напряжения.

 

Рис. 4.3. Временные диаграммы, поясняющие применение широтного способа управления (а, б, в, г,д)

Широтное регулирование осуществляется регулированием длительности импульсов управления, подаваемых на транзисторы одного плеча. А импульсы управления, подаваемые на транзисторы другого плеча, остаются неизменными. Одновременно ток нагрузки всегда проходит через два транзистора, расположенных по диагоналям вентильного моста, VT 1, VT 2 или VT 3, VT 4. При смене рабочей пары транзисторов происходит смена полярности напряжения нагрузки. Гармонический состав выходного напряжения при реализации широтного способа регулирования соответствует формулам (4.1) и (4.2), а также графикам, приведенным на рис. 4.4. По оси абсцисс отложен параметр регулирования – коэффициент заполнения импульса D.

Гармонический состав выходного напряжения при широтном регулировании может быть представлено разложением в ряд Фурье [4]:

 

(4.1)

Из формулы (4.1) видно, что амплитуда высшей гармоники обратно пропорционально номеру этой гармоники

 

(4.2)

Действующее значение первой гармоники напряжения, U ₁, при изменении коэффициента заполнения импульса в пределах 0< D <1 можно определить по формуле (4.3):

(4.3)

Действующее значение выходного напряжения инвертора с учетом всех гармоник, U _вых:

(4.4)

Из рис. 4.4 видно, что при уменьшении коэффициента заполнения импульса относительная величина высших гармоник (в долях первой гармоники) изменяется, возрастая в диапазоне малых значений D.

Величина и форма тока, протекающего через транзистор, зависит от величины и характера нагрузки. При чисто активном характере нагрузки форма тока нагрузки повторяет форму кривой напряжения нагрузки. Максимальное значение тока коллектора транзистора равно

I _{к max}= U_d / R _{нг min} (4.5)

При активно - индуктивном характере нагрузки форма тока имеет экспоненциальный характер:

(4.6)

где I ₀= U_d / R _нг – базисный ток;

Т – период выходного напряжения;

τ_нг= L _нг/ R _нг – постоянная времени цепи нагрузки.

Максимальная величина коллекторного тока транзистора оказывается при D =1:

(4.7)

Диоды VD 1 и VD 2 называются диодами обратного тока.

Величину среднего значения тока, протекающего через диоды обратного тока и через транзисторы, можно определить методом основной гармоники [2]. Первые гармоника напряжения и тока нагрузки:

где U _нг, I _нг – действующие значения первых (основных) гармоник напряжения и тока, соответственно; φ_нг– фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к первой гармоники напряжения нагрузки. Мощность, потребляемая группой вентилей прямого тока (транзисторами VT 1, VT 2, VT 3 и VT 4), P_{d 1}: (4.8)

Рис. 4.4.. Гармонический состав выходного напряжения однофазного инвертора при широтном способе регулировании напряжения

Мощность, возвращаемая группой вентилей обратного тока в источник питания, P_{d 2}: (4.9) Мощность, потребляемая инвертором от источника питания, без учета потерь мощности на элементах схемы, P_d: (4.10) Среднее значение тока, возвращаемого группой вентилей обратного тока в источник питания, I_{d 2}= P_{d 2}/ U_d. (4.11) Cреднее значение тока, потребляемого группой вентилей прямого тока, I_{d 1}: I_{d 1}= P_{d 1}/ U_d. (4.12) Среднее значение тока, потребляемого от источника постоянного тока, I_d: I_d = I_{d 1} - I_{d 2}= I _нг.cosφ_нг. (4.13)

Вопросы для самоконтроля

1. Поясните принцип работы однофазного мостового инвертора напряжения. 2. Укажите достоинства и недостатки однофазного мостового инвертора напряжения. 3. Укажите наиболее предпочтительную область применения мостовой схемы инвертора напряжения.

4. Как рассчитать загрузку транзисторов по току и напряжению.

5. Как определить средние значения токов вентилей прямого тока и вентилей обратного тока.

 

Перед выполнением лабораторной работы необходимо:

- изучить устройство, принцип работы, характеристики однофазного мостового инвертора напряжения [2];

- изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы.

Исходные данные

Базовая точка (режим), для которой снимаются осциллограммы и через которую проходят снимаемые характеристики:

напряжение источника питания U _d= 25 В; частота управления f _у= 50 Гц; ток нагрузки I _н = 0,5 А;

Базовая точка может быть изменена по указанию преподавателя.