一種三相橋式PWM逆變電路的應用

熊小剛

（重慶工貿職業技術學院）

【摘要】對大功率負載設備或供電要求較高的負載，通常選擇三相橋式電路。本文將闡述一種三相橋式PWM逆變電路的應用。

【關鍵詞】三相橋式 PWM 逆變電路 應用

一、工作原理分析

圖1所示為三相橋式逆變器的主回路，逆變器的導通規律V1→V2→V3→V4→V5→V6→V1對功率開關器件進行控制，則對稱三相負載上將分別得到在+1/2Ed到-1/2Ed之間變化的脈沖電壓。由于三相正弦參考波與三角載波通過調制電路分別進行比較后對脈沖的寬度比進行調節（如圖2中各相正弦波與三角波的交點，以垂直虛線標示），負載上將得到一個與參考波成一定比例的電壓脈沖序列，如圖2中陰影部分。該脈沖序列的包絡線為可調正弦波，如其負載為感性負載，則負載電流波形趨近于正弦波。

圖3為晶體管通用型三相PWM變頻器的逆變環節的主電路原理圖。其整流環節采用二極管橋式整流電路，在此不再贅述。濾波電容器Gd起著平波和中間儲能的作用，為電感性負載提供無功功率。

PWM逆變器主要由6個大功率晶體管V1～V6、6個續流二極管VD1～VD6、泵升電壓限制電路（R7，V7）組成，V1～V6工作于開關狀態，其開關模式取決于供給基極的PWM控制信號，輸出交流電壓的幅值和頻率通過控制開關開通時間和切換點時間來調節。VD1～VD6用來提供續流回路，以A相負載為例：當V1突然關斷時，A相負載電流靠VD2續流，而當V2突然關斷時，A相負載又靠VD1續流，B、C兩相續流原理同上。由于整流電源是二極管整流器，能量不能向電網回饋，因此當電動機突然停車時，電動機軸上的機械能將轉化為電能通過VD1～VD6的整流向電容Cd充電，造成直流電壓Ud的升高，因此，該電壓稱為泵升電壓。轉速越高，停車時的泵升電壓就越高，會瞬間擊穿開關器件。因此，逆變器主回路中設置了泵升電壓限制電路R7和V7，當泵升電壓高于Ud的最高電壓限制時，V7導通，使電容Cd上的儲能通過R7消耗掉，以保證Ud小于等于所限制的最高電壓。圖中V1～V6右側并聯的電阻、電容和二極管為阻容吸收裝置，用于限制功率開關器件的dUce/dt保護器件。

二、主電路的檢測與保護

在通用變頻器中，功率開關管工作在開關狀態，其最關鍵的技術參數是反向封鎖電壓Uceo和正向導通電流Icm，此外還須計算、校核集電極功率耗散Pc是否在限定值之內，因此，變頻器工作中需要進行電壓、電流檢測。

功率開關管的結溫不但與集電極功耗有關，也與散熱器熱阻有關，一般在散熱器上加裝溫度傳感器進行結溫檢測，如圖4所示。

由于逆變器的最高工作電壓也就是直流母線電壓Ud，所以應對Ud進行電壓監測。電壓信號的采樣方式很多，電阻分壓、霍爾傳感器等均可用于對Ud進行電壓采樣，如圖4所示。

變頻器中的過電流信號主要分為內部直通電流和外部故障電流兩大類。內部直通電流只在變頻器內部逆變電路的同橋臂開關器件間形成環流，由于電流不經過負載，回路電阻較小，可能導致較大的過電流。外部故障電流主要是由負載過重或外電路短路等故障造成的，電流通路相對較復雜，通常情況會同時影響到變頻器的交流側和直流側，所以，對變頻器中電流的檢測較為復雜，常用的電流檢測原理如圖4所示。對直流母線電流檢測時，應注意以下問題：如果只采用其中的一點進行檢測，可以檢測到內部直通電流和輸出的線間故障電流，但卻無法檢測到因輸出對地造成的短路電流。因此在實際應用中，需要采用如圖4中所標的兩點同時檢測或者將其中之一與零序電流檢測配合使用；另外可采用輸出側電流檢測，即同時對三路輸出電流進行檢測，但該法檢測不到內部直通電流，也需配以直流側母線電流檢測方法。

對電流進行檢測的傳感器類型很多，如無感電阻、霍爾電流傳感器、電流互感器、零序電流檢測器等。

電流保護過程中需要特別注意的是檢測器件的快速性問題。例如GTR器件要求在50μs之內進行短路保護，而保護電路從檢測、比較、隔離到執行對GTR的封鎖有一定的時間間隔，所以保護通道每一環節的滯后時間和動作點都需要進行周密的計算和實際測量，以確保在變頻器損壞之前完成保護動作。