Проект гелеоисточника для энергохозяйства (стр. 2 из 11)
Для улучшения спектра выходного напряжения инвертора используют широтно-импульсное регулирование на несущей частоте токов, значительно превышающей (в число раз, называемое кратностью частоты коммутации – КТ) частоту выходного напряжения инвертора (последняя диаграмма на рис. 1.2.). Это смещает гармоники напряжения, обусловленные регулированием, в область более высоких частот, что облегчает их фильтрацию в нагрузке [16].
Дальнейшее улучшение спектра выходного напряжения инвертора обеспечивается при модуляции длительностей импульсов по синусоидальному закону, как показано на рис. 1.4. для однополярной (а) и двухполярной (б). Непрерывная кривая – гладкая составляющая (выходного напряжения) коммутационной функции.
Принята следующая классификация видов широтно-импульсной модуляции.
Рисунок 1.3
Зависимость первой и высших гармоник от относительной длительности импульса напряжения.
Модуляция длительности импульсов по синусоидальному закону.
Рис. 1.4. а – однополярная; б – двухполярная;
1. По модулируемому параметру различают одностороннюю и двухстороннюю широтно-импульсную модуляцию. При односторонней модулируется положение переднего или заднего фронтов импульсов, при этом соответственно задний и передний фронты импульсов следуют с неизменной тактовой частотой. При двусторонней модуляции в пределах такта изменяется положение обоих фронтов импульсов.
2. По отношению периода модулирующего сигнала к периоду тактов импульсной последовательности, т.е. по кратности частоты коммутации, различают ШИМ с целочисленной кратностью, рассмотренную выше, ШИМ с кратностью, выражаемой дробным рациональным числом, и ШИМ с кратностью, выражаемой иррациональным числом. При дробно-рациональной кратности период повторения модулированной последовательности импульсов, формирующих выходное напряжение инвертора, определится как такой наибольший период выходного напряжения, в котором укладывается целое число периодов модулирующего сигнала и периодов тактов. Этот период задает период нижней субгармоники в кривой выходного напряжения, т.е. гармоники с частотой ниже частоты модулирующего сигнала, которой определяется частота основной гармоники выходного напряжения.
3. По числу полярностей импульсов на длительности такта различают двухполярную модуляцию, когда такт образован совокупностью импульса положительной и отрицательной полярности (вторая диаграмма на рис. 1.4.), однополярную модуляцию, когда такт образуется импульсом одной полярности и паузой (первая диаграмма), и квазиоднополярную модуляцию, когда после импульсов одной полярности, приближающихся по длительности к предельно минимальной длительности, допустимой при практической реализации, следуют импульсы другой полярности неизменной длительности, равной предельно минимальной. Квазиоднополярная модуляция позволяет воспроизвести при широтно-импульсной модуляции сколь угодно малые величины выходного напряжения инвертора при наличии практических ограничений на минимальное время между коммутацией у реальных вентилей.
4. По форме модулирующего сигнала, задающего закон изменения длительностей импульсов на такте, а значит, и форму гладкой составляющей выходного напряжения, различают синусоидальный, треугольный, трапецеидальный, прямоугольный законы модуляции.
5. По способу однозначного определения конкретной длительности импульса на такте в функции непрерывного модулирующего сигнала различают ШИМ первого рода, когда длительность импульса зависит от значения модулирующего сигнала в некоторые фиксированные моменты времени, например в моменты начала импульса, ШИМ второго рода, когда длительность импульса обусловлена значением модулирующего сигнала в момент окончания модулируемого по длительности импульса, и ШИМ третьего и четвертого родов, когда длительность импульса определяется некоторой функциональной зависимостью от значения модулирующего сигнала в некоторой промежуточной точке на интервале импульса.
6. По числу уровней модуля обобщенного вектора напряжения трехфазного инвертора различают одноуровневые алгоритмы управления, реализуемые в классических трехфазных мостовых схемах инверторов, и многоуровневые алгоритмы управления, реализуемые в модифицированных схемах трехфазных инверторов.
