多重化整流電路實驗中的觸發(fā)脈沖

王魯楊,王禾興

(上海電力學院電力與自動化工程學院,上海 200090)

觸發(fā)脈沖決定著電力電子器件的導通及關斷,電力電子裝置正是依賴于一定拓撲結(jié)構(gòu)中的電力電子器件的有序?qū)瓣P斷,實現(xiàn)對電能的各種控制與變換,因此觸發(fā)脈沖在電力電子裝置中具有重要的作用與地位.不同的電力電子器件,對施加于自身的觸發(fā)脈沖的幅度、寬度、陡度、形狀有不同的要求;不同的變流裝置,對主電路中各器件的觸發(fā)脈沖間的相位關系、觸發(fā)脈沖與有關電量的相位關系有不同的要求.而在整流電路中,則要求觸發(fā)脈沖與電網(wǎng)電壓有嚴格的同步關系.

多重化整流電路對觸發(fā)脈沖有特定的要求,現(xiàn)有的電力電子實驗裝置未針對此要求進行設置,需設法解決多重化整流電路的觸發(fā)脈沖問題.

1 研究多重化整流電路實驗的意義

電力電子技術的應用越來越廣泛,本世紀將有 90%以上的用戶終端使用的電能至少需要經(jīng)過一次電力電子變流裝置的變換和處理.由于電網(wǎng)以交流的形式提供電能,因此整流電路被大量地使用.整流電路在交流側(cè)會產(chǎn)生 mk±1(其中m:整流輸出的脈動數(shù);k=1,2,3,…)次的特征諧波電流.

對于三相橋式整流電路,其 m為 6,它所產(chǎn)生的特征諧波為 5,7,11,13,…次,其中 5次諧波電流含有率 IHR5高達 20%,總諧波電流畸變率 ITHD達 30%左右,對電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染.

在中小功率變流器中,抑制諧波的最好方法是采用高頻脈寬調(diào)制(Pulse W idth Modulation,PWM)技術,但是對于大功率變流器而言,開關頻率的限制及對損耗的考慮往往限制了其可用的開關頻率,從而減低了諧波抑制的效果.對于大功率變流器而言,利用多個橋的組合來提高裝置的等效開關頻率,以及利用方波疊加的方式生成階梯波以逼近正弦波均是目前得到廣泛應用的較好的諧波消除方法.多重化整流電路,即按一定的規(guī)律將兩個或更多個相同結(jié)構(gòu)的整流電路(如三相橋)進行組合,通過對整流電路的移相多重聯(lián)結(jié),減少了交流側(cè)電流諧波.

高壓直流輸電工程采用的整流器多為兩個三相全控橋式整流電路多重聯(lián)結(jié)的 12脈波整流電路［1］.冶金行業(yè)使用的直流電弧爐,其直流電源采用的也是 12脈波整流電路［2］.研究多重化整流電路實驗,在現(xiàn)有的實驗條件下開設出多重化整流電路實驗.

2 多重化整流電路對交流電壓和觸發(fā)脈沖的要求

整流電路的多重聯(lián)結(jié)有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式,對于交流輸入電流來說二者的效果是相同的.圖 1是兩個三相全控橋式整流電路串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的 12脈波整流電路,文獻［3］詳細分析了它的工作原理和交流輸入電流,指出其輸入電流特征諧波的次數(shù)為 12k±1,最低次 11次諧波的含有率IHR11降至 9.1%,總諧波電流畸變率 ITHD較單個三相橋式整流電路大量下降.

在圖 1所示的兩重三相全控橋式整流電路中,要求交流電壓是兩組大小相等、相位相差 30°(頻率相同)的三相電壓.利用兩個匝數(shù)比為的變壓器二次繞組分別接成星形和三角形,如圖1所示,可以滿足此要求［4］.

圖1電路要求兩個三相全控橋式整流電路具有相同的觸發(fā)延遲角.由于兩個三相全控橋式整流電路的交流電壓是兩組相位相差 30°的三相電壓,故要求兩個三相全控橋式整流電路的觸發(fā)脈沖相差 30°.

圖1 串聯(lián)兩重 12脈波整流主電路

3 多重化整流電路實驗存在的問題

相控整流電路,要求每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓嚴格同步,即二者要保持確定、正確的相位關系.通常利用一個同步變壓器,將其一次側(cè)與整流變壓器接在同一交流電源上,由其二次側(cè)提供同步電壓信號［1］.上海電力學院電力電子實驗室的 DJK02-3掛件是三相數(shù)字晶閘管觸發(fā)電路,其同步信號由 DJK02掛件上的“三相同步信號輸出端”經(jīng) DJK02-3掛件上的“三相同步信號輸入端”提供給內(nèi)部觸發(fā)電路.

DJK02-3掛件的正橋脈沖輸出端輸出 6相相位彼此相差 60°的雙脈沖 uG1,uG2,…,uG6,反橋脈沖輸出端輸出 6相相位彼此相差 60°的雙脈沖uG1′,uG2′,…,uG6′.正橋和反橋觸發(fā)脈沖的移相受同一控制端的控制,改變觸發(fā)脈沖的相位時二者一起改變,即二者具有固定的相位關系.

如果正橋觸發(fā)脈沖和反橋觸發(fā)脈沖有 30°的相位差,則一個 DJK02-3掛件就可提供滿足兩重聯(lián)結(jié)三相全控橋式整流電路要求的觸發(fā)脈沖.

