第五章 無(wú)源逆變器

第五章無(wú)源逆變器

5.1概述

有源逆變無(wú)源逆變

5.1.1無(wú)源逆變器分類(lèi)

分類(lèi)房法種類(lèi)使用器件晶閘管逆變器、GTO逆變器、BJT逆變器、MOSFET逆變器、IGBT逆變器、混合式逆變器直流電源性質(zhì)電壓型逆變器、電流型逆變器電路結(jié)構(gòu)半橋電路、全橋電路輸出相數(shù)單相電路、三相電路、多相電路調(diào)壓功能無(wú)調(diào)壓功能、有調(diào)壓功能調(diào)頻功能恒頻輸出、變頻輸出負(fù)載電流波形正弦波逆變器、非正弦波逆變器5.1.2VVVF變換器

在交－直－交變換器中，既能改變頻率又能改變電壓的變換器通常稱為變壓變頻變換器，即VVVF變換器（VariableVoltageVariableFrequencyConverter），若實(shí)現(xiàn)恒定電壓和恒定頻率的逆變則稱為恒壓恒頻變換器，即CVCF變換器（ConstantVoltageConstantFrequencyConverter）。

圖5-1交-直-交變換器的調(diào)壓方式

圖5-2VVVF變換器的兩種基本類(lèi)型

電流源型變換器大多用于大功率的風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速控制系統(tǒng)，其主要運(yùn)行特點(diǎn)如下：1.采用可控整流調(diào)壓、逆變器變頻方式運(yùn)行，一般實(shí)現(xiàn)恒磁通控制2.逆變器中各開(kāi)關(guān)器件主要起改變電流流通路徑的作用，故交流側(cè)電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，而交流側(cè)電壓波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形常接近正弦波；3.由于可控整流器能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行，能量反饋制動(dòng)很容易實(shí)現(xiàn)的；4.采用電感儲(chǔ)能，系統(tǒng)響應(yīng)慢5.逆變器為六拍逆變器，力矩脈動(dòng)較大，低速下要采用電流型PWM技術(shù)來(lái)減輕力矩的脈動(dòng)。

電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)由于采用電容儲(chǔ)能，因此直流環(huán)節(jié)電壓值不受負(fù)載影響，其主要運(yùn)行特點(diǎn)如下：1.逆變器采用PWM技術(shù)，既變壓又變頻2.由于直流電壓源的箝位作用，交流測(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，而交流測(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形接近正弦波。系統(tǒng)響應(yīng)速度快；3.可多臺(tái)逆變器共用一套直流電源并聯(lián)運(yùn)行；4.同一相的上下橋臂有直通短路的可能，這時(shí)電流的變化率和峰值都很大，需要在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，所以保護(hù)困難5.由于整流部分采用不控整流，因此不能實(shí)現(xiàn)能量回饋制動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)需要向交流電源反饋能量，因直流測(cè)電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就需要給交－直變換的整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。5．2180導(dǎo)通的電壓源型三相逆變器

5.2.1輸出電壓及波形分析

圖5-3導(dǎo)通的電壓型三相逆變器輸出電壓波形（三相星形負(fù)載）

負(fù)載電壓中消除了三次和三的倍數(shù)次諧波是有益的，因?yàn)樗鼈儗?duì)于電動(dòng)機(jī)的性能會(huì)造成嚴(yán)重的損害。當(dāng)然，由于換流作用和逆變器電路的內(nèi)部電壓降，實(shí)際電壓波形和理想電壓波形略有差別。實(shí)際上，六階梯波逆變器已成功地應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中。

5.2.2逆變橋的輸入電流

5.3串聯(lián)二極管電流源型逆變電路

一.串聯(lián)二極管電流型逆變器的主電路及其工作原理圖5-4串聯(lián)二極管電流型逆變器電路圖

圖5-5串聯(lián)二極管電流源型逆變器輸出電流波形

二、換流過(guò)程

（1）換流前正常運(yùn)行階段（2）晶閘管換流與恒流充、放電階段（3）二極管換流階段（4）進(jìn)入新運(yùn)行狀態(tài)

圖5-6串聯(lián)二極管電流源型逆變器的換流過(guò)程

5.4正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)

5．4．1正弦脈寬調(diào)制原理

圖5-7形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

圖5-8與正弦波等效的矩形脈沖序列波形

5.4.2雙極性正弦脈寬調(diào)制

圖5-9雙極性SPWM單相全橋逆變電路及其波形

綜上所述，在SPWM工作情況下，在開(kāi)關(guān)點(diǎn)上各開(kāi)關(guān)元件間產(chǎn)生電流的轉(zhuǎn)移，而且絕大多數(shù)是橋臂間的換流（包含兩種方式），只有在I=0前后，才會(huì)出現(xiàn)橋臂內(nèi)元件的自然換流。

