34.5 Многоуровневые инверторы

В последние годы разработано значительное количество схем, позволяющих решить две основные задачи преобразовательной техники:

• улучшить гармонический состав выходного напряжения;

• увеличить максимальное выходное напряжение.

К наиболее интересным схемотехническим решениям можно отнести многоуровневые автономные инверторы.

Идею построения и управления многоуровневым инвертором рассмотрим на примере однофазного одноплечевого инвертора, изображённого на рис. 214.

Рис. 214. Одноплечевой трёхуровневый инвертор

Такой инвертор запитывается от источника со средней точкой. Роль делителя напряжения обычно выполняют конденсаторы. Сам инвертор содержит четыре последовательно включённых транзистора с обратными диодами. Схема дополняется двумя фиксирующими диодами (Clamped diode CD1, CD2).

При положительной полуволне модулирующего напряжения транзистор VT3 включён, транзистор VT1 выключен, а транзисторы VT2, VT4 переключаются в моменты равенства модулирующего (синусоидального) и пилообразного напряжения несущей частоты. При отрицательной полуволне модулирующего напряжения переключаются транзисторы VT1, VT3, транзистор VT2 включён, а транзистор VT4 выключен. Выходное напряжение инвертора показано на рис. 215. Такой инвертор называется трёхуровневым. Спектр одноплечевого трёхуровневого инвертора представлен на рис. 216. Способ управления пятиуровневым инвертором и его выходное напряжение представлены на рис. 217 а, б. При построении трёхфазного инвертора используются три однофазных, каждый из которых управляется от отдельной схемы управления. При этом модулирующие входные напряжения сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов.

Рис. 215. Выходное напряжение трёхуровневого инвертора

Рис. 216. Спектр выходного напряжения трёхуровневого инвертора

Рис. 217. Алгоритм управления (а), напряжение и ток нагрузки (б) пятиуровневого инвертора

34.6 Выпрямительный режим работы автономных инверторов

Автономный инвертор при определённых условиях может быть переведен в режим управляемого выпрямителя, когда энергия из цепи переменного тока передаётся в цепь постоянного тока.

Для реализации такого режима в цепи переменного тока инвертора должен присутствовать источник переменного напряжения с последовательно включённой индуктивностью (рис. 218).

Эта индуктивность препятствует возникновению токов короткого замыкания при переключении транзисторов инвертора.

Модулирующее напряжение, управляющее работой инвертора, должно иметь ту же частоту, что и напряжение источника переменного тока.

Рис. 218. Автономный инвертор, реализующий режим выпрямителя

Электромагнитные процессы при выпрямительном режиме работы инвертора определяются характером нагрузки в цепи постоянного тока, законом управления силовыми ключами инвертора, коэффициентом модуляции (m) и фазой модулирующего напряжения () по отношению к напряжению источника переменного тока.

Векторные диаграммы всей системы при работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя представлены на рис. 219, где обозначено:

- напряжение и ток первой гармоники в цепи переменного тока инвертора;

- падение напряжения на последовательной индуктивности от протекания тока первой гармоники в звене переменного тока инвертора;

- напряжение источника переменного тока.

Мощность, генерируемая инвертором в цепь постоянного тока без учёта потерь, определяется из уравнения

, (6)

где x = - реактивное сопротивление последовательной индуктивности.

При работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя он потребляет от источника переменного тока активную и реактивную мощность. Активная мощность определяется уравнением (6) и в большей степени зависит от формы модуляции инвертора. Реактивная мощность и её характер в большей степени зависят от коэффициента модуляции. Векторная диаграмма, показанная на рис. 219 а, соответствует малому значению m.

В этом случае реактивная составляющая тока опережает на 90 градусов напряжение источника и инвертор вместе с нагрузкой потребляет от источника реактивную, емкостную мощность.

Рис. 219. Векторные диаграммы инвертора в режиме выпрямления

На рис. 219 б показана векторная диаграмма для большого (m = 0,9) значения коэффициента модуляции. Из рис. 5.30 б следует, что реактивная составляющая тока отстаёт от напряжения питания на 90 градусов. И инвертор вместе с нагрузкой потребляет из сети реактивную, индуктивную мощность.