无源逆变电路介绍

在实际应用的电源系统中，有时需要把交流电转换成直流电供负载使用；有时则相反，要求把直流电转换成交流电供负载使用。这种把直流电变回交流电的过程，就是逆变，具有这种功能的电路称为逆变电路。当交流侧接在电网上时，称为有源逆变；而交流侧直接和负载连接时，就是无源逆变。
无源逆变经常和变频的概念联系在一起。把某种固定频率的电能变换成为一种固定频率或可调频率的电能称为变频：这种变换通常有两种方法：一种是先把交流变成直流，然后再把直流变换成同定或可调频率的交流。这种通过中间直流环节的变频方法叫做间接变频，或称交-直-交变频。另一种是不通过中间直流环节而直接实现变频的方法，叫做直接变频，或称交一交变频。
1 无源逆变电路
1.1 逆变电路的工作原理
单相桥式逆变电路如图1a所示。S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u_O为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，u_O为负。这样，直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率可改变输出交流电频率。接电阻性负载时，负载电流i_O和u_O的波形相同，相位也相同。接电感性负载时，i_O滞后于u_O，波形也不同，如图1b所示。
如图1b所示，t1时刻前，S1、S4闭合，u_O和i_O均为正；t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，u_O变负，但i_O不能立刻反向，i_O从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，i_O逐渐减小，t2时刻降为零，之后i_O才反向并增大。  上述是在理想状态下的分析，实际电路的工作过程要复杂得多。
如上所述，在t1时刻出现了电流从S1到S2以及从S4到S3的转移。电流从一臂向另一臂顺序转移的过程称为换相，通常也把换相叫换流。逆变电路中的开关器件在一定的外部电压条件和适当的门极驱动信号下，就可使其开通。全控型器件可通过门极关断；半控型器件必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后要施加一定时间反向电压才能使之关断。
需要说明的是，换相并不是无源逆变中独有的概念，在整流、斩波等电路中一样有换相的问题，只是在无源逆变中，换相及换相方式的问题较为全面和集中。
通常，研究逆变电路换相方式主要是研究如何使器件关断。换相方式可分为以下几种：
(1) 器件换相
器件换相方式是利用全控型器件的自关断能力进行换相的，在采用电力晶体管、GTO晶闸管、MOSFET等自关断器件的电路中所采用的换相方式即为器件换相。
(2) 电网换相
由电网提供换相电压的换相方式称为电网换相。电网换相电路，如可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交-交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。但电网换相方式不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
(3) 负载换相
由负载提供换相电压的换相方式称为负载换相。在负载电流相位超前于负载电压的场合，即可实现负载换相。另外，负载为电容性负载或同步电动机时，可实现负载换相。
基本的负载换相逆变电路如图2a所示。由晶闸管构成4个桥臂，电阻、电感串联后再和电容并联后作为负载接入，电容的接入可改善负载的功率因数，使负载呈现容性。在直流侧串入大电感Ld，使得工作中id基本没有脉动。 图2b为电路的波形。由于直流侧接有大电感，4个臂的切换仅使电流路径改变，所以负载电流基本呈矩形波。又因负载是并联谐振型负载，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，所以u_O波形接近正弦波。假设t1时刻前VT1、VT4导通，VT2、VT3关断，uo、io均为正。在t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。
(4)电容换相
设置附加的换相电路，由换相电路内的电容提供换相电压的换相方式称为电容换相。通常也把电容换相称为强迫换相或脉冲换相。
1)直接耦合式电容换相：由换流电路内电容提供换相电压VT通态时，先给电容C充电，合上S就可使晶闸管被施加反向电压而关断。通过这种方式的换相也叫电压换相。直接耦合式电容换相的原理图如图3所示。 2) 电感藕合式强迫换相：通过换相电路内电容和电感耦合提供换相电压或换相电流。电感耦合式电容换相的原理图如图4所示。 图4a是晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断的电容换相原理图，而图4b是晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断的电容换相原理图，两图中电容C的电压极性不同。在图4a中，接通S后，由于LC振荡电流与晶闸管中电流反向，所以迅速抑制晶闸管中的电流，直到正向电流减至零后再流经二极管。而图4b中正好相反，由于LC振荡电流与晶闸管中电流同向，所以先于负载电流叠加流过晶闸管，直到正向电流减至零后再流经二极管。在这两种情况下，那是在晶闸管的正向电流变为零和二极管开始工作时晶闸管关断，二极管的管压降才是晶闸管的反向电压。通过这种方式的换相也叫电流换相。
上述换相方式中，除器件换相只适用于自关断器件外，其余3种方式都是针对晶闸管的。器件换相和电容换相都是因自身的原因而换相的，属于自换相，采用自换相方式的逆变器称为自换相逆变器。电网换相和负载换相是借助于外力而换相的，属于外部换相，采用外部换相方式的逆变器称为外部换相逆变器。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通变为零，则称为熄灭。