换流方式分类简介

在逆变电路工作过程中，电流会从S1到S2、S4到S3转移。电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同，全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。由于使器件关断，尤其是使晶闸管关断要比使器件开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

应该指出，换流并不是只在逆变电路中才有的概念，在前面各章的电路中都涉及换流问题。但在逆变电路中，换流及换流方式问题最为集中。

（1）器件换流。利用全控型器件（GTO、GTR、IGBT 等）的自关断能力进行换流（Device Commutation）。

（2）电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交－交变频电路中的换流方式都是电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

（3）负载换流。由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。即负载为电容性负载时，可实现负载换流。

图5－2（a）所示是基本的负载换流逆变电路，采用4 个晶闸管，其负载为电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld，使id基本没有脉动。

图5－2　负载换流逆变电路及其工作波形

（a）电路；（b）波形

电路的工作波形如图5－2（b）所示。4 个臂开关的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，则uo波形接近正弦。

t<t1时，VT1、VT4导通，VT2、VT3关断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo。

t＝t1时，触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。(www.xing528.com)

触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。

从VT2、VT3到VT1、VT4的换流过程和上述VT1、VT4到VT2、VT3的换流过程类似。

（4）强迫换流。设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。强迫换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。

在强迫换流方式中，由换流电路内电容提供换流电压称为直接耦合式强迫换流。其原理如图5－3所示。晶闸管VT 通态时，先给电容C 按图5－3所示极性充电。合上S 就可使晶闸管被施加反压而关断。

图5－3　直接耦合式强迫换流原理

通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流称为电感耦合式强迫换流。

图5－4所示为两种电感耦合式强迫换流原理。图5－4（a）中晶闸管在LC 振荡第一个半周期内关断。图5－4（b）中晶闸管在LC 振荡第二个半周期内关断。因为在晶闸管导通期间，两图中电容所充的电压极性不同。在图5－4（a）中，接通开关S 后，LC 振荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT 的负载电流相减，直到VT 的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。在图5－4（b）中，接通开关S 后，LC 振荡电流先正向流过VT并和VT 中原有负载电流叠加，经半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，直到VT 的合成正向电流减至零后再流过二极管VD。在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断。二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。

图5－4　电感耦合式强迫换流原理

给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流叫电压换流（图5－3）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5－4）。

上述换流方式中，器件换流适用于全控型器件，其余方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流都是因为器件或变流器自身的原因而实现换流的，属于自换流；电网换流和负载换流不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部手段（电网电压或负载电压）来实现换流的，属于外部换流。采用自换流方式的逆变电路称为自换流逆变电路，采用外部换流方式的逆变电路称为外部换流逆变电路。