SFC逆變橋驅(qū)動電路設計

趙 鑫

（哈爾濱電機廠有限責任公司控制設備事業(yè)部，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

SFC（static frequency converter）靜止變頻器是抽水蓄能電站水泵工況下機組啟動的主要設備。目前國內(nèi)眾多抽水蓄能電站主要使用進口SFC裝置，非常有必要開發(fā)核心技術自主的SFC靜止變頻器來滿足國內(nèi)抽水蓄能電站的需求，免受國外牽制，節(jié)省外匯支出。筆者依托科研項目對SFC靜止變頻啟動裝置進行了原理機的研制，搭建了變頻啟動試驗平臺，現(xiàn)就原理機SFC逆變橋的驅(qū)動電路設計闡述研究所得，供大家參考。

整個SFC的主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 靜止變頻器結構圖

圖2 輸入5081的過零脈沖

SRN為整流橋，SRM為逆變橋，L為平波電抗器。對U、V、W三相交流輸入的整流采用常規(guī)晶閘管相控整流，即在特定的時刻給晶閘管觸發(fā)脈沖使其導通，按交流電壓源的頻率重復這一過程，將交流電壓變換為脈動的直流電壓。整流觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路包含3個部分：過零檢測變壓器、比較電路、5081可編程觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊。過零檢測變壓器將整流側輸入三相電壓降壓到10V以下，產(chǎn)生6路正弦信號uuv、uuw、uvw、uvu、uwu、uwv，再經(jīng)由 LM339組成的比較電路，按照正弦信號值大于0輸出0電平電壓，正弦信號值小于0輸出-12V電平電壓的邏輯，產(chǎn)生六路輸入5081的方波脈沖，如圖2所示。

研華APAX5081PG脈沖形成模塊能夠捕捉輸入信號的上升沿或下降沿，于過零時刻產(chǎn)生延時和脈寬均可調(diào)的單脈沖觸發(fā)信號，再經(jīng)后級的光耦電平變換，從一路分出兩路對上下兩橋臂同時施加觸發(fā)脈沖，如圖3所示。

圖3 上下橋臂觸發(fā)脈沖時刻圖

1 問題的提出

要使主回路工作有電流流動，必須滿足3個前提條件：①同時觸發(fā)上下兩個橋臂；②對晶閘管施加正向電壓；③電路形成閉合回路。單個整流橋工作原理圖如圖4所示。

圖4 單個整流橋工作原理圖

可見，由于負載對上下橋臂的連接，整流橋可以工作。而SFC將負載替換成SRM逆變橋的兩個晶閘管，僅同時觸發(fā)這兩個晶閘管而未趕上圖3中整流橋脈沖任意一組的觸發(fā)時刻，就不會有電流通過逆變橋到達電機繞組。因此，需要為SFC逆變橋設計一個同步驅(qū)動電路。

2 簡易原理電路

如圖5所示是由普通二、三極管和電阻組成的信號同步電路。

圖5 信號同步電路

D1～D6與R1組成或邏輯電路，將APAX5081PG發(fā)出的6路單脈沖觸發(fā)信號或到一起組成觸發(fā)脈沖串。Ui是由APAX5046開關量輸出模塊發(fā)出的單路脈沖觸發(fā)信號，一共有6個這樣的Ui信號，因為逆變橋也同樣是6組觸發(fā)組合對。Ui經(jīng)三極管反相放大后再經(jīng)反相器還原，這時的信號再與整流橋或到一起的觸發(fā)脈沖串進行邏輯與運算。D7、D8及R2組成邏輯與門，其輸出經(jīng)R3基極電阻驅(qū)動后級的三極管光耦電平變換，也分出兩路對逆變橋施加觸發(fā)脈沖。

3 電路仿真

應用Multisim電路仿真軟件搭建了上述電路，驗證了該電路的合理性和有效性。如圖6所示，KeyA代表一路整流橋的脈沖信號，KeyB代表另一路信號，KeyC代表逆變橋的一路觸發(fā)信號，該電路的大致功能是將KeyA和KeyB進行邏輯線與，其結果再經(jīng)二極管D1、D2和KeyC進行邏輯或運算，最后經(jīng)Q1組成的反相器到達Q2、U4的輸出級。用A代表KeyA，B代表KeyB，C代表KeyC，輸出信號為Uo，這樣電路的邏輯關系可以簡單表示為邏輯運算簡化結果為Uo=（A+B）·C。仿真運行觀察虛擬示波器，各節(jié)點電壓值符合搭建的數(shù)字邏輯功能，實現(xiàn)了圖5的信號同步電路。

4 SFC裝置中的實際應用

為確保電路可靠工作，試驗裝置中均采用成熟數(shù)字集成電路：CD4078BF或門、74HC08與門、HEF4069非門、高速光耦TLP521、大功率NPN晶體管S9013。速變脈沖產(chǎn)生驅(qū)動電路示意圖如圖7所示。

圖6 Multisim電路仿真圖

圖7 逆變脈沖產(chǎn)生驅(qū)動電路

圖8 晶閘管觸發(fā)信號

圖9 同步觸發(fā)信號的產(chǎn)生

圖8 所示為一路晶閘管觸發(fā)信號。上面的波形是脈沖放大器前端的觸發(fā)信號，可見一個周期內(nèi)，先發(fā)一個脈沖再補發(fā)一個脈沖；下面的波形是最終加在晶閘管GK門陰極之間的觸發(fā)脈沖。圖9所示為信號同步電路輸出波形圖，整流觸發(fā)信號周期為3.3ms，在低速階段逆變橋的觸發(fā)信號周期要遠大于3.3ms，由圖中波形可知，信號同步電路的原理實質(zhì)上是采用整流信號對逆變橋進行觸發(fā)。逆變觸發(fā)信號只起到使能輸出的作用。

5 結論

本文針對抽水蓄能機組起動中使用的靜止變頻器的逆變橋的觸發(fā)方法，由問題的提出開始，循序漸進地闡述了觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的原理、仿真、實際電路的設計和實驗結果，成功地實現(xiàn)了SFC逆變橋的觸發(fā)，為我國抽蓄電站關鍵設備SFC靜止變頻器的設計制造提供參考。

[1] 李志民，張遇杰.同步電動機調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[2] 林輝，王輝.電力電子技術[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2002.