一種負載換流型并聯式諧振逆變電路

熊小剛

【摘要】在晶閘管逆變電路中，如果負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性，則可采用負載換流方式，并聯式諧振逆變電路輸出電壓接近正弦波，負載電流波形為方波。本文將介紹這種并聯式諧振逆變電路的電路結構及工作情況。

【關鍵詞】負載 換流型 并聯式諧振 逆變電路

一、電路結構

圖1為并聯式諧振逆變電路的原理圖；其直流電源Ud是由工頻交流電源經三相可控整流獲得，經過大電感Ld濾波，通過并聯逆變電路將直流電逆變為中頻交流電供給負載，屬于電流型逆變電路。逆變電路有四個橋臂，每個橋臂分別由一個快速晶閘管和換流電抗器串聯組成。電抗器L1～L4為電感量很小的電感，用來限制晶閘管開通時的電流上升率di∕dt。

電路中的負載是模擬一個中頻電爐，即一個低功率因數的電磁線圈，圖中R和L串聯為其等效電路。為了提高負載端的功率因數，并聯了補償電容C。電阻R、電感L和電容C構成并聯諧振電路，因此這種逆電路為并聯諧振式逆變電路。該電路采用負載換流方式，要求負載電流超前負載電壓，進行電容補償時，使負載略呈容性。該逆變器廣泛應用于熔煉、淬火的中頻加熱電源。

二、工作原理

因并聯諧振式逆變電路屬電流型，當逆變橋中上下臂的晶閘管以一定頻率交替觸發導通時，在負載上產生交變的矩形波電流，其中包含基波和各奇次諧波。工作時，晶閘管交替觸發的頻率與負載回路的諧振頻率相接近，負載電路工作在諧振狀態，故負載對基波呈現高阻抗，而對各奇次諧波呈現低阻抗，負載電流io中的高次諧波在負載電路上幾乎不產生壓降，因此，負載兩端電壓uo的波形接近正弦波。又因為基波頻率略高于負載電路的諧振頻率，負載呈容性，io超前uo一定角度，所以可以達到自動換流關斷晶閘管的目的。

圖2為逆變電路換流的工作過程，圖3為逆變電路的工作波形。圖2a，b，c中io、uo的參考方向與圖1相同。t1～t2是晶閘管VT1和VT4穩定導通的階段，負載電流io的流動方向如圖2a虛線所示，負載上得到正電壓、極性為左正右負。在圖3所示的t2時刻，觸發晶閘管VT2和VT3，由于在t2之前就承受正向電壓，所以在此時刻VT2和VT3導通，電路開始換流。因為晶閘管回路中串有換流電抗器L1～L4，所以VT1和VT4在t2時刻不能立即關斷，且VT2和VT3中的電流也不能突變，有一個增大的過程。在換流期間，四個晶閘管同時導通，但由于時間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會短路。補償電容C經兩個并聯的放電回路同時放電如圖2b所示。在此期間，VT1、VT4電流從零增大。在圖3所示的t4時刻，VT1、VT4中的電流降到零，器件關斷，直流側電流Id全部流過VT2、VT3，完成從VT1、VT4到VT2、VT3的換流過程，其中t4-t2=tr，稱為換流時間，其電流方向如圖2c所示。VT1、VT4管在電流減小到零（t=t4）后，還需一段時間才能恢復正向阻斷能力，即VT1和VT4應承受一段反壓時間tb的反向電壓才能保證其可靠關斷。tb=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq。

為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓uo過零前tf時刻觸發VT2、VT3，稱tf為觸發引前時間。

tf=tr+Ktq

式中，K為大于1的安全系數，一般取2～3。

負載的功率因數角φ由負載電流io與負載電壓uo來決定

φ=ω（tr/2+tβ）

式中，ω為電路的工作頻率。

T4～t6期間為VT2、VT3的穩定導通時間，t6時刻后進入VT2、VT3導通向VT1、VT4導通的換流階段，其過程和前面的分析類似。如果忽略換流過程，負載電流io可看成矩形波，展開成傅里葉級數形式可得

io=

則其基波分量的有效值為

如果忽略電抗器Ld的損耗和晶閘管的壓降，則負載電壓有效值Uo與直流電壓Ud的關系為