вход Вход Регистрация



Однофазная полумостовая схема инвертора напряжения применяется в источниках питания с промежуточным звеном повышенной частоты, а также может служить элементарной ячейкой трехфазного АИН. В схеме инвертора, показанной на рис. 1.3, одна вертикаль однофазного моста заменена двумя плечами емкостного делителя напряжения, создающего искусственную нулевую точку в источнике питающего напряжения. Как и в предыдущем случае, будем полагать элементы схемы идеальными.

Рассмотрим работу схемы инвертора при симметричном управлении, то есть при условии, что транзисторы VT1, и VT2 находятся во включенном состоянии 180 градусов по частоте выходного напряжения, но включаются со сдвигом по фазе на 180 градусов. Временные развертки электромагнитных процессов в схеме показаны на рис. 1.4. При включении транзистора VT2 точка схемы подключается к положительному зажиму источника питания, а точка остается подключенной к искусственной нулевой точке источника питания. При этом к нагрузке прикладывается напряжение равное , а в нагрузке нарастает ток в направлении, указанном на схеме. Так же, как и в мостовой схеме, эдс самоиндукции в этом случае препятствует увеличению тока в контуре. В момент транзистор VT2 выключаются и контур тока нагрузки размыкается. Однако, благодаря энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, ток нагрузки поддерживается за счет эдс самоиндукции, при этом знак этой эдс меняется на обратную, что приводит к включению диода VD1. Таким образом, точка схемы подключается к отрицательному зажиму источника питания, полярность напряжения на нагрузке меняется на обратную, и энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, сбрасывается в нижнюю половину источника питания. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы к моменту спада тока нагрузки до нуля, транзистор VT1 был включен, что обеспечивает повторение всех процессов с другой полярностью тока. Таким образом, особенностью полумостового варианта схемы является то, что накопление энергии в индуктивности

нагрузки происходит от одной половины источника питания (например, от ), а ее сброс осуществляется в другую половину (соответственно, в ).

На рис. 1.4 (а) обозначены интервалы проводимости силовых полупроводниковых приборов:

- - интервал проводимости диода VD2;

- - интервал проводимости транзистора VT2;

- - интервал проводимости диода VD1;

- - интервал проводимости транзистора VT1.

Как вытекает из принципа действия схемы, амплитуда выходного напряжения инвертора в этом случае в два раза меньше, чем в однофазном мостовом варианте:

(1.17)

И, соответственно, действующее значение первой гармоники выходного напряжения равно:

(1.18)

Однако, амплитуда напряжения на силовом транзисторе (и, соответственно, на обратном диоде) остается такой же, как и в мостовой схеме:

(1.19)

Анализ кривых токов силовых полупроводниковых приборов показывает, что средние значения коллекторных и анодных токов в полумостовой схеме совпадают с соответствующими значениями токов в однофазной мостовой схеме. При этом следует иметь в виду, что среднее значение тока, отбираемое от одной половины источника питания в этом случае в два раза меньше, чем в однофазной мостовой схеме АИН.

Таким образом, в полумостовой схеме, по сравнению с мостовой схемой, уменьшается в два раза напряжение на нагрузке и, соответственно, уменьшается в два раза среднее значение тока, отбираемого от источника питания.

Следует отметить, что относительная установленная мощность силовых полупроводниковых приборов и в той, и в другой схеме одинаковы, так как сокращение в два раза количества транзисторов и диодов в полумостовой схеме, по сравнению с мостовым вариантом, приводит к соответствующему уменьшению мощности нагрузки из за уменьшения выходного напряжения. Полумостовая схема удобна для источников питания с промежуточным звеном повышенной частоты и бестрансформаторным входом. Поскольку выходное напряжение источников питания, как правило, невелико, а напряжение в звене постоянного тока, формируемое неуправляемым выпрямителем, составляет величины порядка сотен вольт, то согласование этого напряжения с выходным обеспечивается за счет соответствующего коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора. С ростом частоты уменьшается число витков первичной обмотки, и требуемое число витков вторичной обмотки этого трансформатора может оказаться меньше единицы. В этом случае, использование полумостового варианта схемы инвертора, позволяющее уменьшить в два раза напряжение первичной обмотки трансформатора, может быть хорошим способом решения проблемы.

Поскольку кривая входного тока источника питания, показанная на рис. 1.4(д), содержит интервалы с нулевым током, длительность которых равна полупериоду выходного напряжения, то частота первой гармоники пульсаций входного тока полумостового инвертора равна частоте выходного напряжения. В этом случае, полагая, что кривая тока нагрузки синусоидальна и описывается уравнением (1.11), для вычисления косинусного коэффициента ряда используем следующее соотношение:

(1.20)

Соответственно, для синусного коэффициента будем иметь:

(1.21)

Таким образом, амплитуда -ой гармоники пульсаций входного тока равна:

(1.22)

Как видно из полученного уравнения, в спектре входного тока присутствуют лишь четные гармоники, так при нечетных обращается в нуль числитель дроби перед корнем. Кроме того, уравнение (1.22) не дает возможности вычислить первую гармонику пульсаций входного тока, так как при получается неопределенность типа . Вычислить требуемые коэффициенты можно, если в общих уравнениях положить . Тогда, косинусный коэффициент Фурье для первой гармоники будет равен:

(1.23)

И, соответственно, синусный коэффициент:

(1.24)

Таким образом, амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока:

(1.25)

Как следует из полученного соотношения, амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока в полумостовой схеме инвертора не зависит от фазового сдвига тока нагрузки, а определяется только амплитудой тока нагрузки. Для практических расчетов удобнее использовать не амплитуду тока нагрузки, а действующее значение этого тока. Тогда соотношение (1.25) можно переписать в следующем виде:

(1.26)

Сравнение соотношений (1.16) и (1.26) позволяет сделать вывод, что в худшем случае (при ) амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока в мостовой схеме почти в два раза больше, чем в полумостовой. Однако, поскольку частота первой гармоники пульсаций входного тока в полумостовой схеме в два раза ниже, чем в мостовой, требуемые величины емкости фильтра и в том, и в другом случае практически одинаковы, но в полумостовой схеме таких конденсаторов надо два. Таким образом, с точки зрения установленной мощности входного фильтра, полумостовой вариант схемы инвертора менее экономичен.

В то же время, следует отметить, что искусственная нулевая точка, создаваемая за счет разделения емкости входного фильтра в полумостовом варианте схемы, позволяет решить проблему постоянного подмагничивания выходного трансформатора, которая почти всегда возникает в транзисторных АИН из-за разброса длительностей положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения. Причинами такого разброса могут быть как неточности системы управления, так и разброс параметров силовых транзисторов. В частности, это характерно для биполярных транзисторов, в которых из-за разной степени насыщения приборов наблюдается ощутимая разница между временами рассасывания. В высокочастотных АИН это вызывает появление постоянной составляющей в выходном напряжении, которая, в свою очередь, создает постоянную составляющую в токе первичной обмотки трансформатора, что приводит к насыщению сердечника трансформатора и полному отказу преобразователя.

В полумостовой схеме с разделенным фильтровым конденсатором постоянная составляющая в выходном напряжении возникать не может, так как несимметрия длительности полуволн компенсируется изменением напряжения на фильтровых конденсаторах, т.е. изменением потенциала искусственной нулевой точки. В мостовой схеме инвертора, для предотвращения появления постоянной составляющей в первичной обмотке трансформатора, можно включить специальную, разделительную емкость.

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру