Принцип действия транзисторного широтно-импульсного преобразователя (ШИП). Регулирование выходного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Регулирование выходного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) используется в схемах инверторов напряжения. Суть его заключается в изменении длительности проводящего состояния ключевых элементов схемы инвертора по определённому закону.  

Рассмотрим этот способ на примере однофазной схемы инвертора напряжения, выполненной на транзисторах, (рис. 1.20).

Рисунок 1.20. Однофазный инвертор напряжения на транзисторах с последовательным соединением активной R_н и индуктивной L_н составляющих нагрузки.

Если нагрузка чиста активная, то форма тока повторяет форму напряжения и широтно-импульсное регулирование выходного напря­жения можно осуществить уменьшением длительности управляющих сигналов транзисторов на угол α_р (рис. 1.21, а).

Рисунок 1.21. Широтно-импульсная модуляция в однофазном инверторе напряжения:

а – диаграмма напряжения на активной нагрузке; б – диаграммы тока и на­пряжения на выходе инвертора при активно-индуктивной нагрузке; в – диа­грамма управляющих импульсов, обеспечивающих шунтирование нагрузки; г – диаграмма выходного напряжения при шунтировании нагрузки.

Действующее значение выходного напряжения инвертора при таком способе управления транзисторами и чисто активной нагрузке будет равно:

.

Действующие значения гармонических составляющих выходного напряжения при длительности проводящего состояния транзисторов  вычисляются па формуле

,

где n – номер гармонической составляющей (n = 1, 3, 5 …).

На практике часто требуется стабилизация действующего значе­ния первой гармоники выходного напряжения при изменении входного в диапазоне от U_d,min до U_d,max. Для этого необходимо изме­нять угол регулирования от нуля (при   U_d = U_d,min) до α_р.max (при U_d = U_d,max):

,

При этом будет изменяться гармонический состав выходного на­пряжения. С увеличением угла α_р относительное содержание высших гармоник в кривой выходного напряжения будет увеличиваться.

Если нагрузка активно-индуктивная, то после запирания транзисторов ток в нагрузке продолжает в течение некоторого времени, определяемого количеством запасенной энергии в реактивных эле­ментах нагрузки, протекать в прежнем направлении через обратно­включенные диоды. При включении обратных диодов выходное на­пряжение изменяет свой знак на противоположный (рис. 1.21, б). В момент спадания тока нагрузки до нуля напряжение на нагрузке вновь становится равным нулю. Появление отрицательной площадки в кривой выходного напряжения изменит его гармонический состав. Для устранения этого нежелательного явления было бы необходимо на время паузы α_р шунтировать нагрузку, например, с помощью двух встречно-параллельно соединенных транзисторов. Однако это усложняет схему. Значительно проще данная задача решается изме­нением способа осуществления широтно-импульсной модуляции.

На транзисторы каждого плеча схемы подаются непрерывные управляющие импульсы с изменяющейся через промежуток π по­лярностью (рис. 1.21, в). Положительная полярность импульса соот­ветствует включению, а отрицательная – выключению транзистора. Управляющие импульсы одного плеча могут сдвигаться относительно импульсов другого на угол α_р. При таком способе управления на интервале 0 – υ₀ включены транзисторы Т₁ и Т₄, а начиная с момента υ₀ на транзистор Т₄ подается запирающий импульс, а на Т₂ – отпирающий. Ток нагрузки начинает протекать через транзистор Т₁ и обратный диод Д₂. Эта цепь шунтирует нагрузку, и выходное на­пряжение становится равным нулю. Короткого замыкания на стороне постоянного тока инвертора при этом не возникает, так как тран­зисторы Т₃ и Т₄ выключены. Напряжение на выходе инвертора остается равным нулю в течение всего интервала υ₀ – π, соответст­вующего углу регулирования α_р. Когда ток нагрузки спадет до нуля, что приведет к выключению диода Д₂, транзисторы Т₃ н Т₄ остаются в запертом состоянии и напряжение источника на нагрузку не поступает.

