电流型逆变电路

电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电
路。

实际上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电
路直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很
小，因此可近似看成直流电流源。

电流型逆变电路有以下主要特点：
1) 直流侧串联有大电感，相当于电流源。

直流侧电
流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流
通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。

3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

因为反馈无功能量时直流电流并不反向。

电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，就其换流方式而言，有的采用负载换流，有的采用强迫换流
1. 单相电流型逆变电路
图1 是一种单相桥式电流型逆变电路的原理
图。

电路由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串
联一个电抗器L T。

L T用来限制晶闸管开通时的
di/dt，各桥臂的L T之间不存在互感。

使桥臂1、
4和桥臂2、3以1000～2500Hz的中频轮流导
通，就可以在负载上得到中频交流电。

该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载
电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。

实际负
载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢
料。

图1 中R 和L 串联即为感应线圈的等效电
路。

因为功率因数很低，故并联补偿电容器C。

电
容C 和L、R 构成并联谐振电路，故这种逆变电
路也被称为并联谐振式逆变电路。

负载换流方式要
求负载电流超前于电压，因此补偿电容应使负载过
补偿，使负载电路总体上工作在容性小失谐的情况
下。

因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波
形接近矩形波，其中包含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于
基波。

因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。

图2 是该逆变电路的工作波形。

在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。

t l～t2之间为晶闸管 VT l和 VT4稳定导通阶段，负载电流 io =I d，近似为恒值，t2时刻之前在电容C上，即负载上建立了左正右负的电压。

在 t2时刻触发晶闸管 VT2和VT3，因在 t2前 VT2和 VT3的阳极电压等于负载电压，为正值，故 VT2和 VT3开通，开始进入换流阶段。

由于每个晶闸管都串有换流电抗
器L T，故 VT l和 VT4在 t2时刻不能立刻关断，其电流有一个减小过程。

同样，VT2和 VT3的电流也有一个增大过程。

t2时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。

其中一个回路是经 L Tl、VT l、VT3、L T3回到电容C；另一个回路是经 L T2、VT2、VT4、L T4回到电容C，如图2 中虚线所示。

在这个过程中，V Tl、V T4电流逐渐减小，V T2、V T3电流逐渐增大。

当t=t4时，V Tl、V T4电流减至零而关断，直流侧电流 I d全部从 V Tl、V T4转移到 V T2、V T3，换流阶段结束。

称为换流时间。

因为负载电
流 i o=i VT1-i VT2，所以 i o在 t3时刻，即 i VTl=i VT2时刻过零，t3时刻大体位
于 t2和 t4的中点。

晶闸管在电流减小到零后，尚需一段时间才能恢复正向阻断能力。

因此，在t4
时刻换流结束后，还要使 VT l，VT4承受一段反压时间才能保证其可靠关断。

应大于晶闸管的关断时间 t q。

如果 VT1、VT4尚未恢复阻断能力就被加上正向电压，将会重新导通，使逆变失败。

为了保证可靠换流，应在负载电压 u o过零前时刻去触发 VT2、VT3。

称为触发引前时间，，从图2 可得
从图2 还可以看出，负载电流 i o超前于负载电压 u o的时间为
把表示为电角度 (弧度)可得
式中，为电路工作角频率；、分别是、对应的电角度。

也就是负载的功率因数角。

图2 中 t4～t6之间是 VT2、VT3的稳定导通阶段。

t6以后又进入从 VT2、VT3导通向 VT2、VT4导通的换流阶段，其过程和前面的分析类似。

晶闸管的触发脉冲 u Gl～u G4，晶闸管承受的电压 u VTl～u VT4以及 A、B 间的电压 u AB也都示于图2 中。

在换流过程中,上下桥臂的 L T上的电压极性相反，如果不考虑晶闸管压降，则 u AB=0。

可以看出，u AB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍。

在u AB为负的部分，逆变电路从直流电源吸收的能量为负，即补偿电容 C 的能量向直流电源反馈。

这实际上反映了负载和直流电源之间无功能量的交换。

在直流侧，L d起到缓冲这种无功能量的作用。

如果忽略换流过程，i o可近似看成矩形波。

展开成傅里叶级数可得
其基波电流有效值I o1为
下面再来看负载电压有效值 U。

和直流电压 U d的关系。

如果忽略电抗
器 L d的损耗，则 u AB的平均值应等于U d。

再忽略晶闸管压降，则从图
2 的 u AB波形可得
一般情况下值较小，可近似认为，再考虑到式
可得
或
在上述讨论中，为简化分析，认为负载参数不变，逆变电路的工作频率也是固定的。

实际上在中频加热和钢料熔化过程中，感应线圈的参举是随时间而变化的，
固定的工作频率无法保证晶闸管的反压时间大于关断时间t q，可能导致逆
变失败。

为了保证电路早常工作，必须使工作频率能适应负载的变化而自动调整。

这种控制方式称为自励方式，即逆变电路的触发信号取自负载端，其工作频率受负载谐振频率的控制而比后者高一个适当的值。

与自励式相对应，固定工作频率的控制方声称为他励方式。

自励方式存在着起动的问题，因为在系统未投入运行时，负载端没有输出，无法取出信号。

解决这一问题的方法之一是先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。

另一种方法是附加预充电起动电路，即预先给电容器充电，起动时将电容能量释放到负载上，形成衰减振荡，检测出振荡信号实现自励。