感应加热炉及电源设备工作原理（八）

4.2、串联逆变电路的换流过程

在串联逆变电路的结构条件下，负载电路工作时，与并联逆变电路不同的是，桥臂元件交替导通过程中，桥臂SCR元件的导通角小于180o，SCR元件导通角的补角范围内是反向二极管导通时间。串联逆变电路的换流过程见图7。

SCR串联逆变电路的正弦波电流超前于电压。换流过程中，振荡电流过零时，SCR元件自然关断，反向二极管自然导通。SCR元件触发导通时，是负载电压换向点，而负载电流方向虽不改变，但在桥路上却由反向二极管导通转变成SCR元件导通。以下按时序分析：

在A时刻之前，SCR2、SCR4导通，振荡电流方向为负（与图中Ia方向相反），A时刻之后，振荡电流反向，故D2、D4导通（振荡电流反向后强迫D2、D4导通），电流流向为：从负载右端出发，经D2、L2向滤波电容反向充电后，经L4、D4回到负载左端。

在AB区间，SCR1、SCR3承受正向电压。

到B时刻，触发SCR1、SCR3，出现换流过程：电流从滤波电容正极性端出发，经L1、SCR1、负载电路、SCR3，回到滤波电容负端。此过程中，负载电流方向没有变化，滤波电容的电流方向变了（从吸入电流变为供出电流）。同时，由于SCR1、SCR3触发导通，B点之前负载电路与电源的电位跨接状态是左侧与电源负端联接，右侧与电源正端联接；B点后变为负载电路的左侧与电源正端联接，右侧与电源负端联接；故中频电压的方向在B点发生改变（由负变正）。

在C、D点电路工作状态的转变方式同前。

由上述分析可见，在一个周期时间内，SCR元件和反向二极管是交替导通的，在振荡电流过零点，SCR元件自然关断，反向二极管自然导通。且只有在反向二极管导通后，对角桥臂的SCR元件才有导通条件。

在SCR元件触发后的换流过程中，是强迫换流过程，即此时的振荡电流已为较大值，从反向二极管转到SCR元件。

上述换流过程中，在AB区间和CD区间，是负载能量返回到滤波电容的过程；在BC区间和DA区间，是滤波电容向负载输送能量的过程。如果推迟触发时间，扩大AB区间和CD区间的角度，甚至使AB区间和BC区间趋于相等，即负载的输入能量和反馈能量相差无几时，负载振荡就会削弱，振荡电压就会降低，负载的平均功率也会减小。

串联逆变电路的上述特性奠定了调节换流角来改变运行功率的理论基础，故不需调节直流电压成为串联逆变电路的重要优点。

上述分析可见，先前导电的SCR元件在振荡电流过零点关断，此后反向二极管导通；如果待开通元件提前触发，先前导电元件还未恢复阻断能力，也会发生桥臂直通短路故障。故此应确保换流时间大于SCR元件的关断时间。

串联逆变电路中，直流电源以电压源的形式向负载电路传输能量，基本关系式（3）和（4）所显示的关系在串联逆变电路仍然成立。不同的是，式（3）中的Ua是方波电压的基波有效值，且有Ua=0.9Ud的关系，故用（3）、（4）导出：

Ia=1.1Id/cosΦ （6）

式（6）给出了全桥串联逆变电路中，中频电流与直流电流的关系。由于串联逆变电路允许在较大的换流角条件下运行，当换流角为75o时，中频电流有效值可为直流电流的4.25倍。

由于负载电流超前于电压，串联逆变电路的运行特性为容性，工作频率低于谐振频率，电容电压高于电感（负载）电压。

串联逆变电路中，负载电压可在很宽的范围内变化，一方面，随着换流角减小，电路越接近谐振状态，负载电压也越高。中频电压有效值可由下式近似计算。

Ua=0.9Ud*Q*cosΦ （7）

式中：Q---负载电路的品质因数

上式说明，负载电压与负载电路的Q值和换流角相关。

由于负载电路的Q值较高，使相同进线电压下的串联逆变电路负载电压远高于并联逆变电路的负载电压，过高的负载电压使安全运行的可靠性降低，也使熔炼炉的结构耐压条件恶化。故当前熔炼负载使用的串联逆变电路多为半桥式结构，在相同的进线电压条件下，半桥电路结构的负载电压仅为全桥结构负载电压的一半。