5.4.3三相正弦脈寬調(diào)制

圖5－10三相正弦脈沖寬度調(diào)制波形

5.5PWM逆變器

5．5．1概述

功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管（GTR、MOSFET、IGBT）是自關(guān)斷器件，用它們作開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的PWM逆變器，可使裝置的體積小，斬波頻率高，控制靈活，調(diào)節(jié)性能好，成本低，與晶閘管PWM逆變器比較，在中小功率應(yīng)用范圍內(nèi)，有較好的性能價(jià)格比。但是由于功率晶體管存在二次擊穿和耐沖擊能力較差的缺點(diǎn)，因而必須在基極驅(qū)動(dòng)、過(guò)流保護(hù)及吸收電路的工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些缺點(diǎn)予以充分地考慮。

5．5．2PWM逆變器工作原理圖5-11PWM逆變器主電路a)

晶體管PWM逆變器主電路MOSFET主電路（一相橋臂）

c)IGBT主電路（一相橋臂）

5．5．3大功率晶體管的驅(qū)動(dòng)

一、功率晶體管理想的基極驅(qū)動(dòng)條件1.基極驅(qū)動(dòng)電流必須類(lèi)似圖5－20所示的波形。

圖5－20理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形

2.基極驅(qū)動(dòng)電路必須與邏輯電路、PWM控制電路絕緣和隔離，具有足夠高的共模電壓抑制能力，響應(yīng)快，波形不失真3.基極驅(qū)動(dòng)電路要有過(guò)流或晶體管進(jìn)入放大區(qū)工作的保護(hù)功能。4.為了保證開(kāi)關(guān)速度，基極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有抗飽和的功能，使晶體管工作在臨界飽和狀態(tài)。5.盡量降低基極驅(qū)動(dòng)的隔離穩(wěn)壓電源的容量和功率損耗。6.基極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡量不使PWM波形的脈寬受到限制，并能適應(yīng)輸出量的通斷比可能的任意數(shù)值二、基極驅(qū)動(dòng)電路

1．光耦合基極驅(qū)動(dòng)電路

圖5-13分立元件基極驅(qū)動(dòng)電路

2．變壓器耦合基極驅(qū)動(dòng)電路

圖5-14變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路

5．5．4功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

圖5-15柵極驅(qū)動(dòng)電路

5．5．5IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖5-16EXB系列集成驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部框圖a)EXB850,851（標(biāo)準(zhǔn)型）b）EXB840,841（高速型）

圖5-17EXB841驅(qū)動(dòng)應(yīng)用實(shí)例

圖5－18EXB841原理電路5.6PWM逆變器的特殊問(wèn)題

5.6.1PWM逆變器的保護(hù)問(wèn)題

一、過(guò)流保護(hù)

圖5－19IGBT開(kāi)通時(shí)等效電路

二、防止上下橋臂直通的措施逆變器的上下橋臂直通，貯能大電容短路，這是PWM逆變器最可怕的故障，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)對(duì)元器件產(chǎn)生永久性的破壞，因此，必須采取一切措施絕對(duì)避免這種直通故障的出現(xiàn)。防止上下橋臂直通的原理是：1.電源瞬變的過(guò)程中，控制部分不輸出導(dǎo)致上下橋臂直通的附加脈沖。事實(shí)上，在電源瞬變的過(guò)程中，特別是控制電源包括基極驅(qū)動(dòng)的隔離電源在建立和突然消失的過(guò)程中，直通的現(xiàn)象是不可避免的，但必須保證沒(méi)有危害開(kāi)關(guān)元件的直通大電流產(chǎn)生。2.不管是什么原因，控制邏輯部分，包括DSP或CPU等故障，都不能送出直通故障信號(hào)。簡(jiǎn)而言之，任何條件下都不應(yīng)該出現(xiàn)上下橋臂開(kāi)關(guān)都同時(shí)有正的開(kāi)通信號(hào)3.開(kāi)關(guān)元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，避免因開(kāi)關(guān)時(shí)間而導(dǎo)致上、下橋臂出現(xiàn)暫態(tài)的直通現(xiàn)象。圖5－20PWM逆變器的上下橋臂及其驅(qū)動(dòng)波形

三、開(kāi)關(guān)過(guò)電壓的保護(hù)圖5－21PWM逆變器的Snubber電路

圖5－22Snubber等效電路

圖5－23線性化換流等效電路

1）線性換流階段

2）雜散電感諧振放能過(guò)程及電容、吸收二極管的容量計(jì)算

3）電容CS的放電過(guò)程及電阻RS的計(jì)算

圖5－25CS放電的等效電路

5．6．2PWM逆變器主電源的軟起動(dòng)問(wèn)題圖5-27主電源的軟起動(dòng)電路

圖5-28軟起動(dòng)電路

5．6．3電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的制動(dòng)問(wèn)題

一、能耗制動(dòng)

電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能變?yōu)殡娔芟蛸A能電容充電，通過(guò)檢測(cè)電容電壓，當(dāng)電容電壓高達(dá)某一數(shù)值時(shí)，接通能耗回路，使電容電壓不再上升，電動(dòng)機(jī)軸系的動(dòng)能變成了能耗回路電阻的發(fā)熱。如圖5-29所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電容C充電后，就會(huì)使其電壓高