Двухфазная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения

Двухфазная широтно-импульсная модуляция

Рассмотрено применение широтно-импульсной модуляции в трехфазном инверторе с дополнительным полумостом при работе на несимметричную нагрузку. Проведено сопоставление спектров и показателей качества выходного напряжения при формировании различных видов двухфазной широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону: «классической» ШИМ, ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой, «векторной» («симплексной») ШИМ. Показаны способы улучшения показателей качества выходного напряжения, снижения затрат на фильтры, повышения отношения основной гармоники к питающему напряжению.

Использование трехфазной мостовой схемы инвертора при работе на несимметричную нагрузку без вывода нейтрали не позволяет добиться симметрии выходных напряжений. Поэтому нашла применение схема «три однофазных полумоста».

Принцип действия инвертора с дополнительным мостом заключается в том, что усредненный потенциал средней точки дополнительного полумоста (точка 0 рис. 1, б) поддерживается равным E/2 за счет формирования в дополнительном полумосте ШИМ-последовательности с нулевым коэффициентом модуляции.

В схеме рис. 1, б формирование выходного напряжения в каждой фазе осуществляется независимо от других фаз за счет приложения к нагрузке разности напряжений ШИМ-последовательности, формируемой полумостом данной фазы, и ШИМ-последовательности дополнительного полумоста («нулевой» фазы) Анализ проводим для идеализированного инвертора, полагая напряжение питания E постоянным и лишенным пульсации, а ключи — идеальными. Такая идеализация оправдана тем, что реальные параметры схемы влияют на показатели качества выходного напряжения инвертора вне зависимости от того, какая разновидность ШИМ в нем используется.

При выполнении данной работы использован спектральный метод моделирования — модифицированный метод переключающих функций [4], что позволяет повысить быстродействие модели в десятки раз. Сопоставление результатов спектрального моделирования и моделирования в базисе Pspice, проведенное в ряде режимов, показывает идентичность результатов.

Критерии оценки качества выходного напряжения инвертора при работе на LC-фильтр. Для сравнения различных видов ШИМ необходимо иметь эффективные критерии оценки качества выходного напряжения. Используем критерии, принятые в [1], однако рассмотрим более подробно их применение для инвертора с LC-фильтром. При формировании ШИМ по синусоидальному закону в низкочастотной части спектр содержит только основную гармонику с частотой fвых (k = 1), а в области высоких частот группы комбинационных гармоник, расположенные вблизи частот, кратных частоте коммутации fк = Afвых. Амплитуда основной гармоники при реализации в схемах рис. 1 «классической» ШИМ по синусоидальному закону равна ЅEKм, где E — напряжение источника питания, Kм — коэффициент модуляции.

Для большинства потребителей наиболее существенны гармоники с более низкой частотой, среди комбинационных гармоник это гармоники вблизи частоты коммутации. Как показывает модельный эксперимент где w — постоянное число, ограничивающее область спектра вблизи частоты коммутации, содержащую существенные гармонические составляющие. В рассматриваемых видах ШИМ w = 7ч9. ШИМ-1 либо ШИМ-2.

Интенсивность высших гармонических составляющих в спектре ШИМ-последовательности характеризует коэффициент гармоник.

(1).

где С1 — амплитуда основной гармоники выходного напряжения.

Коэффициент передачи LC-фильтра в области подавления обратно пропорционален квадрату частоты [2], поэтому как для оценки показателей напряжения на выходе фильтра достаточно ограничиться гармониками с частотами близкими частоте коммутации и пренебречь составляющими спектра с большей частотой. Исходя из этого, коэффициент гармоник kг. к позволяет оценивать качество выходного напряжения инверторов с LC-фильтрами.

П. Это влияние можно учесть введением дополнительного коэффициента гармоник.

).

Подстановка значения kг.2к вместо kг. к .

Таким образом, введенные выше коэффициенты kг. к и kг.2к, позволяют осуществлять сравнение качества выходного напряжения при различных видах ШИМ.

«Классическая» имеет вид:

где и = 2рfвыхt; Um — максимально допустимая амплитуда управляющего сигнала, не вызывающего перемодуляцию. При реализации вертикального способа управления Um — амплитуда сигнала развертки.

Для схемы рис. 1, б были проведены расчеты спектров выходного напряжения на спектральной модели [4] при различных видах ШИМ. Возможны различные варианты выбора разновидностей ШИМ и двухсторонней модуляции.

В таблице 1 приведены коэффициенты гармоник для выходного напряжения инвертора по схеме рис. 1, а и для инвертора с до.

Табл. 1

	Значения коэффициентов гармоник (%) при Kм, равном.
	1,0.	0,9.	0,8.	0,7.	0,6.	0,5.	0,4.	0,3.
Схема рис. 1,а.	75/78.	90/93.	109/113.	136/141.	170/175.	217/223.	288/293.	399/404.
Схема рис. 1,б ШИМ по фронту/срезу.	103/105.	109/112.	115/120.	121/127.	126/134.	130/141.	135/147.	138/151.
Схема рис. 1, б, двухсторон-няя ШИМ.	81/83.	75/79.	69/75.	62/72.	54/70.	46/69.	37/69.	28/69.

Как и в трехфазной ШИМ [1], при реализации ШИМ в схеме рис. 1, б.

