PWM-инверторы: Оптимальное решение для разнообразных нагрузок

Что такое PWM-инвертор?

PWM-инверторы (инверторы с широтно-импульсной модуляцией) вытеснили старые типы инверторов и нашли широкое применение в силовой электронике. Часто используют MOSFET-транзисторы, поэтому их называют PWM MOSFET-инверторами. Большинство современных инверторов применяют ШИМ-технологию для генерации переменного напряжения заданной частоты и амплитуды. В статье рассмотрим принцип работы, входящие цепи и типы PWM-инверторов.

Кратко: это инвертор, использующий технологию широтно-импульсной модуляции. PWM-инвертор удерживает выходное напряжение на номинальном уровне независимо от подключенной нагрузки, меняя ширину импульсов выходного сигнала.

Принцип работы PWM-инвертора

В обычных инверторах выходное напряжение меняется с нагрузкой. PWM-инвертор корректирует фазное напряжение, используя обратную связь от нагрузки. Часть выходного сигнала возвращается к контроллеру PWM. Контроллер использует напряжение обратной связи для коррекции ширины импульсов, генерируемых осциллятором. Изменение ширины импульса компенсирует любые изменения на выходе, сохраняя форму напряжения постоянной при любых вариациях нагрузки.

Цепи, входящие в состав PWM-инвертора

Типичная схема включает следующие функциональные блоки:

Цепь контроля зарядного тока аккумулятора

Поддерживает ток зарядки на заданном уровне, предотвращая скачки, снижающие ресурс батареи.

Цепь контроля напряжения аккумулятора

Определяет напряжение, необходимое для зарядки разряженной батареи, и обеспечивает дозаправку (трикловую зарядку) после полного заряда.

Цепь детектирования сетевого напряжения

Определяет наличие переменного напряжения сети. При наличии — переключает инвертор в режим зарядки, при отсутствии — в батарейный режим.

Цепь «мягкого пуска»

Задерживает начало зарядки на 8–10 секунд после восстановления питания, защищая MOSFET от скачков напряжения.

Цепь переключения режимов (Change Over)

Переключает режимы работы инвертора (зарядка/батарея) в зависимости от наличия сети.

Цепь аварийного отключения (Shut Down)

Контролирует работу инвертора и отключает его при обнаружении аномалий, получая данные от датчиков.

Цепь контроллера PWM

Управляет выходным напряжением. Обычно реализована на одном специализированном ИС (LM494, KA3535), содержащем все необходимые блоки.

Зарядная цепь

Управляет процессом зарядки, получая сигналы от цепей детектирования сети и контроля батареи.

Генератор (осциллятор)

Формирует коммутационную частоту. Обычно встроен в ИС контроллера PWM.

Драйверный каскад

Управляет ключевыми транзисторами по сигналам от генератора. Аналогичен предусилительному каскаду.

Типы PWM-инверторов

PWM-инвертор работает с двумя сигналами: опорным и несущим. Сравнивая их, получают импульсы управления. Основные техники:

Одноимпульсная ШИМ (SPWM)

В каждом полупериоде используется один импульс. Несущая — треугольная волна, опорная — прямоугольная. Сравнение дает управляющие импульсы, но создает высокую гармонику.

Многоимпульсная ШИМ (MPWM)

Несколько импульсов в каждом полупериоде вместо одного. Выходная частота регулируется частотой несущей. Устраняет недостатки SPWM. Применяется в инверторах для приводов с переменной частотой. Повышает качество формы напряжения.

Синусоидальная ШИМ (SPWM с синусоидальной опорной)

Опорный сигнал — синусоида, несущая — треугольная. Выход — синусоидальная форма. RMS-значение напряжения управляется индексом модуляции.

Недостатки: (1) не может выдать выходное напряжение выше линейного; (2) для чистого синусоидального PWM нужны узкие импульсы при равенстве пиков модулирующей и несущей волн, что технически сложно из-за времени коммутации. Поэтому малые импульсы часто устраняют ради эффективности.

Модифицированная синусоидальная ШИМ

Несущая подается только в первых и последних 60° каждого полупериода. Улучшает гармонический состав, снижает потери коммутации и увеличивает фундаментальную составляющую.

Заключение

PWM-инверторы используют технологию широтно-импульсной модуляции для стабилизации выходного напряжения независимо от нагрузки. Благодаря высокой эффективности широко применяются в промышленности, например, в контроллерах скорости DC-двигателей, где частота напряжения управляет скоростью привода.

При вопросах — обращайтесь к нам.