一种负载换流型并联式谐振逆变电路

熊小刚

【摘要】在晶闸管逆变电路中，如果负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性，则可采用负载换流方式，并联式谐振逆变电路输出电压接近正弦波，负载电流波形为方波。本文将介绍这种并联式谐振逆变电路的电路结构及工作情况。

【关键词】负载 换流型 并联式谐振 逆变电路

一、电路结构

图1为并联式谐振逆变电路的原理图；其直流电源Ud是由工频交流电源经三相可控整流获得，经过大电感Ld滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流电供给负载，属于电流型逆变电路。逆变电路有四个桥臂，每个桥臂分别由一个快速晶闸管和换流电抗器串联组成。电抗器L1～L4为电感量很小的电感，用来限制晶闸管开通时的电流上升率di∕dt。

电路中的负载是模拟一个中频电炉，即一个低功率因数的电磁线圈，图中R和L串联为其等效电路。为了提高负载端的功率因数，并联了补偿电容C。电阻R、电感L和电容C构成并联谐振电路，因此这种逆电路为并联谐振式逆变电路。该电路采用负载换流方式，要求负载电流超前负载电压，进行电容补偿时，使负载略呈容性。该逆变器广泛应用于熔炼、淬火的中频加热电源。

二、工作原理

因并联谐振式逆变电路属电流型，当逆变桥中上下臂的晶闸管以一定频率交替触发导通时，在负载上产生交变的矩形波电流，其中包含基波和各奇次谐波。工作时，晶闸管交替触发的频率与负载回路的谐振频率相接近，负载电路工作在谐振状态，故负载对基波呈现高阻抗，而对各奇次谐波呈现低阻抗，负载电流io中的高次谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载两端电压uo的波形接近正弦波。又因为基波频率略高于负载电路的谐振频率，负载呈容性，io超前uo一定角度，所以可以达到自动换流关断晶闸管的目的。

图2为逆变电路换流的工作过程，图3为逆变电路的工作波形。图2a，b，c中io、uo的参考方向与图1相同。t1～t2是晶闸管VT1和VT4稳定导通的阶段，负载电流io的流动方向如图2a虚线所示，负载上得到正电压、极性为左正右负。在图3所示的t2时刻，触发晶闸管VT2和VT3，由于在t2之前就承受正向电压，所以在此时刻VT2和VT3导通，电路开始换流。因为晶闸管回路中串有换流电抗器L1～L4，所以VT1和VT4在t2时刻不能立即关断，且VT2和VT3中的电流也不能突变，有一个增大的过程。在换流期间，四个晶闸管同时导通，但由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。补偿电容C经两个并联的放电回路同时放电如图2b所示。在此期间，VT1、VT4电流从零增大。在图3所示的t4时刻，VT1、VT4中的电流降到零，器件关断，直流侧电流Id全部流过VT2、VT3，完成从VT1、VT4到VT2、VT3的换流过程，其中t4-t2=tr，称为换流时间，其电流方向如图2c所示。VT1、VT4管在电流减小到零（t=t4）后，还需一段时间才能恢复正向阻断能力，即VT1和VT4应承受一段反压时间tb的反向电压才能保证其可靠关断。tb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。

为了保证电路可靠换流，必须在输出电压uo过零前tf时刻触发VT2、VT3，称tf为触发引前时间。

tf=tr+Ktq

式中，K为大于1的安全系数，一般取2～3。

负载的功率因数角φ由负载电流io与负载电压uo来决定

φ=ω（tr/2+tβ）

式中，ω為电路的工作频率。

T4～t6期间为VT2、VT3的稳定导通时间，t6时刻后进入VT2、VT3导通向VT1、VT4导通的换流阶段，其过程和前面的分析类似。如果忽略换流过程，负载电流io可看成矩形波，展开成傅里叶级数形式可得

io=

则其基波分量的有效值为

如果忽略电抗器Ld的损耗和晶闸管的压降，则负载电压有效值Uo与直流电压Ud的关系为