周波變流器帶反電動勢負(fù)載時換相電流特性研究

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(海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033)

周波變換器能夠?qū)⒛骋活l率的交流功率直接轉(zhuǎn)換為另一頻率的功率而不需要中間的直流環(huán)節(jié)[1-2]。當(dāng)前半導(dǎo)體閘流管控制周波變換器已經(jīng)可以應(yīng)用在大功率中，如船舶螺旋槳電氣傳動裝置、電磁彈射器的高功率周波變流器、電力牽引、變頻調(diào)速、恒頻功率供給、交流系統(tǒng)的可控?zé)o功功率供給等[3]。如果輸入頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出頻率，而在二次回路又無感應(yīng)電動勢，那么輸出電壓可借助于供給每組(Ⅰ～Ⅵ)晶閘管一系列導(dǎo)通脈沖而形成。在電阻-電感負(fù)載情況下，在停止供給每組(Ⅰ～Ⅵ)晶閘管系列導(dǎo)通脈沖前，每組晶閘管必須工作在逆變狀態(tài)。逆變狀態(tài)時間由二次回路參數(shù)決定[4]。多相系統(tǒng)中，每相電流也如此。每相晶閘管導(dǎo)通脈沖之間的相位差決定了多相系統(tǒng)中相與相之間的相位差。當(dāng)周波變流器由標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz電網(wǎng)供電和由上述方法形成輸出電壓時，圖1中周波變流器輸出電壓的最高頻率為18 Hz。在36支開關(guān)管組成的周波變流器中，輸出電壓的頻率接近為30 Hz。在這種工作方式下，和輸入電壓頻率相比晶閘管輸出電壓的頻率較低。

如果在周波變流器的二次回路中存在電動勢源，如同步電動機(jī)和開關(guān)電機(jī)的感應(yīng)電勢或異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路感應(yīng)電動勢等，則在電動勢源的作用下可以實(shí)現(xiàn)電流換相。由此可見，如何換相很大程度上取決于傳動機(jī)構(gòu)的特性。有三種換相方法：①電網(wǎng)電壓作用下?lián)Q相；②電動機(jī)感應(yīng)電勢作用下?lián)Q相；③電網(wǎng)電壓和電動機(jī)感應(yīng)電勢同時作用下?lián)Q相。

本文只研究在電壓和感應(yīng)電勢同時作用下晶閘管的自然換相。不存在為保證人工換相而在電路中引入的其它元件(如電容、二極管及其它器件等)。

1 在電壓和感應(yīng)電勢同時作用下晶閘管的自然換相過程

因?yàn)楣╇婋娋W(wǎng)和中、大功率的電機(jī)通常都采用三相系統(tǒng)，因此討論3-3相周波變流器的電流換相過程(圖1a))。假設(shè)在初始瞬間晶閘管V1和V13開通。電路中流過負(fù)載電流IL。在下一個瞬時晶閘管V2開通。V1和V2之間的電流開始換相。換相電流的短路回路由虛線標(biāo)出。在感應(yīng)電勢的作用下在短路回路中開始流過短路電流ik1，該電流的方向與流過晶閘管V2的電流的方向一致，與晶閘管V1中電流方向相反。當(dāng)晶閘管V1中電流減小為0，而晶閘管V2中電流增大到等于負(fù)載電流時電流換相過程結(jié)束。

假設(shè)，換相回路中的電阻對換相回路中的電流影響不明顯。換相回路電感等于變壓器繞組漏電感與電抗器電感之和，此時短路電流等于[5]：

θ1

(1)

圖1 帶電抗器的周波變流器

式中：E1——一次電網(wǎng)感應(yīng)電勢(變壓器)；

Xa1——換相回路的電抗(一相)；

θ1——當(dāng)前換相角；

m1——相數(shù)。

當(dāng)t=0時，ik1=0，θ1=0；

在電動機(jī)感應(yīng)電勢作用下不同組晶閘管換相時換相電流ik2的回路見圖1b)。從V1流到V7的電流與從V1流到V2電流換相過程類似，此時的無功功率不是由電網(wǎng)輸入而是由電動機(jī)輸入。該回路短路電流為：