Для оценки качества выходного напряжения инвертора при синусоидальной широтно-импульсной модуляции необходимо знать спектры напряжения. Теория спектров широтно-модулированных последовательностей импульсов первоначально получила развитие в радиотехнике, где исследовалась возможность построения мощных усилителей сигналов, работающих в режиме переключения модуляции, а также в теории связи, где изучалась возможность использования ШИМ для помехоустойчивой передачи сообщений. Был разработан эффективный метод нахождения спектров напряжений при широтно-импульсной модуляции, названный методом временной деформации. Технология применения этого метода достаточно проста. Сначала находят спектр немодулированной последовательности прямоугольных (или любой другой формы) импульсов. Затем в выражение для полученного спектра подставляют вместо регулируемого параметра (момента фронта импульса, длительности импульса) его принятый закон изменения во времени (закон модуляции). Полученное выражение приводят к виду, удобному для применения.
Таким образом, можно показать, что спектр напряжения при синусоидальной широтно-импульсной модуляции второго рода содержит помимо первой высшие гармоники, частоты которых [16]:
(1.4)где к, l – равны целым числам.
При двухсторонней ШИМ в трехфазном инверторе в фазном напряжении инвертора (рис 1.6.) будут присутствовать только гармоники порядка п = kKТ ±l, где КT – кратность частоты коммутации, а k не кратно трем и отсутствуют комбинации, состоящие из двух нечетных либо четных чисел т и l рис. 1.5.
Реализация двухполярной ШИМ возможна в любой базовой схеме однофазного инвертора, а однополярная – только в полумостовой с нулевыми вентилями и мостовой схемах. Все эти схемы инверторов, выполненных на реальных вентилях, имеют общий недостаток, связанный с конечным временем выключения вентилей. При этом из вновь включаемого вентиля и выключаемого вентиля (транзистора) на время его выключения образуется цепь короткого замыкания источника входного напряжения и через транзисторы текут короткие импульсы больших сквозных токов, которые увеличивают потери и, если их не ограничить, в состоянии вывести транзисторы из строя. Поэтому в реальных системах между моментом запирания одного транзистора плеча моста и полумоста и моментом отпирания другого транзистора этого же плеча вводится «мертвая пауза», обычно порядка одной микросекунды [16].
Зависимость фазного напряжения трехфазного инвертора от высших гармоник.
Рисунок 1.5. Двухсторонний ШИМ в трехфазном инверторе
Рисунок 1.6 Индексная табличная ШИМ в автономном инверторе напряжения
В настоящее время массовым и перспективным стал автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
В общем случае все виды ШИМ основаны на изменении длительности импульсов равной амплитуды, следующих через равные интервалы времени в соответствии с принятым законом формирования напряжения. Законы формирования, общие для любого метода модуляции, определяются функцией построения (модулирующим сигналом). На основании литературных данных целесообразно распределить разновидности ШИМ по степеням соответствия параметров импульсов значениям модулирующего сигнала согласно основным признакам (рис. 1.7). [4]
Следует отметить, что в связи с развитием методов формирования синусоидальных напряжений, трапецеидальная ШИМ уже почти вытеснена синусоидальной. Двуполярная ШИМ характеризуется постоянным действующим значением выходного напряжения, поэтому регулирование значения основной гармоники сопровождается перераспределением энергии в спектре. Однополярная ШИМ дает лучший гармонический состав, действующие значения напряжения при этом меньше, чем в двуполярном варианте.
Современные преобразователи строятся с использованием микроконтроллеров (МК), с помощью которых реализуется и ШИМ. В связи с этим вводится новый термин – тактовая частота ШИМ Fт, которая определяется точностью аппроксимации несущего Fн и модулирующего Fм сигналов. Как правило, соотношения между ними выбираются следующими:
Fн = n3Fм (n=2, 3, 4,…) и Fт = m2Fн (m=3,4,5,…) (1.5)
Классификация видов ШИМ.
Реализация ШИМ на МК возможна двумя способами: традиционный (формирование выходных напряжений осуществляется в результате постоянного сравнения модулирующего и несущего сигналов) и табличный (полностью рассчитывается заранее и заносится в ПЗУ, из которого затем считывается).
При реализации ШИМ традиционным способом приходится использовать либо универсальные мощные микроконтроллеры, либо специализированные, относительно дорогие контроллеры. Реализация сложных алгоритмов ШИМ традиционным способом затруднена на универсальных МК большим объемом программы, а на специализированных – возможностями архитектуры конкретного типа МК. Специализированные МК, имеющие аппаратную поддержку ШИМ выпускаются такими фирмами как MOTOROLA, TEXAS INSTRUMENTS, и другими [5].