单相电流型逆变电路的应用分析

【摘要】本文首先介绍了单相电流型逆变电路的特点和原理，并详细分析该电路的工作过程，也对电路的实际工作情况做了一定的总结性探讨。

【关键词】电流；逆变电路；工作原理

一、对单相电流型逆变电路的研究

1.逆变电路的分类

逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。在交―直―交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。

随着用电设备不断发展，用电设备对交流电源性能参数也有很多不同的要求，发展称为多种逆变电路，大致可以按照以下方式分类：

①按输出电能的去向分，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出的电能不返回公共交流电网，后者输出的电能直接输向用电设备

②按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路。

③按主电路的器件分，可分为：由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路；由无关断能力的半控型器件。

2.电流型逆变电路的主要特点

（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，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

3.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LT。LT用来限制晶闸管开通时di/dt，各桥臂的L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。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。

4.单相电流型逆变电路的工作过程

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。

tl～t2之间为晶闸管VTl和VT4稳定导通阶段，负载电流io=Id，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LT，故VTl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LTl、VTl、VT3、LT3回到电容C；另一个回路是经LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C，如图2中虚线所示。在这个过程中，VTl、VT4电流逐渐减小，VT2、VT3电流逐渐增大。当t=t4时，VTl、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VTl、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。称为换流时间。因为负载电流io=iVT1-iVT2，所以io在t3时刻，即iVTl=iVT2时刻过零，t3时刻大于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VTl，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tq。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。

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uGl～uG4，晶闸管承受的电压uVTl～uVT4以及A、B间的电压uAB也都示于图2中。在换流过程中，上下桥臂的LT上的电压极性相反，如果不考虑晶闸管压降，则uAB=0。可以看出，uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍。在uAB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，Ld起到缓冲这种无功能量的作用。

5.单相电流型逆变电路实际工作

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tq，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。

6.电流型逆变器

（1）逆变器

根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形，可以把逆变器分成电压型逆变器（亦称电压源逆变器）和电流型逆变器（亦称电流源逆变器）。当逆变器的逆变功率P的脉动波形由直流电压来体现时，称之为电流型逆变器，直流电源是恒流源。

（2）电流型逆变器的特点

直流电源侧串联有较大的直流滤波电感Ld；当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流输出电流的波形与负载无关，交流输出电流的波形，通过逆变开关的动作，被直流电源电感稳流成方波；在逆变器中，与逆变开关串联有反向阻断二极管VD1～VD6，而没有反馈二极管，所以在逆变器中必须有释放换相时积蓄在负载电感中的能量的电路（通常用并联电容来吸收这一部分能量）；输出电压的相位随着负载功率因数的变化而变化，换相是在两个相邻相之间进行的；可以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流。

（3）电压型和电流型逆变器的比较

电压源型逆变器采用大电容作储能（滤波）元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，能将负载电压箝在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合于稳频稳压电源，不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器电流方向不变，可通过逆变器和整流器的工作状态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。

电流源型逆变器因用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率，过电流保护容易。电压源型逆变器输出电压稳定，一旦出现短路电流上升极快，难以获得保护处理所需时间，过电流保护困难。

采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流，负载构成换流回路的一部分，不接入负载系统不能运行。

电压源型逆变器必须设置反馈（无功）二极管来给负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源逆变器复杂。电流源型逆变器无功功率由滤波电感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。

二、结语

单相电流型逆变电路，由电流型直流电源供电，具有电流型逆变电路的一般特性。电路的输出电流i0为交变方波且与负载无关，输出电压u0的波形随负载而变，可双向传递功率。电流型逆变器的特征是直流中间环节用电感作为储能元件，由于有大电感抑制电流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间的要求比电压型低，电路相对电压型也较简单，造价略低。电流型逆变器能量的再生运行非常方便，因此在大容量的逆变器中，电流型逆变器仍然占有一定地位。