經(jīng)測試,同一 DJK 02-3掛件正橋觸發(fā)脈沖和反橋觸發(fā)脈沖的相位關系如圖 2所示.

由圖 2可見,uG1與 uG1′同相位,uG3與 uG3′同相位,這是兩組同相位的觸發(fā)脈沖.由此可見,同一 DJK02-3掛件不能提供滿足兩重聯(lián)結(jié)三相全控橋式整流電路要求的觸發(fā)脈沖.

圖2 同一 DJK 02-3掛件上的正橋脈沖和反橋脈沖

4 符合要求的觸發(fā)脈沖的尋找

為了找到符合要求的觸發(fā)脈沖,筆者分別以兩個實驗臺上的 DJK02掛件的交流電壓作為同步信號,接至兩個 DJK02-3掛件上的三相同步信號輸入端,并通過其觸發(fā)信號觀察孔,測量兩個VT1觸發(fā)脈沖.在兩個 DJK 02-3掛件上都顯示觸發(fā)脈沖相位為 0°時,這兩個觸發(fā)脈沖有 120°的相位差,如圖 3所示.

圖3 不同同步信號和不同DJK 02-3掛件時的2個 VT1觸發(fā)脈沖

分別用 4個 DJK02掛件提供同步信號,用 4個 DJK02-3掛件構(gòu)成 4組三相晶閘管觸發(fā)電路,分別掛接在 7#,8#,9#,10#實驗臺上.依次測其DJK02-3掛件正橋觸發(fā)脈沖中晶閘管 VT1的觸發(fā)脈沖 uG1與同步信號 uab的相位關系,在 DJK02-3掛件上顯示觸發(fā)脈沖相位為 0°時,4個實驗臺的ua與 VT1觸發(fā)脈沖相位關系如圖 4所示.說明7#,8#,9#,10#4個實驗臺的 DJK02-3掛件工作都正常.

圖4 同信號ua與 VT1觸發(fā)脈沖相位關系

用 4蹤示波器同時測量 4個DJK02-3掛件正橋觸發(fā)脈沖中晶閘管 VT1的觸發(fā)脈沖 uG1,測量結(jié)果如圖 5所示.

圖5 不同同步信號和不同DJK 02-3掛件時的4個 VT1觸發(fā)脈沖

由圖 5可見,從 7#臺到 10#臺,uG1依次超前120°,120°,180°,由不同同步信號、不同 DJK02-3掛件很難得到相位相同或相差 30°的觸發(fā)脈沖,但可得到相位相差 60°的觸發(fā)脈沖.在電力電子實驗室的所有實驗臺中,究竟哪兩個實驗臺的觸發(fā)脈沖相位相差 60°,需要對各實驗臺進行逐一檢測.經(jīng)分析可知,造成各 DJK 02-3掛件的 uG1觸發(fā)脈沖相位不同的原因是同步信號不同相.

以同一 DJK02掛件的交流電壓作同步信號,同時提供給兩個 DJK02-3掛件.測量兩個 DJK02-3掛件正橋觸發(fā)脈沖中晶閘管 VT1的觸發(fā)脈沖uG1后發(fā)現(xiàn),兩者同相,如圖 6所示.

圖6 相同同步信號和不同DJK 02-3掛件時的2個 VT1觸發(fā)脈沖

由于不同 DJK02-3掛件觸發(fā)脈沖的移相受不同控制端的控制,可分別進行調(diào)整.當調(diào)整DJK02-3(1)掛件的觸發(fā)脈沖延遲角為 0°,而DJK02-3(2)掛件的觸發(fā)脈沖延遲角為 30°時,就得到兩組相位相差 30°的觸發(fā)脈沖.

按實驗電路圖 1搭建兩重 12脈波整流主電路,以同一 DJK 02掛件的交流電壓作同步信號同時提供給兩個 DJK02-3掛件,并將其掛件的正橋輸出作為觸發(fā)脈沖,整流電路輸出電壓 ud波形(α=30°)如圖 7所示.實驗數(shù)據(jù)如表 1所示.

圖7 兩重12脈波整流電路輸出電壓ud波形

表1 兩重 12脈波整流電路實驗數(shù)據(jù)

圖7的整流輸出電壓 ud在一個工頻周期 20 ms內(nèi)脈動 12次(12脈波).表 1所示實驗數(shù)據(jù) Ud符合 12脈波整流輸出 Ud=4.68U2cosα的關系.由圖 7和表 1可以看出,以同一 DJK02掛件的交流電壓作同步信號同時提供給兩個 DJK02-3掛件,并將其正橋輸出作為兩重 12脈波整流電路的觸發(fā)脈沖是可行的.

5 結(jié) 論

(1)以同一 DJK02掛件的交流電壓作同步信號同時提供給兩個 DJK02-3掛件,調(diào)整這兩個DJK02-3掛件觸發(fā)脈沖延遲角分別為 0°,30°,就可得到兩組相位差 30°的觸發(fā)脈沖.

(2)實驗結(jié)果表明,以上述 2個 DJK02-3掛件的正橋輸出作為兩重 12脈波整流電路的觸發(fā)脈沖是可行的.

［1］陳建業(yè).電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2008:223.

［2］王魯楊,王禾興.工業(yè)用電設備［M］.北京:中國電力出版社,2006:93.

［3］王兆安,劉進軍.電力電子變流技術［M］.第 5版.北京:機械工業(yè)出版社,2009:79-80.

［4］陳因.電力電子技術實訓教程［M］.重慶:重慶大學出版社,2007:250.