一种实用的大功率电流方波逆变电路

李守智  余健明  西安理工大学（西安  710048）

摘  要：本文介绍了一种大功率电流方波逆变电路。该电路在一般的电容换相型电流逆变电路的基础上，仅是通过引入一对转换晶闸管，就实现了“两电平” 和“三电平”的电流方波波形。并且电路简单实用，在实际应用中取得良好的使用效果。

关键词：大功率、电流型逆变 /“三电平”方波

The Practical Inverter Circuit Used for The High Power Current--Squarewave Generator

Abstract: This paper proposes a kind of inverter circuit used for the high power currunt-squarewave generator. Based on the Current Source Type Inverter with the capacitor commutation, only two commutation thyristors are used in the circuit to get the “two-level” and “three-level” current squarewave. Because the circuit is simple and practical, a good effect is obtained in practice.

Key word: high power; current source type inverter; “three-level” squarewave

1  引  言

在地下资源勘探作业中，如地下水勘探、石油勘探等，传统的勘探方法常采用所谓“地震法”，即在勘探地域用炸药人为造成一个“微型地震”，通过测取“地震波”，分析地下资源的性质及其分布。这种方法极大的花费人力、物力，应用范围也有限，因此，在许多场合已逐渐为“电法勘探”所代替。所谓电法勘探，就是在勘探区域向地下注入一定频率的“电流方波”，通过测取地质的电场反应来分析地下资源情况。

电法勘探进行地下勘探的关键是要有一个交流电流方波发生源。其特点是直流电压较高，功率较大，逆变电流波形要求较陡。逆变电流既可以正、负交替“两电平”工作，又可以有正、有零、有负“三电平”工作，但是频率要求不高（一般0～20Hz可调）。由于勘探是在野外作业，要求电源装置工作必须十分可靠。

本文介绍的这种电源电路，采用交-直-交变频方式。其逆变部分是在电容换相型晶闸管电流逆变电路的基础上，只增加了一对转换晶闸管，就实现了对逆变电流波形的功能要求，简单而实用。电源装置输出功率可达300kw（直流1500V/200A），电流方波前、后沿均小于1ms，0～20Hz频率可调，在吐哈、库尔勒等多处新油田勘探的实际使用中取得了良好的实用效果。

2  电源系统主电路

图1 示出该电源系统的主电路

由三相桥式可控整流（VT11～VT16）输出0～1500V的可调直流电压，以适应不同功率输出的需要。直流侧串联大电抗Ld，以保证电流型输出。VT21～VT24、VD21～VD24以及C2构成电容换相型电流逆变电路。VD02、R2、VT25、VT26以及C1实现电流波形“三电平”工作方式转换。由于电源直流电压较高，而逆变频率要求较低，并考虑到工作可靠度要求高、电流方波波形要求较陡等因素，故逆变电路开关元件均采用快速晶闸管。

3  电路工作原理及分析

若按图2所示规律对各开关元件实施控制，则可在负载上得到频率、宽度可调的“三电平”电流方波。如，在t0时刻同时触发VT21、VT24和VT26导通，负
载上电流iL为正向。此时C1上经VD02、R2充有左正右负电压。在t1时刻触发VT25导通，则C1上的电压反向施加给VT26，迫使其关断。C1放电，继而又反向充电，充电结束，负载断流。在t2时刻同时触发VT22、VT23和VT26导通，使负载电流反向，同时C1上的电压反向施加给VT25,迫使VT25关断，C1放电并正向充电。在t3时刻又触发VT25导通，迫使VT26关断，负载断流。依此类推，负载上可得到有正、有负、且有零的“三电平”电流方波。不难看出，改变t1~t2、t3~t4的时间间隔，即可改变电流方波宽度。改变t0~t2、t2~t4的时间间隔，即可改变负载上的交流电流方波频率。
电流从一种“电平”过渡到另一种“电平”，需要一定过程。以电流从“正电平”转换到“零电平”为例，当VT25触发导通后，C1给VT26施以反压，使其迅速关断，VT26的电流转移给C1。起初C1恒流放电，放电至VD02正偏时，VD02
导通流过电流i。此时等效电路如图3 所示，应满足：
Id Ld Id- i

电流从一种“电平”过渡到另一种“电平”，需要一定过程。以电流从“正电平”转换到“零电平”为例，当VT25触发导通后，C1给VT26施以反压，使其迅速关断，VT26的电流转移给C1。起初C1恒流放电，放电至VD02正偏时，VD02

导通流过电流i。此时等效电路如图3 所示，应满足：

                      （2）                      C1    Rq

     R12为计及R1、R2的等效电阻。           

整理（1）、（2）两式，并令：                 

   （Rq+R12）C1=Tc          （3）

可得：

               （4）

考虑到图3等效电路的初始值：

                   （5）

可求得（4）式的解为：

     （6）

式中

                 （7）

合适选择R1、R2、R3、C1，确定相应的 、 、 ，即可得到比较理想的转换效果。

4  实测波形及结论

根据上述原理制作的电法勘探用电源装置，电流方波的波形陡度<1ms，图4、图5是电流方波前、后沿的实测波形。

图4  电流上升沿实测波形                 图5  电流下降沿实测波形

在吐哈、库尔勒等地新油田勘探中的使用表明，电源装置的各项功能指标均满足电法勘探的使用要求，并且可靠耐用，应用效果良好。本电路对于高压大功率电流方波逆变也具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] Peng F Z. A generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing[J].IEEE Transactions on Industry Appication,2001,37(2)：611-618.

[2] Calais M,Agelidis V G,Meinhardt M. Multilevel Converters Single-Phase Grid Connected Photovoltaic System[J].Solar Energy,1999,66(5):325-335.

[3] Tolbert L M,Fang Zhengpeng.Multilevel Converters for Large Electric Drivers[J].IEEE Trans Appli,1999,35(1):1130-1137.

作者简介：

李守智  男,1953年生,副教授。研究方向为电力电子技术应用。

余健明  男，1956年生，教授。研究方向为电力电子及供用电技术。