一種換流器件較少的三相SCR逆變器強(qiáng)迫換流機(jī)理研究

單潮龍，張學(xué)鋒，汪小娜

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一種換流器件較少的三相SCR逆變器強(qiáng)迫換流機(jī)理研究

單潮龍，張學(xué)鋒，汪小娜

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

研究了一種某型裝備的新型電流型三相晶閘管逆變電路（SCI），其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用電容放電來(lái)改變各相支路電流實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫，強(qiáng)迫換流器件較少。通過(guò)狀態(tài)空間建模分析了通過(guò)電容放電實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流的機(jī)理，研究表明，該SCI是由電容電壓放電改變各相負(fù)載電流來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流，相對(duì)于其它類型的SCI，具有強(qiáng)迫換流器件較少、強(qiáng)迫換流不受SCI輸入電壓值影響的優(yōu)點(diǎn)。

三相逆變電路 可控硅 強(qiáng)迫換流

0 引言

三相SCI由于SCR關(guān)斷特性的限制而只能實(shí)現(xiàn)較低頻的PWM控制，當(dāng)采用具有高頻關(guān)斷特性的自關(guān)斷器件時(shí)可實(shí)現(xiàn)高頻PWM調(diào)制。但對(duì)于大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速，由于自關(guān)斷器件在電壓電流容量上還不能滿足大容量交流電機(jī)調(diào)速的要求[1]，三相SCR逆變器仍占據(jù)著相當(dāng)大的應(yīng)用份額。因?yàn)镾CR無(wú)法自關(guān)斷，所以三相SCI結(jié)構(gòu)要比其他類型的三相逆變器復(fù)雜，如文獻(xiàn)[2]研究的驅(qū)動(dòng)無(wú)整流子串聯(lián)電機(jī)的負(fù)載換流SCI，就存在強(qiáng)迫換流器件較多的問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]研究的SCI結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，文獻(xiàn)[4]研究了一種諧波較小的4開關(guān)3相IGBT逆變器，文獻(xiàn)[5]采用Simulink分析了一種電壓型逆變器負(fù)載電流失真最小化的空間矢量調(diào)制方法，由于研究對(duì)象不同，這些研究只有一定的參考價(jià)值。本文應(yīng)用狀態(tài)空間建模法研究一種某裝備中使用的電流型SCI的強(qiáng)迫關(guān)斷機(jī)理，相對(duì)于其它類型的SCI，該SCI是由電容電壓放電改變各相負(fù)載電流來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流，具有強(qiáng)迫換流器件較少、強(qiáng)迫換流不受SCI輸入電壓值影響的優(yōu)點(diǎn)。

1 一種強(qiáng)迫換流器件較少的電流型三相SCI原理分析

如圖1所示為某裝備使用的一種強(qiáng)迫換流器件較少的電流型三相SCI電路，其主要元件有：可控硅VS1~VS6、平波電抗L1、電容C1，圖中未標(biāo)SCR工作所需的輔助元件。輔助關(guān)斷的元件由電容C1VS7、VS8組成，用于強(qiáng)迫關(guān)斷的元件只有3個(gè)，相比電壓型串聯(lián)電感式SCI和電流型串聯(lián)二極管式三相橋式SCI所用的元件少得多，其中VS9用于電容C1初始充電，正常工作時(shí)不參與工作。

SCI電路工作時(shí)，按一定的順序依次強(qiáng)制開通VS1~VS6，其順序由控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)確定，由此提供三相交流電流給電機(jī)各繞組。在SCI工作期間，共有六個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔和六個(gè)不轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔。在不轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔內(nèi)，回路主電流流經(jīng)兩個(gè)主SCR和各自電機(jī)相繞組。在轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔內(nèi)，主SCR中的一個(gè)截止，另一個(gè)開通，而這兩個(gè)SCR分屬于陽(yáng)極組或陰極組，兩極組輪流交替工作。

