單相電流型逆變電路的應用分析

【摘要】本文首先介紹了單相電流型逆變電路的特點和原理，并詳細分析該電路的工作過程，也對電路的實際工作情況做了一定的總結(jié)性探討。

【關(guān)鍵詞】電流；逆變電路；工作原理

一、對單相電流型逆變電路的研究

1.逆變電路的分類

逆變器的交流負載中包含有電感、電容等無源元件，它們與外電路間必然有能量的交換，這就是無功。由于逆變器的直流輸入與交流輸出間有無功功率的流動，所以必須在直流輸入端設置儲能元件來緩沖無功的需求。在交—直—交變頻電路中，直流環(huán)節(jié)的儲能元件往往被當作濾波元件來看待，但它更有向交流負載提供無功功率的重要作用。

隨著用電設備不斷發(fā)展，用電設備對交流電源性能參數(shù)也有很多不同的要求，發(fā)展稱為多種逆變電路，大致可以按照以下方式分類：

①按輸出電能的去向分，可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能不返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設備

②按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。

③按主電路的器件分，可分為：由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路；由無關(guān)斷能力的半控型器件。

2.電流型逆變電路的主要特點

（1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。

（2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。

（3）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。

3.單相電流型逆變電路

圖1是一種單相橋式電流型逆變電路的原理圖。電路由4個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時di/dt，各橋臂的L之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以1000～2500Hz的中頻輪流導通，就可以在負載上得到中頻交流電。

該電路是采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。實際負載一般是電磁感應線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。因為是電流型逆變電路，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓的波形接近正弦波。

4.單相電流型逆變電路的工作過程

圖2是該逆變電路的工作波形。在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段。

tl～t2之間為晶閘管VTl和VT4穩(wěn)定導通階段，負載電流io=Id，近似為恒值，t2時刻之前在電容C上，即負載上建立了左正右負的電壓。

在t2時刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和VT3的陽極電壓等于負載電壓，為正值，故VT2和VT3開通，開始進入換流階段。由于每個晶閘管都串有換流電抗器LT，故VTl和VT4在t2時刻不能立刻關(guān)斷，其電流有一個減小過程。同樣，VT2和VT3的電流也有一個增大過程。t2時刻后，4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。其中一個回路是經(jīng)LTl、VTl、VT3、LT3回到電容C；另一個回路是經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C，如圖2中虛線所示。在這個過程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當t=t4時，VTl、VT4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。稱為換流時間。因為負載電流io=iVT1-iVT2，所以io在t3時刻，即iVTl=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。

晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時間才能恢復正向阻斷能力。因此，在t4時刻換流結(jié)束后，還要使VTl，VT4承受一段反壓時間 才能保證其可靠關(guān)斷。應大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。如果VT1、VT4尚未恢復阻斷能力就被加上正向電壓，將會重新導通，使逆變失敗。

圖2中t4～t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導通階段。t6以后又進入從VT2、VT3導通向VT2、VT4導通的換流階段，其過程和前面的分析類似。

晶閘管的觸發(fā)脈沖uGl～uG4，晶閘管承受的電壓uVTl～uVT4以及A、B間的電壓uAB也都示于圖2中。在換流過程中，上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考慮晶閘管壓降，則uAB=0。可以看出，uAB的脈動頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負，即補償電容C的能量向直流電源反饋。這實際上反映了負載和直流電源之間無功能量的交換。在直流側(cè)，Ld起到緩沖這種無功能量的作用。