В момент π поступает отпирающий импульс на транзистор Т₃ и запирающий на транзистор Т₁. На транзисторе Т₂ в этот момент уже присутствует отпирающий импульс, поэтому транзисторы Т₂ и Т₃ включаются и на нагрузке формируется напряжение прямоугольной формы, но противоположной полярности. При таком способе регулирования выходное напряжение инвертора не будет зависеть от параметров нагрузки, и форма его будет соответствовать работе инвертора с ШИМ на чисто активную нагрузку (рис. 1.21, г). В связи с этим для данного способа регулирования остаются справедли­выми соотношения (1.21) и (1.22)

Регулирование выходного напряжения посредствам ШИМ при­меняется и в инверторах, выполненных на тиристорах. Однако реа­лизация этого способа возможна только в таких схемах, в которых принцип коммутации позволяет выключить любой из основных ти­ристоров в нужный момент времени.

Применение ШИМ в трехфазных инверторах напряжения имеет особенности, связанные со схемой соединения нагрузки (звезда или треугольник) и способом управления ключевыми элементами схемы, определяющим длительность их проводящего состояния. При этом электромагнитные процессы, протекающие в схеме, имеют значительно более сложный характер, чем в однофазной схе­ме, и находятся в сильной зависимости от параметров нагрузки. Если индуктивная со­ставляющая нагрузки достаточ­но велика (низкий коэффициент мощности), то регулирование посредством ШИМ становится невозможным.

Регулирование напряжения посредством ШИМ возможно осуществлять и в инверторах тока. Рассмотрим этот способ на примере однофазного параллельного инвертора тока (рис. 1.22). Предположим, что индуктивность сглаживающего реактора L_d = ∞. В нерегулируемом инверторе при таком допущении выходной ток имеет прямоугольную форму, а отпирающие импульсы поступают на тиристоры схемы в порядке, указанном на диаграмме рисунка 1.23, а. Соглас­но диаграмме отпирающие им­пульсы тиристоров Т₁, Т₄ (также и импульсы тиристоров Т₂, Т₃) формируются одновременно. Для регулирования выходного напряжения можно изменять порядок следования управляющих импульсов так, чтобы импульсы управления тиристоров Т₃ и Т₄ формировались на угол регулирования α_р (рис. 1.23, б). При таком следовании импуль­сов создается режим периодического одновременного проводящего состояния тиристоров в каждом плече схемы. Так, на интервалах υ₁ – υ₂ и υ₅ – υ₆ ток проводят тиристоры Т₁ И Т₃, а на интервалах υ₃ – υ₄ и υ₇ – υ₈ тиристоры Т₂, Т₄. Когда одновременно проводят ток тиристоры одного плеча, выходной ток инвертора i_и становится равным нулю, а входной i_d протекает по тиристорам одного из плеч, минуя цепь нагрузки. Длительность этих интервалов равна углу ре­гулирования α_р. Диапазон изменения угла α_р ограничен углом опе­режения β с которым работает инвертор, и минимальным значением угла восстановления запирающей способности тиристоров δ_min:

.

Рисунок 1.22. Параллельный инвертор тока.

1.23. Широтно-импульсная модуляция в однофазном инверторе тока:

а – диаграммы управляющих импульсов и выходного тока инвертора без ШИМ; б – диаграммы управляющих импульсов и выходного тока инвертора при ШИМ.

Очевидно, что при таком способе управления инвертором сред­нее значение противо-ЭДС инвертора уменьшается и на интерва­лах одновременного проводящего состояния тиристоров одного плеча противо-ЭДС инвертора становится равной нулю (короткое замыкание на стороне постоянного тока инверторного моста). Это обу­словливает повышение выходного напряжения инвертора, так как средние значения напряжений до сглаживающего реактора L_d и после него в установившемся режиме должны быть равны между собой. Выходное напряжение однофазного мостового инвертора тока имеет следующую зависимость от угла:

.

Из (1.25) видно, что изменением угла α_р можно регулировать выходное напряжение инвертора тока. Регулирование выходного напряжения посредством ШИМ не требует введения в силовую схему дополнительных регулирующих устройств, что является одним из существенных преимуществ дан­ного способа. Однако оно связано с ухудшением гармонического состава выходного напряжения инвертора, что приводит к утяжеле­нию выходных фильтров и к менее эффективному использованию других элементов силовой схемы, в частности, тиристоров, диодов и т.д.