θ2

(2)

式中：E2——二次電網(wǎng)感應(yīng)電勢(電動機(jī))；

Xa2——換相回路的電抗(一相)；

θ2——當(dāng)前換相角；

m2——相數(shù)。

當(dāng)t=0時，ik2=0，θ2=0；

通常當(dāng)t=0時電流ik1、ik2不會同時出現(xiàn)。

由已知的α、β、γ角與換相電壓降落g之間的關(guān)系式可以確定換相角γ。

1) 整流工作狀態(tài)。

γ=arccos (cosα-2g)-α

(3)

式中：2g=2ILXa/U1

其中：U1——短路回路電壓；

IL——換相時的負(fù)載電流。

2) 逆變工作狀態(tài)。

γ=β-arccos (cosβ+2g)

(4)

逆變工作狀態(tài)時輸入和輸出電路中β、γ及g之間的關(guān)系見表1。

對于由變壓器供電的三相橋式電路：

g=0.5ek

(5)

式中：ek——變壓器短路電壓。

當(dāng)周波變流器由同步發(fā)電機(jī)供電，換相回路的電抗為

/2

(6)

當(dāng)周波變流器二次回路接開關(guān)電動機(jī)時換相回路電抗為

/2

(7)

當(dāng)周波變流器二次回路中存在繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，變流器工作在整流和逆變工作狀態(tài)時相對于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓降落為

(8)

式中：Xp——與轉(zhuǎn)子電壓頻率有關(guān)的轉(zhuǎn)子每相漏電抗；

Ip——轉(zhuǎn)子電流；

Uφp——轉(zhuǎn)子相電壓。

考慮到γ值較小和存在平波電抗，認(rèn)為在換相時轉(zhuǎn)子負(fù)載電流不變，即Ip=const。

當(dāng)一組晶閘管工作于整流狀態(tài)時，晶閘管的換相不會影響工作穩(wěn)定性。在逆變狀態(tài)時遵守逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時的約束：

βmin=γ+δ0 (9)

式中：βmin——最小超前角；

δ0——當(dāng)存在負(fù)載電流時考慮到相電壓過零點(diǎn)的相移而設(shè)置的角度裕量。

不滿足約束條件式(9)時會引起逆變顛覆從而影響其工作。

當(dāng)輸入頻率f1與輸出頻率f2的比值較大時：f1=50 Hz，f2=(8～10) Hz時，電機(jī)感應(yīng)電勢的值通常不大，因此它對換相過程的影響可以忽略，例如如果周波變流器被接到繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子上并且電動機(jī)工作在接近額定負(fù)載狀態(tài)時情況便如此。然而在這種情況下為保證電機(jī)的工作，必須由頻率傳感器信號、轉(zhuǎn)子相電壓或相電流信號來控制周波變流器[6]。

在不同的轉(zhuǎn)換電壓降落2g，逆變狀態(tài)時轉(zhuǎn)換角γ與超前角β之間的關(guān)系見圖2。逆變器的工作區(qū)域?yàn)榧?xì)線1～4之間，在它之外超前角較小，逆變器不可能額定工作，因?yàn)椴粷M足約束條件(5)。考慮到頻率傳感器和電機(jī)相電勢傳感器的精度，取δ=10～15°。

圖2 逆變狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換角γ與超前角β之間關(guān)系

為了便于比較，將整流狀態(tài)時換相角與控制角α之間的關(guān)系(當(dāng)α=0時各種γ0)示于圖3。

圖3 整流狀態(tài)時控制角α與換相角γ關(guān)系

(10)