5.單相電流型逆變電路實際工作

在上述討論中，為簡化分析，認為負載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。實際上在中頻加熱和鋼料熔化過程中，感應線圈的參舉是隨時間而變化的，固定的工作頻率無法保證晶閘管的反壓時間大于關(guān)斷時間tq，可能導致逆變失敗。為了保證電路早常工作，必須使工作頻率能適應負載的變化而自動調(diào)整。這種控制方式稱為自勵方式，即逆變電路的觸發(fā)信號取自負載端，其工作頻率受負載諧振頻率的控制而比后者高一個適當?shù)闹?。與自勵式相對應，固定工作頻率的控制方聲稱為他勵方式。自勵方式存在著起動的問題，因為在系統(tǒng)未投入運行時，負載端沒有輸出，無法取出信號。解決這一問題的方法之一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。另一種方法是附加預充電起動電路，即預先給電容器充電，起動時將電容能量釋放到負載上，形成衰減振蕩，檢測出振蕩信號實現(xiàn)自勵。

6.電流型逆變器

（1）逆變器

根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)、逆變器的直流輸入波形和交流輸出波形，可以把逆變器分成電壓型逆變器（亦稱電壓源逆變器）和電流型逆變器（亦稱電流源逆變器）。當逆變器的逆變功率P的脈動波形由直流電壓來體現(xiàn)時，稱之為電流型逆變器，直流電源是恒流源。

（2）電流型逆變器的特點

直流電源側(cè)串聯(lián)有較大的直流濾波電感Ld；當負載功率因數(shù)變化時，交流輸出電流的波形不變，即交流輸出電流的波形與負載無關(guān)，交流輸出電流的波形，通過逆變開關(guān)的動作，被直流電源電感穩(wěn)流成方波；在逆變器中，與逆變開關(guān)串聯(lián)有反向阻斷二極管VD1～VD6，而沒有反饋二極管，所以在逆變器中必須有釋放換相時積蓄在負載電感中的能量的電路（通常用并聯(lián)電容來吸收這一部分能量）；輸出電壓的相位隨著負載功率因數(shù)的變化而變化，換相是在兩個相鄰相之間進行的；可以通過控制輸出電流的幅值和波形來控制其輸出電流。

（3）電壓型和電流型逆變器的比較

電壓源型逆變器采用大電容作儲能（濾波）元件，逆變器呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性，直流電壓大小和極性不能改變，能將負載電壓箝在電源電壓水平上，浪涌過電壓低，適合于穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源，不可逆電力拖動系統(tǒng)、多臺電機協(xié)同調(diào)速和快速性要求不高的應用場合。電流源型逆變器電流方向不變，可通過逆變器和整流器的工作狀態(tài)變化，實現(xiàn)能量流向改變，實現(xiàn)電力拖動系統(tǒng)的電動、制動運行，故可應用于頻繁加、減速，正、反轉(zhuǎn)的單機拖動系統(tǒng)。

電流源型逆變器因用大電感儲能（濾波），主電路抗電流沖擊能力強，能有效抑制電流突變、延緩故障電流上升速率，過電流保護容易。電壓源型逆變器輸出電壓穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)短路電流上升極快，難以獲得保護處理所需時間，過電流保護困難。

采用晶閘管元件的電流源型逆變器依靠電容與負載電感的諧振來實現(xiàn)換流，負載構(gòu)成換流回路的一部分，不接入負載系統(tǒng)不能運行。

電壓源型逆變器必須設置反饋（無功）二極管來給負載提供感性無功電流通路，主電路結(jié)構(gòu)較電流源逆變器復雜。電流源型逆變器無功功率由濾波電感儲存，無需二極管續(xù)流，主電路結(jié)構(gòu)簡單。

二、結(jié)語

單相電流型逆變電路，由電流型直流電源供電，具有電流型逆變電路的一般特性。電路的輸出電流i0為交變方波且與負載無關(guān)，輸出電壓u0的波形隨負載而變，可雙向傳遞功率。電流型逆變器的特征是直流中間環(huán)節(jié)用電感作為儲能元件，由于有大電感抑制電流，短路的危險性也比電壓型逆變器小得多。電路對晶閘管關(guān)斷時間的要求比電壓型低，電路相對電壓型也較簡單，造價略低。電流型逆變器能量的再生運行非常方便，因此在大容量的逆變器中，電流型逆變器仍然占有一定地位。