SCR的強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換采用以電容放電為主的輔助強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換電路，由電容和用于關(guān)斷的SCR串聯(lián)組成。其中陽(yáng)極組主SCR VS1、VS3、VS5的強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換由VS7實(shí)現(xiàn)，它與實(shí)際開通的SCR和以所需極性預(yù)充電的電容及各自的相繞組串聯(lián)連接。研究發(fā)現(xiàn)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)主SCR到換流SCR的電流轉(zhuǎn)換，要求電容必須滿足以下要求:①電容值必須足夠大，電容放電能力必須滿足儲(chǔ)存在相繞組上的能量消耗，并且能產(chǎn)生一個(gè)在關(guān)斷SCR恢復(fù)時(shí)間內(nèi)施加于關(guān)斷SCR的反電壓；②電容初始充電電壓值必須高于由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的相繞組電壓。

圖1 SCI簡(jiǎn)化電路原理圖

圖2 SCI某個(gè)階段工作電路

在強(qiáng)迫換流期間，先觸發(fā)導(dǎo)通VS7使電容放電，電流從VS7和電容C1中流過(guò)，然后通過(guò)觸發(fā)導(dǎo)通另一個(gè)來(lái)自陽(yáng)極組的主SCR使得主回路電流續(xù)流，使相應(yīng)相中的電流增大并使電容C1的電壓極性改變，并在VS7的電流下降期間繼續(xù)上升，直到VS7關(guān)斷時(shí)電容C1的電壓充到最大值，這時(shí)強(qiáng)迫換流完成。為此，電容C1充電電壓的極性必須相對(duì)于前一狀態(tài)不變，且充電電壓必須在主SCR陰極組提供下充電。陰極組VS2、VS4、VS6和VS8的強(qiáng)迫過(guò)程與上述過(guò)程類似。這種強(qiáng)迫換流的優(yōu)點(diǎn)是由電容電壓放電來(lái)改變相繞組的電流，而且由于直流側(cè)大電感L1的穩(wěn)流作用，強(qiáng)迫換流受SCI的直流輸入電壓變化的影響很小。下面通過(guò)狀態(tài)空間建模來(lái)具體分析該SCI電容電壓放電式強(qiáng)迫關(guān)斷的機(jī)理。

2 SCI的狀態(tài)空間建模及Matlab編程

考慮電路工作的某個(gè)階段，VS1、VS6導(dǎo)通，VS3截止，如圖2所示，且設(shè)電容C1已經(jīng)充有左正右負(fù)方向的電壓，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流，可以先觸發(fā)VS7使VS1關(guān)斷，而后觸發(fā)VS3導(dǎo)通。為簡(jiǎn)化分析，這里忽略反電勢(shì)A、B、C（仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)忽略反電勢(shì)對(duì)于強(qiáng)迫關(guān)斷機(jī)理的分析無(wú)影響），得到圖3所示的簡(jiǎn)化等效電路。圖中標(biāo)出了通道電流，相電流a(t)，b(t)，c(t)(=(t))，其中C相負(fù)載電感計(jì)入s即s=c+1，C相負(fù)載電阻計(jì)入s即s=c+d，d為電源內(nèi)阻，a、b、Rc分別為A、B、C相負(fù)載電阻，VS7為可控硅電阻，VS1、VS3、VS6的電阻分別記入電阻a、b、S中考慮。

圖3 圖2的簡(jiǎn)化等效電路

列寫電路方程如下

輸出方程為

初始條件為：

由于SCR關(guān)斷的時(shí)間較長(zhǎng)，采用把關(guān)斷的SCR看成一個(gè)簡(jiǎn)單的大電阻建模進(jìn)行分析誤差較大[6]，因此關(guān)斷模型需要考慮過(guò)渡過(guò)程，采用如圖4所示的可變電阻模型，關(guān)斷時(shí)間選取典型值100 μs，斷態(tài)電阻為1 MΩ，其數(shù)學(xué)表示式為

又由于SCR導(dǎo)通時(shí)間很短，僅為關(guān)斷時(shí)間的1/10，因此忽略導(dǎo)通過(guò)渡過(guò)程，將導(dǎo)通的SCR采用很小的電阻建模，這里選取導(dǎo)通時(shí)電阻為1 mΩ。

其他參數(shù)為1=11.2 mH，a=b=c=161 μH，S=0.387 Ω，a=b=c=7 mΩ，d=550 V，s=11.36 mH，1=410 μF，d=0.28 Ω，系統(tǒng)輸入功率約為700 kW。

