第五章 无源逆变器

第五章无源逆变器

5.1概述

有源逆变无源逆变

5.1.1无源逆变器分类

分类房法种类使用器件晶闸管逆变器、GTO逆变器、BJT逆变器、MOSFET逆变器、IGBT逆变器、混合式逆变器直流电源性质电压型逆变器、电流型逆变器电路结构半桥电路、全桥电路输出相数单相电路、三相电路、多相电路调压功能无调压功能、有调压功能调频功能恒频输出、变频输出负载电流波形正弦波逆变器、非正弦波逆变器5.1.2VVVF变换器

在交－直－交变换器中，既能改变频率又能改变电压的变换器通常称为变压变频变换器，即VVVF变换器（VariableVoltageVariableFrequencyConverter），若实现恒定电压和恒定频率的逆变则称为恒压恒频变换器，即CVCF变换器（ConstantVoltageConstantFrequencyConverter）。

图5-1交-直-交变换器的调压方式

图5-2VVVF变换器的两种基本类型

电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控制系统，其主要运行特点如下：1.采用可控整流调压、逆变器变频方式运行，一般实现恒磁通控制2.逆变器中各开关器件主要起改变电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近正弦波；3.由于可控整流器能实现可逆运行，能量反馈制动很容易实现的；4.采用电感储能，系统响应慢5.逆变器为六拍逆变器，力矩脉动较大，低速下要采用电流型PWM技术来减轻力矩的脉动。

电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点如下：1.逆变器采用PWM技术，既变压又变频2.由于直流电压源的箝位作用，交流测电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流测电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近正弦波。系统响应速度快；3.可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；4.同一相的上下桥臂有直通短路的可能，这时电流的变化率和峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难5.由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。如果电动机需要向交流电源反馈能量，因直流测电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交－直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。5．2180导通的电压源型三相逆变器

5.2.1输出电压及波形分析

图5-3导通的电压型三相逆变器输出电压波形（三相星形负载）

负载电压中消除了三次和三的倍数次谐波是有益的，因为它们对于电动机的性能会造成严重的损害。当然，由于换流作用和逆变器电路的内部电压降，实际电压波形和理想电压波形略有差别。实际上，六阶梯波逆变器已成功地应用在交流调速系统中。

5.2.2逆变桥的输入电流

5.3串联二极管电流源型逆变电路

一.串联二极管电流型逆变器的主电路及其工作原理图5-4串联二极管电流型逆变器电路图

图5-5串联二极管电流源型逆变器输出电流波形

二、换流过程

（1）换流前正常运行阶段（2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段（3）二极管换流阶段（4）进入新运行状态

图5-6串联二极管电流源型逆变器的换流过程

5.4正弦脉宽调制(SPWM)技术

5．4．1正弦脉宽调制原理

图5-7形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图5-8与正弦波等效的矩形脉冲序列波形

5.4.2双极性正弦脉宽调制

图5-9双极性SPWM单相全桥逆变电路及其波形

综上所述，在SPWM工作情况下，在开关点上各开关元件间产生电流的转移，而且绝大多数是桥臂间的换流（包含两种方式），只有在I=0前后，才会出现桥臂内元件的自然换流。

5.4.3三相正弦脉宽调制

图5－10三相正弦脉冲宽度调制波形

5.5PWM逆变器

5．5．1概述

功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（GTR、MOSFET、IGBT）是自关断器件，用它们作开关元件构成的PWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频率高，控制灵活，调节性能好，成本低，与晶闸管PWM逆变器比较，在中小功率应用范围内，有较好的性能价格比。但是由于功率晶体管存在二次击穿和耐冲击能力较差的缺点，因而必须在基极驱动、过流保护及吸收电路的工程设计时对这些缺点予以充分地考虑。

5．5．2PWM逆变器工作原理图5-11PWM逆变器主电路a)

晶体管PWM逆变器主电路MOSFET主电路（一相桥臂）

c)IGBT主电路（一相桥臂）

5．5．3大功率晶体管的驱动

一、功率晶体管理想的基极驱动条件1.基极驱动电流必须类似图5－20所示的波形。

图5－20理想的基极驱动电流波形

2.基极驱动电路必须与逻辑电路、PWM控制电路绝缘和隔离，具有足够高的共模电压抑制能力，响应快，波形不失真3.基极驱动电路要有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能。4.为了保证开关速度，基极驱动电路应具有抗饱和的功能，使晶体管工作在临界饱和状态。5.尽量降低基极驱动的隔离稳压电源的容量和功率损耗。6.基极驱动电路应尽量不使PWM波形的脉宽受到限制，并能适应输出量的通断比可能的任意数值二、基极驱动电路

1．光耦合基极驱动电路

图5-13分立元件基极驱动电路

2．变压器耦合基极驱动电路

图5-14变压器隔离的驱动电路

5．5．4功率MOSFET驱动电路

图5-15栅极驱动电路

5．5．5IGBT驱动电路图5-16EXB系列集成驱动芯片内部框图a)EXB850,851（标准型）b）EXB840,841（高速型）

图5-17EXB841驱动应用实例

图5－18EXB841原理电路5.6PWM逆变器的特殊问题

5.6.1PWM逆变器的保护问题

一、过流保护

图5－19IGBT开通时等效电路

二、防止上下桥臂直通的措施逆变器的上下桥臂直通，贮能大电容短路，这是PWM逆变器最可怕的故障，一般来说都会对元器件产生永久性的破坏，因此，必须采取一切措施绝对避免这种直通故障的出现。防止上下桥臂直通的原理是：1.电源瞬变的过程中，控制部分不输出导致上下桥臂直通的附加脉冲。事实上，在电源瞬变的过程中，特别是控制电源包括基极驱动的隔离电源在建立和突然消失的过程中，直通的现象是不可避免的，但必须保证没有危害开关元件的直通大电流产生。2.不管是什么原因，控制逻辑部分，包括DSP或CPU等故障，都不能送出直通故障信号。简而言之，任何条件下都不应该出现上下桥臂开关都同时有正的开通信号3.开关元件状态转换的过程中，避免因开关时间而导致上、下桥臂出现暂态的直通现象。图5－20PWM逆变器的上下桥臂及其驱动波形

三、开关过电压的保护图5－21PWM逆变器的Snubber电路

图5－22Snubber等效电路

图5－23线性化换流等效电路

1）线性换流阶段

2）杂散电感谐振放能过程及电容、吸收二极管的容量计算

3）电容CS的放电过程及电阻RS的计算

图5－25CS放电的等效电路

5．6．2PWM逆变器主电源的软起动问题图5-27主电源的软起动电路

图5-28软起动电路

5．6．3电动机负载时的制动问题

一、能耗制动

电动机制动时，动能变为电能向贮能电容充电，通过检测电容电压，当电容电压高达某一数值时，接通能耗回路，使电容电压不再上升，电动机轴系的动能变成了能耗回路电阻的发热。如图5-29所示，当电动机制动运行时，电容C充电后，就会使其电压高