[实用新型]一种短路自保护可控硅单相逆变器

说明书

本实用新型属于可控硅变流技术领域。

可控硅（SCR）变流技术已经广泛地应用在各种电源设备中，进行直流、交流、电压、电流、和频率变换。图一是一种可控硅单相逆变器，按照换流电容和负载的联接方式，它使用了并联换流电容④和串联换流电容⑨，一般称为串并联混合式逆变器。

这种逆变器的主要工作原理如下。整流后的直流电压被两个二分之一滤波电容①和②分压，分别作为上回路和下回路的恒压源；上回路可视为，滤波电容①  换流电感③，快速熔断器⑦，SCR（11）和续流二极管⑩，并联换流电容④和串联换流电容⑨与负载变压器⑤；下回路可视为，滤波电容②  换流电感⑥，快速熔断器⑧，SCR（13）和续流二极管（12），并联换流电容④和串联换流电容⑨与负载变压器。逆变器工作时，SCR（11）和SCR（13）交替导通。合理选择换流电感，换流电容，负载变压器变比，和SCR参数，可以实现直流——交流的电压、电流和频率变换。若需直流输出，在变压器⑤的副边接入整流电路可得。这种递变器的主要特点有，SCR主回路自然换流，没有强迫关断回路，使用元件较少；同时具备并联逆变器不怕负载开路和串联逆变器不怕负载短路的优点，特别适合于动态变化的容性负载，例如各种电火花加工用脉冲电源和脉冲固体激光电源。

这种逆变器存在一个不可克服的缺陷，即偶发的随机因素致使上下两回路的SCR同时导通，导致SCR的过流损坏和逆变器前方整流器件的过流损坏。虽然可以合理设计回路元件参数，但要精确计算实用整机中的全部分布参数是很困难的，给电路实际运行调试带来了许多困难。另外，当逆变器工作于高电压，大电流，高重复频率条件之下，强烈的电磁辐射和干扰随时可能导致上下两回路的SCR同时导通。与SCR并联阻容吸收元件是一种防范措施，这只能减小SCR过电压引起的误导通的可能性，对已经导通的SCR无过流保护作用。另一保护措施是在主回路中接入断路装置。常用的有快速熔断器，动作时间20毫秒，特点是简单实用，过流保护后需停机接入新的熔断器，快速熔断器造价较高，是普通熔断器价格的几十倍。在大型逆变器中，可以采用直流快速开关（约30ms分断），或采用电子电路过流保护（约10ms分断），但是直流快速开关造价高，电子电路保护线路复杂，对保护线路本身的可靠性，稳定性要求更高。

为从根本上克服上述逆变器中两个SCR非正常连通导致的过流损坏，本实用新型设计出一种改进型电路，在原有元件和电路基础上，增加了一个电容和一个泄放电阻，接线稍作改动，仍然保留了这种逆变器线路简单，自换流关断，适于容性变化负载等特点。

改进后的电路如图二所示，接入一个隔直电容14和一个泄放电阻15。隔直电容14能够起到两个作用，首先是隔开了上下两个SCR直流连通回路，其次是充许逆变器正常工作的交变电流通过。泄放电阻15也能起两个作用。首先是限制了上下两个SCR连通最大电流，其次是泄放由于上下回路参数不对称在电容15上逐步积累的直流偏置电压。

分析该电路可以看出，当上回路SCR正常工作导通时，电容14与电容⑨的串联等效电容，起着原来的串联换流电容的作用。当下回路SCR正常导通时，电容14与电容④的串联等效电容，起着原来并联换流电容的作用。如果选择电容器14的数值远远大于电容⑨和电容④的数值，可以认为电容14串接电容⑨近似等于电容⑨，电容14串接电容④近似等于电容④，这样便起到切断两个SCR直流连通回路和满足逆变器基本工作参数。由于接入电容14后，将在该电容上逐渐积累一个上正下负的直流偏置电压，并联泄放电阻15可以消除这个直流偏置电压。选择电阻15的数值应满足两点，一是电容14与电阻15的时间常数RC尽量小于逆变器工作周期，二是根据SCR的额定电流I，逆变器前方直流电压E，使电阻15的数值R＞ (E)/(I) 。这样，即使偶然随机因素导致上下两个SCR连通，仍有电阻15限制连通最大电流，不使SCR过流损坏。

这种逆变器使用于变化容性负载的典型是脉冲电容器储能网络，如固体激光器的闪光灯泵浦电源和电火花加工用脉冲电源等。图三是一幅脉冲固体激光电源主要原理示意图。脉冲固体激光器一般采用闪光灯泵浦，泵浦能量由脉冲电容器提供，逆变器中变压器⑤的副边接整流桥16，对脉冲电容17充电储能，电容17和电感18构成的脉冲成形网络（PFN）经放电可控硅开关19，点亮闪光灯20。当逆变器给电容17充电时，可控硅19关断。当可控硅19开通，闪光灯20点亮时，逆变器停止充电。逆变器中的SCR（11）和13选用快速开关可控硅时，逆变器的工作频率可达10KHz。由变压器公式可得，同样额定功率时，工作频率提高时，铁芯或磁芯体积和线圈绕组匝数都减少，对于几千瓦输出的大功率脉冲变压器，使用在10KHZ工作频率时，变压器的重量、体积，成本都很大程度地减少，因此电源整机的各项指标均能提高。