逆变电路换相方式分析

电路在工作过程中，电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换相，换相也常称为换流。在换相过程中，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，换相方式可分为以下几种：

1.器件换相

利用全控型器件的自关断能力进行换相称为器件换相（Device Commutation）。在采用IGBT、IEGT、P-MOSFET、IGCT等全控型器件的电路中，其换相方式即为器件换相。

2.电网换相

由电网提供换相电压称为电网换相（Line Commutation）。对于可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换相的，都属于电网换相。三相交流调压器和采用相控方式的交-交变频电路中的换相方式也都是电网换相。在换相时，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。这种换相方式不需要器件具有门极关断能力，也不需要为换相附加任何元件，但是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称为负载换相（Load Commutation）。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换相。当负载为电容性负载时，即可实现负载换相。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换相。

图2-3a为采用负载换相方式的并联谐振式逆变电路，负载为阻感串联后和电容并联，工作于接近并联谐振状态而略呈电容性。直流侧串入大电感使直流输出电流平直，负载电流呈矩形波。

如图2-3b所示，设在t₁时刻前VT₁、VT₄为通态，VT₂、VT₃为断态，u_o、i_o均为正。在t₁时刻触发VT₂、VT₃使其开通，负载电压u_o通过VT₂、VT₃分别反向加在VT₁、VT₄上，使其关断，负载电流就从VT₁、VT₄分别转移到VT₃、VT₂上，实现换相。从VT₂、VT₃向VT₁、VT₄换相的过程和上述情况类似。

4.强迫换相

强迫换相需要设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换相方式称为强迫换相（Forced Commutation）。强迫换相可使输出频率不受电源频率的限制，但需附加换相电路，同时还要增加晶闸管的电压、电流定额，对晶闸管的动态特性要求也高。

图2-4中，由电容器直接提供换相电压的方式为直接耦合式强迫换相，预先给电容充上图示极性的电压，如果合上开关S，晶闸管就被施以反向电压而关断。(www.xing528.com)

图2-5中，通过换相电路内的电容和电感的耦合来提供换相电流或换相电压的方式，称为电感耦合式强迫换相。预先给电容充上图示极性的电压，合上开关S，LC振荡电流将反向流过晶闸管VT，使VT的原工作电流不断下降，直到VT的电流减小到零后，负载电流全由电容C提供，VT被施以反向电压而关断。

图2-3 采用负载换流方式的并联谐振式逆变电路及其工作波形

a）并联谐振式逆变电路 b）工作波形

图2-4 直接耦合式强迫换相原理图

图2-5 电感耦合式强迫换相原理图

上述四种换相方式中，器件换相只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。器件换相和强迫换相都是因为器件或变换器自身的原因而实现换相的，二者都属于自换相；电网换相和负载换相不是依靠变换器自身因素，而是借助于外部手段（电网电压或负载电压）来实现换相的，它们属于外部换相。采用自换相方式的逆变电路称为自换相逆变电路，采用外部换相方式的逆变电路称为外部换相逆变电路。

在晶闸管时代，换相技术十分重要，但是，到了全控型器件时代，换相技术就不重要了。当今，强迫换相方式已停止应用，仅负载换相方式还有一定应用，如负载为同步电动机时，通过控制励磁电流使负载呈现容性，可以实现负载换相。