Обеспечение синусоидальности выходного напряжения

На практике обычно предъявляется требование к синусоидальности выходного напряжения инвертора. Наиболее простым способом обеспечения синусоидальности является фильтрация напряжения посредством применения пассивных фильтров, состоящих из индуктивных и емкостных элементов. Несколько типовых схем фильтров инверторов напряжения представлены на рис. 4.8. Схемы этих фильтров могут быть сведены к схеме замещения, изображенной на рис. 4.9, которая состоит из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений Z, и Z₂. При такой схеме замещения можно рассматривать фильтр как делитель входного напряжения U'. Одним плечом делителя является сопротивление Z, а вторым — параллельно соединенные сопротивления Z₂ и Z_H. Тогда выражение для коэффициента фильтрации п-й гармоники получает общий вид:

где Z_ln, Z_2n, Z_nn — комплексные сопротивления фильтра и нагрузки на частоте п-й гармоники, a U'_nm, U" _m — амплитуды гармоник входного и выходного напряжений.

Рис. 4.8. Типовые схемы выходных фильтров инверторов напряжения:

а — Г-образный; б — двухзвенный; в — многозвенный.

Рис. 4.9. Схема замещения выходного фильтра инвертора напряжения

Самым простым фильтром является однозвенный Г-образный LC-фильтр (рис. 4.8, я). Принцип его действия основан на том, что для высших гармоник напряжения индуктивность представляет большое сопротивление, а емкость — малое. В результате высшие гармоники ослабляются в большей степени, чем первая (основная) гармоника напряжения. Так, для случая ненагруженного фильтра, когда Z_H отсутствует (режим, соответствующий работе инвертора на холостом ходу), подставляя в выражение (4.14) параметры фильтра, получаем.

где со, — угловая частота первой гармоники фильтруемого напряжения.

Из формулы (4.15) видно, что коэффициент ослабления прямо пропорционален квадрату порядкового номера гармоники.

Точный расчет параметров фильтра производится из условия обеспечения заданного коэффициента гармоник напряжения на нагрузке и является довольно сложным, так как при этом приходится учитывать много различных факторов, включая массогабаритные показатели фильтра. Для ориентировочной оценки параметров фильтра следует задаться падением напряжения первой гармоники ДU_L на индуктивности L от тока наибольшей нагрузки инвертора /_и тах и определить индуктивность:

В действительности первая гармоника напряжения на индуктивности фильтра больше, так как через нее протекает еще первая гармоника тока конденсатора. Далее, задаваясь коэффициентом ослабления самой большой по амплитуде гармоники (для напряжения с нечетными гармониками это будет третья гармоника), определим из формулы (4.15) емкость фильтра. Коэффициентом ослабления следует задаваться из условия обеспечения требуемого значения коэффициента гармоник выходного напряжения.

Однозвенный LC-фильтр, являясь наиболее простым по структуре, обладает, однако, существенными недостатками. Во-первых, он ослабляет не только высшие гармоники, но и основную. Это ослабление пропорционально нагрузке инвертора и зависит от коэффициента мощности нагрузки. Кроме того, ослабление амплитуды основной гармоники сопровождается изменением фазы выходного напряжения фильтра относительно фазы входного. Во-вторых, емкость фильтра создает дополнительную нагрузку для инвертора, увеличивая токи, протекающие через основные его элементы. Поэтому использование такого фильтра целесообразно при незначительном содержании высших гармоник в инвертируемом напряжении или при сравнительно высоких (10—15%) допустимых значениях коэффициента гармоник напряжения на нагрузке.

Недостатки, присущие простому /Х'-фильтру, практически устранены в фильтре, схема которого представлена на рис. 4.8, б. Этот фильтр состоит из двух основных звеньев: последовательной цепи L, C, и параллельной L, C_r Оба звена настроены в резонанс на частоте основной гармоники со, т. е.

Допуская, что элементы фильтров идеальны, т. е. не имеют активных потерь, при точном соблюдении условий резонанса (4.17) можно считать, что первая гармоника выходного напряжения инвертора поступает на нагрузку без амплитудных и фазовых искажений. Иначе говоря, коэффициент ослабления основной гармоники для данного типа фильтра равен единице. Для высших гармоник сопротивления звеньев соответственно.

Из выражения (4.18) следует, что если (ггсо,)²/., С, 3> 1 и («(o,)²C₂Z,₂ «1, то для высших гармоник эффективность фильтра эквивалентна эффективности простого /Х-фильтра с параметрами I, и С₂. Но, с другой стороны, фильтр не искажает первой гармоники напряжения и не создает дополнительной загрузки инвертора емкостным током фильтра, поскольку этот ток компенсируется током индуктивности Ь₂.

Приближенная оценка параметров такого фильтра может быть произведена так же, как и параметров Г-образного, состоящего из индуктивности /, и емкости С., (падение напряжения AU_Ll на индуктивности I, от тока нагрузки рекомендуется брать равным 30—40% номинального значения гармоники напряжения на выходе инвертора). Соответственно значения С, и L, выбираются из условия обеспечения резонанса на основной частоте. Однако наличие в схеме фильтра емкости С, и индуктивности L_v предназначенных для устранения искажения фильтром первой гармоники напряжения, приводит к удвоению суммарной установленной мощности элементов фильтра, а следовательно, к значительному увеличению его массы и габаритов. Кроме того, последовательный резонансный контур ухудшает динамические характеристики инвертора при коммутации нагрузки Z_M.

Схема достаточно эффективного фильтра, обладающего удовлетворительными технико-экономическими показателями, приведена на рис. 4.8, в. Фильтр состоит из параллельных с нагрузкой /Х-цсней, каждая из которых настроена в резонанс частоте соответствующей гармоники. Цепь С, С, настроена в резонанс частоте первой гармоники напряжения и включена последовательно с нагрузкой. Фильтр, собранный по такой схеме, пропускает практически без ослабления первую гармонику напряжения и шунтирует высшие. Количество шунтирующих резонансных цепей фильтра зависит от требуемого коэффициента гармоник выходного напряжения. Обычно устанавливают резонансные цепи на третью и пятую гармоники напряжения, а шунтирование гармоник более высоких частот возлагают на оконечный конденсатор C_n+V Высшие гармоники напряжения инвертора в основном выделяются на индуктивности Z,. Конденсатор С, в фильтре может быть исключен, и тогда его структура становится сходной со структурой фильтра на рис. 4.8, а, ослабляющего первую гармонику напряжения.