設(shè)VS1、VS6、VS7在=0時(shí)導(dǎo)通，電路開始工作，在t=0.6 μs時(shí)電路強(qiáng)迫換流即VS3觸發(fā)導(dǎo)通，仿真程序采用Matlab語(yǔ)言編程，程序框圖如圖5所示。應(yīng)用解剛性方程的ode15s算法求解狀態(tài)方程，其中ode仿真參數(shù)為：

options = odeset('AbsTol', 1e-6, 'RelTol', 1e-3)其中，相對(duì)容差取典型值10-6，絕對(duì)容差取典型值10-3，設(shè)定仿真時(shí)間為1 ms，VS3觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)電阻設(shè)為VS3+b=8 mΩ。

圖5 Matlab程序框圖

3 SCI仿真結(jié)果及電容電壓放電式強(qiáng)迫關(guān)斷特點(diǎn)分析

通過(guò)仿真計(jì)算，得到的主SCR電流VS3，VS5和相電流a，b波形、電容C1電壓的波形如圖6所示，與圖7所示的實(shí)測(cè)波形一致?？梢?，當(dāng)= 0時(shí)，VS7觸發(fā)導(dǎo)通，電容C1開始放電，VS1上流過(guò)的電流開始減少，直到= 0.28 ms時(shí)完全關(guān)斷，約在=0.42 ms時(shí)，電容放電結(jié)束，開始反向再充電，隨后在= 0.6 ms時(shí)，VS3開始觸發(fā)導(dǎo)通，其上電流迅速上升，而電容繼續(xù)充電，當(dāng)= 0.83 ms時(shí)，電容電流減小到0時(shí)VS7關(guān)斷，充電結(jié)束，為下次放電做好準(zhǔn)備，VS3上電流達(dá)到最大值，此時(shí)換相結(jié)束，即電容電壓放電式強(qiáng)迫關(guān)斷過(guò)程的一個(gè)換流過(guò)程需要約0.83 ms。

仿真得到的直流側(cè)電流(t)、電容C1電流如圖8所示。可見，在換相過(guò)程中，()基本保持不變，即實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)換相，屬電流型逆變器，由此可見，前述的電容電壓放電式強(qiáng)迫關(guān)斷可以有效地工作，其特點(diǎn)是由電容電壓放電改變各相負(fù)載電流來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流，且這種強(qiáng)迫換流不受輸入電壓值變化影響。

圖6 iVS3，iVS5、ia，ib和uC1仿真波形

圖7 iVS3，iVS5、ia，ib和uC11實(shí)測(cè)波形

4 結(jié)論

從前面分析結(jié)果來(lái)看，可得如下結(jié)論：

1) 所推導(dǎo)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型和編制的仿真程序是正確的；

2) SCI在控制脈沖控制下，每次2個(gè)可控硅導(dǎo)通，并在換流可控硅作用下關(guān)斷換流，輪流導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)換相，說(shuō)明這種電容電壓放電式強(qiáng)迫關(guān)斷逆變器可以有效工作；

3) SCI的強(qiáng)迫換流不受輸入電壓值變化影響，且相比其他類型的SCI，文中所述的SCI具有強(qiáng)迫換流器件較少的優(yōu)點(diǎn)。

4) 以上仿真中RC緩沖吸收電路參數(shù)選的較大，實(shí)際電路中較小，經(jīng)實(shí)際仿真比較發(fā)現(xiàn)，這會(huì)造成每相電流增大時(shí)有一個(gè)電流尖刺（電流突然增大），電流尖刺的大小受緩沖吸收電路的參數(shù)影響很大，增大RC緩沖吸收電路的值，可以減小尖刺的幅值。

圖8 直流側(cè)電流i(t)、電容C1電流

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Study on the Compelling Commutation Mechanism of a SCR 3-phase Inverter with Less Commutation Elements

Shan Chaolong, Zhan Xuefeng, Wang Xiaona

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM561.3

A

1003-4862（2014）12-0001-04

2014-03-17

單潮龍（1964-），男，教授。研究方向：電工理論與電磁兼容。