Основные расчетные соотношения и характеристики инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения

Силовая схема АИН с ШИМ приведена на рис.4.1. При широтно - импульсной модуляции выходного напряжения инвертора каждый транзистор схемы многократно открывается и закрывается на интервале периода выходного напряжения. При этом различают два вида широтно - импульсной модуляции (ШИМ) [2]: – ШИМ с прямоугольной формой кривой модулирующего сигнала; – ШИМ с синусоидальной формой кривой модулирующего сигнала. При широтно-импульсной модуляции осуществляется как регулирование частоты выходного напряжения, так и регулирование величины этого напряжения. Схема управления любого инвертора с ШИМ модуляцией содержит блок для формирования импульсов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы инвертора. В блоке содержится генератор опорного напряжения, имеющего пилообразную форму, и генератор модулирующего (управляющего) сигнала, частота которого равна частоте выходного напряжения АИН с ШИМ. При равенстве амплитуд опорного и модулирующего напряжений в блоке формируется импульс управления. Частоту опорного сигнала часто называют несущей частотой. Частота опорного напряжения больше частоты модулирующего напряжения, как правило, от 10 до 100 раз. Отметим, модулирующий сигнал в определенном смысле является входным (управляющим) сигналом, который определяет не только частоту выходного напряжения инвертора, но и его величину. Частота выходного напряжения регулируется изменением частоты модулирующего сигнала, а величина выходного напряжения регулируется изменением амплитуды модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал может иметь прямоугольную. или синусоидальную форму. Иногда прямоугольную форму модулирующего сигнала называют «прямоугольным синусом». Временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения инвертора при прямоугольной форме модулирующего сигнала, приведены на рис.4.6. Из рис. 4.6 видно, при прямоугольной форме модулирующего напряжения кривая выходного напряжения инвертора имеет несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, причем длительность этих импульсов одинакова на всем периоде выходного напряжения. На рис.4.6 показана первая гармоника выходного напряжения, u ₍₁₎. Амплитуда этой гармоники определяется отношением амплитуды модулирующего сигнала и амплитуды опорного (пилообразного) напряжения U _{мод max}/U _{оп max}. Это отношение обознача­ется через µ и называется коэффициентом модуляции. µ= U _{мод max}/ U _{оп max} (4.14) Напряжение на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при ШИМ модуляции с прямоугольной формой кривой модулирующего сигнала может быть представлено рядом Фурье: U _вых=(4µ U _d/π)[sinω t + (1/3)sin3ω t + (1/5)sin5ω t + (1/7)sin7ω t + +(1/ν) sinνω t ]. (4.15) Как видно из (4.15) гармонический состав выходного напряжения инвертора при широтно - импульсном регулировании такой же, как и при широтном регулировании выходного напряжения. Однако есть и отличие. При широтно – импульсной модуляции, согласно (4.15) относительная величина высших гармоник остается неизменной и не зависит от глубины регулирования напряжения. Это является достоинством по сравнению с широтном регулировании выходного напряжения, при котором относительная величина высших гармоник зависит от глубины регулирования напряжения (см. рис. 4.3). Временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при синусоидальной форме модулирующего сигнала, приведены на рис.4.7. Из рис.4.7 видно, при синусоидальной форме модулирующего напряжения кривая выходного напряжения инвертора имеет также несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, но

 

Рис. 4.6. ШИМ при прямоугольной форме модулирующего сигнала

 

Рис. 4.7. ШИМ при синусоидальной форме модулирующего сигнала

скважность этих импульсов не постоянна, а изменяется по синусоидальному закону на интервале периода выходного напряжения. Для расчета спектра выходного напряжения инвертора с синусои­дальной ШИМ используются методы спектрального анализа, основан­ные на дискретном преобразовании Фурье. Как показывают исследования, выполненные в [4], ближайшая к первой высшая гармоника выходного напряжения однофазного инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ сдви­нута на частоту несущей. С целью увеличения амплитуды первой гармоники на выходе инвертора напряжения иногда допустимо реализовать режим перемодуляции, когдаµ >1. Но следует помнить, что при этом будет ухудшаться гармонический состав выходного напряжения. При работе АИН на активно - индуктивную нагрузку ток этой гармоники будет на два порядка меньше тока первой гармоники. Поэтому при синусоидальной широтно - импульсной модуля­ции иногда высшие гармоники тока не учитывают, считая, что инвертор яв­ляется генератором синусоидального напряжения. Однако, как показывает практика, высшие гармоники тока выходной цепи инвертора напряжения даже при синусоидальной широтно - импульсной модуляции могут оказывать заметное влияние на величину электрических потерь в обмотках двигателя, который подключен к выходной цепи инвертора [10]. Эти потери не только снижают КПД двигателя, но и могут привести к перегреву двигателя, поэтому вопрос учета (или не учета) высших гармоник тока следует решать в каждом конкретном случае индивидуально. Часто для мощных асинхронных электроприводов между инвертором напряжения и обмоткой статора двигателя приходится устанавливать высокочастотные L - C фильтры для подавления высших гармоник выходного тока инвертора напряжения (тока обмотки статора).

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 (модулирующая) f _у= 50 Гц; несущая частота f _н = 500 Гц (min); коэффициент модуляции μ = 1; ток нагрузки I _н = 0,4 А;

Базовая точка может быть изменена по указанию преподавателя.

Порядок выполнения работы

1.Собрать схему для исследования АИН с ШИМ в соответствии с рис. 4.8. Дополнительные внешние соединения показаны штриховыми линиями.

2.Тумблер SA1 в модуле «Автономный инвертор напряжения» переключить в верхнее положение «~».

3. Тумблер SA2 переключить в положение «mах», соответствующее максимальной несущей частоте.

4.Тумблер SA3 переключить в положение «U, f», соответствующее раздельному регулированию частоты и напряжения на нагрузке.

5.Ручку регулятора коэффициента модуляции «μ» установить в среднее положение.

6.Тумблер у информационного табло установить в положение «f».

7.Ручку регулятора тока нагрузки RP в модуле «Нагрузка» (Н) установить в положение «О», соответствующее минимальному току нагрузки (максимальному активному сопротивлению нагрузки R _н).

8.Включить автомат QF 1 «Модуля питания стенда» (МПС).

9.Включить тумблер «Сеть» в модуле «Измеритель мощности». 10.Тумблером «Сеть» в модуле «Автономный инвертор напряжения» включить питание системы управления.

11.Включить тумблер SA1 источника питания в модуле МПС. 12.Ручкой потенциометра «f», глядя на табло установить заданную частоту управления.

13.Тумблер у информационного табло перевести в положение «μ».

14.Ручкой потенциометра «μ», глядя на табло установить заданный коэффициент модуляции.

 

 

Рис. 4.8. Принципиальная схема для исследования АИН с ШИМ