熊小剛

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

【關(guān)鍵詞】負(fù)載 換流型 并聯(lián)式諧振 逆變電路

一、電路結(jié)構(gòu)

圖1為并聯(lián)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(jīng)三相可控整流獲得，經(jīng)過大電感Ld濾波，通過并聯(lián)逆變電路將直流電逆變?yōu)橹蓄l交流電供給負(fù)載，屬于電流型逆變電路。逆變電路有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂分別由一個(gè)快速晶閘管和換流電抗器串聯(lián)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(shí)的電流上升率di∕dt。

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

二、工作原理

因并聯(lián)諧振式逆變電路屬電流型，當(dāng)逆變橋中上下臂的晶閘管以一定頻率交替觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，在負(fù)載上產(chǎn)生交變的矩形波電流，其中包含基波和各奇次諧波。工作時(shí)，晶閘管交替觸發(fā)的頻率與負(fù)載回路的諧振頻率相接近，負(fù)載電路工作在諧振狀態(tài)，故負(fù)載對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對各奇次諧波呈現(xiàn)低阻抗，負(fù)載電流io中的高次諧波在負(fù)載電路上幾乎不產(chǎn)生壓降，因此，負(fù)載兩端電壓uo的波形接近正弦波。又因?yàn)榛l率略高于負(fù)載電路的諧振頻率，負(fù)載呈容性，io超前uo一定角度，所以可以達(dá)到自動(dòng)換流關(guān)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(wěn)定導(dǎo)通的階段，負(fù)載電流io的流動(dòng)方向如圖2a虛線所示，負(fù)載上得到正電壓、極性為左正右負(fù)。在圖3所示的t2時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，由于在t2之前就承受正向電壓，所以在此時(shí)刻VT2和VT3導(dǎo)通，電路開始換流。因?yàn)榫чl管回路中串有換流電抗器L1～L4，所以VT1和VT4在t2時(shí)刻不能立即關(guān)斷，且VT2和VT3中的電流也不能突變，有一個(gè)增大的過程。在換流期間，四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，但由于時(shí)間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會(huì)短路。補(bǔ)償電容C經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)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(shí)刻，VT1、VT4中的電流降到零，器件關(guān)斷，直流側(cè)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(shí)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(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，即VT1和VT4應(yīng)承受一段反壓時(shí)間tb的反向電壓才能保證其可靠關(guān)斷。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)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(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3，稱tf為觸發(fā)引前時(shí)間。

tf=tr+Ktq

式中，K為大于1的安全系數(shù)，一般取2～3。

負(fù)載的功率因數(shù)角φ由負(fù)載電流io與負(fù)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(wěn)定導(dǎo)通時(shí)間，t6時(shí)刻后進(jìn)入VT2、VT3導(dǎo)通向VT1、VT4導(dǎo)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(fù)載電流io可看成矩形波，展開成傅里葉級(jí)數(shù)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(fù)載電壓有效值Uo與直流電壓Ud的關(guān)系為