式中：γ0——當(dāng)α=0時的轉(zhuǎn)換角，

由此可見，對于某個確定負(fù)載電流來說,換相電壓降落g與控制角α無關(guān)。

通常在周波變流器中使用6繞組的電抗器，該電抗器可以放置在如下位置。① 周波變流器的輸入端(圖1a))；②周波變流器的輸出端(圖1b))；③周波變流器的輸出端、輸入端(圖1c))。

還可以安放兩個6繞組的電抗器或一個12繞組的電抗器。本周波變流器圖中6繞組電抗器的功能與整流器中直流電路中電抗器功能相同，即①平抑負(fù)載電流的脈動；②短路保護(hù)；③當(dāng)周波變流器的工作不正常時可以限制周波變流器電流。

2 電抗器繞組電感

換相回路中接入電感的感抗不應(yīng)當(dāng)使晶閘管的換相角明顯增大。在短路的換相回路中應(yīng)當(dāng)只有兩個繞組的漏電抗(2L0)，因?yàn)檫@些繞組磁通在電感鐵芯中相互抵消。在非換相時期，兩繞組中負(fù)載電流產(chǎn)生的磁通在電感鐵芯中是相加的，使電流平滑。電抗器繞組電感為

L=Lμ+L0

(11)

式中：Lμ——電抗器鐵芯中的磁通所產(chǎn)生的電感；

L0——電抗器繞組的漏磁通所產(chǎn)生的電感。

忽略漏磁通所產(chǎn)生的繞組間的互感。

研究換相過程鑒整流電路中的處理方法，即認(rèn)為Lμ→∞。Lμ的實(shí)際值大小不是由一個繞組確定的而是由幾個繞組共同確定的。同一個電抗器其輸入端與輸出端電感值與電路的連接形式有關(guān)，見表2。

表2 電抗器電感值的確定

當(dāng)輸出電路存在感應(yīng)電勢時，同一個周波變流器相對于其輸入和輸出電路來講，其電路結(jié)構(gòu)完全相同，可以用類似的表達(dá)式來描述其換相過程，如式(1)、(2)。這兩個關(guān)系式的差別僅僅只是參數(shù)不同：變壓器參數(shù)還是電機(jī)參數(shù)及在換相回路中有無電感。因此變壓器或電機(jī)既可位于周波變流器的輸出端也可位于輸入端。電抗器亦如此。

圖1a)中周波變流器的另一種等效形式見圖4。晶閘管的編號不變，但晶閘管不是按電動機(jī)的相序連接而是按供電網(wǎng)的相序連接。對于一次回路和二次回路的換相電流，周波變流器相對于供電電網(wǎng)和輸出電網(wǎng)來說其特性一樣。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)在負(fù)載電路中存在感應(yīng)電勢(開關(guān)電機(jī)、繞線式異步電機(jī))時，描述自然換相晶閘管周波變流器換相過程的基本關(guān)系式對于供電電網(wǎng)和輸出電網(wǎng)來說有相同的形式。

圖4 圖1a)的等效圖

2) 當(dāng)電機(jī)工作于電動機(jī)狀態(tài)時根據(jù)電網(wǎng)頻率確定換相角，當(dāng)電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率確定換相角。

3) 調(diào)節(jié)電動機(jī)可以起到調(diào)節(jié)換相回路電抗的作用，導(dǎo)出的關(guān)系式可以確定晶閘管導(dǎo)通的超前角。

[1] MAAMOUN A.Development of frequency converters[C]//Canadian Conference on Electrcal and Computer Engineering,2003.IEEE CCECE 2003.Vol.1,4-7 May 2003,521-524.

[2] AGRAWAL J P.Power electronic systems theory and design[M].Beijing:Press of Tsinghua University,2001.

[3] 戴喜亮.周波變換器-同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J]．內(nèi)蒙古電力，1990(4):91-100.

[4] 陳 堅.電力電子學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[5] 黃 俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[6] 馬憲民.電動汽車高頻環(huán)周波變換器的分析研究[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2002,21(5):616-618.