Способы повышения амплитуды основной гармоники выходного напряжения. Наибольшее значение отношение действующего значения основной гармоники фазного выходного напряжения АИН к напряжению источника питания в рассмотренных выше «классических» инвертора по схеме рис. 1, выходное напряжение не превышает 0,827 напряжения сети. В реальных преобразователях это соотношение еще ниже, поскольку коэффициент модуляции из-за необходимости выполнения условий коммутации не достигает 1, имеются потери напряжения в преобразователе. Поэтому задача повышения отношения основной гармоники выходного напряжения инвертора к напряжению источника питания является весьма актуальной.

В отличие от схемы рис. 1, а, в инверторе с дополнительным полумостом достижимо увеличение основной гармоники выходного напряжения теми же способами, что и в трехфазном мостовом инверторе с симметричной нагрузкой. При реализации добавляется нулевая последовательность, содержащая третью гармонику основной частоты в указанной ниже пропорции:

В выходном напряжении третья гармоника отсутствует. На рис. 3, а приведена временная диаграмма управляющих сигналов инвертора. Нетрудно видеть, что форма управляющего сигнала весьма близка трапециидальной. На рис. 3, б — временная диаграмма выходного фазного напряжения при прежнему присутствует только основная гармоника. На основании модельного эксперимента рассчитаны коэффициенты гармоник. В табл. 2 приведены значения коэффициентов гармоник kг. к и kг.2к (в %) ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой при модуляции фронта (среза) импульса и двухсторонней модуляции.

Табл.2

Данные таблицы и другие результаты модельного эксперимента позволяют сделать следующие выводы:

применение предмодуляции третьей гармоникой в инверторе с дополнительным полумостом коэффициентов гармоник kг. к и kг.2к. Как и при реализации классической ШИМ, при осуществлении ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой двухсторонняя модуляция обеспечивает значительные преимущества в качестве выходного напряжения инвертора.

Величины Акр и w сохраняют те же значения, что и при классической ШИМ.

В схеме с дополнительным полумостом возможно и применение другой разновидности ШИМ, обеспечивающей повышение отношения выходного напряжения к напряжению питания — «векторной» или «симплексной» ШИМ [1, 5]. Дважды за период выходной частоты каждая из фаз инвертора A, B, C становится пассивной, т. е. коммутация силовых ключей в ней не происходит. При реализации этого способа также осуществляется предмодуляция управляющих сигналов фаз дополнительным сигналом нулевой последовательности uпм, содержащем только нечетные гармоники, кратные трем:

(5).

Сигнал uпм определяется по зависимостям, приведенным в [1].

На рис. 4части по-прежнему присутствует только основная гармоника, отношение амплитуды первой гармоники к напряжению источника питания Е на 15,47% выше, чем в инверторах с «классической» трехфазной ШИМ, однако характер спектра заметно изменился. Область комбинационных гармоник вблизи частоты коммутации значительно расширилась, поэтому при расчетах коэффициентов гармоник необходимо значительно увеличить значение w.

На основании модельного эксперимента рассчитаны коэффициенты гармоник. В табл. 3 приведены значения коэффициентов гармоник kг. к и kг.2к (в %) «векторной» ШИМ при модуляции фронта (среза) импульса и двухсторонней модуляции.

Таблица 3

Сравнение данных таблиц 2 и 3 показывает, что при реализации «векторной» ШИМ гармонический состав выходного напряжения хуже, чем при использовании предмодуляции третьей гармоникой. Меньше проявляются преимущества.

Оценка показателей схемы инвертора с дополнительным полумостом. Применение инвертора с дополнительным полумостом рис. 1, б позволяет при работе на несимметричную нагрузку добиться ряда преимуществ:

Значительно снизить (до 8−10 раз).

Снизить затраты на выходные фильтры либо (при использовании тех же фильтров) улучшить качество выходного напряжения и уменьшить загрузку инвертора высокочастотными составляющими токов, замыкающимися через фильтр.

Повысить отношение величины основной гармоники выходного напряжения к напряжению питания на 15,47% за счет использования предмодуляции третьей гармоникой или применения «векторной» ШИМ.

Следует отметить, что в схемах.

Очевидным недостатком инвертора с дополнительным полумостом являются дополнительные затраты на полупроводниковые ключи и драйверы дополнительного полумоста, однако при увеличении мощности установок эти затраты перекрываются экономией за счет снижения затрат на фильтры. Появление дополнительного четвертого канала управления не может.

• 1. Обухов С. Г., Чаплыгин Е. Е., Кондратьев Д. Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество, № 7, 208.
• 2. Чаплыгин Е. Е., Агудов А. Н., Московка А. А Анализ инвертора напряжения, работающего на разветвленную сеть потребителей // Электротехника, № 4
• 3. Чаплыгин Е. Е., Калугин Н. Г., Рыбальченко И. Ю. Входные фильтры инверторов напряжения с несимметричной нагрузкой // Практическая силовая электроника, № 18, 2005.
• 4. Чаплыгин Е. Е., Малышев Д. В. Спектральные модели автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией // Электричество, № 8, 1999.
• 5. Изосимов Д. Б., Рывкин С. Е., Шевцов С. В. Симплексные алгоритмы управления трёхфазным автономным инвертором напряжения с ШИМ // Электротехника, № 12.