靜止變頻起動器中逆變橋晶閘管換相方式的研究

邵燕秋 邵宜祥 王小紅 楊合民 簡優(yōu)宗

（國網(wǎng)電力科學研究院，南京 211000）

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靜止變頻起動器中逆變橋晶閘管換相方式的研究

邵燕秋 邵宜祥 王小紅 楊合民 簡優(yōu)宗

（國網(wǎng)電力科學研究院，南京 211000）

靜止變頻起動器（Static Frequency Converter，SFC）是專門用于大型同步電動機的變頻起動裝置。本文基于燃氣輪機組靜止變頻啟動系統(tǒng)，對逆變橋晶閘管的脈沖換相和自然換相這兩種換相方式進行了理論分析，并通過PSCAD仿真驗證了兩種換相方法的理論可行性，最后在動模實驗平臺上進行了動模實驗驗證。該換相方法原理簡單，操作可行。

靜止變頻起動器；脈沖換相；自然換相；仿真驗證；動模實驗

靜止變頻起動器中逆變器的負載是同步電動機，當電動機轉(zhuǎn)速較高時，可以利用同步電動機的交流反電動勢來關(guān)斷逆變器中的晶閘管，實現(xiàn)逆變器晶閘管的換相，這種換相方式稱為脈沖換相。而在起動的初始階段，電動機轉(zhuǎn)速較低，電動機的反電動勢不足以關(guān)斷逆變器中的晶閘管來維持換相，此時必須采用人工強迫換相的方法來實現(xiàn)換相，這種換相方式稱為脈沖換相。即：靜止變頻起動器中逆變橋的晶閘管在電動機低速時進行脈沖換相，中高速時進行自然換相。

1　靜止變頻起動器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

靜止變頻起動系統(tǒng)的本體部分由控制柜、整流柜、逆變柜、平波電抗器、輸入變壓器、輸出變壓器等組成。起動過程和機組監(jiān)控、勵磁、保護相配合，在機組變頻起動的過程中，變頻起動主要分為幾個階段：起動準備階段、轉(zhuǎn)子初始位置檢測階段、脈沖換相階段、自然換相階段、退出運行等過程[1]。圖1為燃氣輪機組靜止變頻起動系統(tǒng)示意圖。

在起動階段，斷路器CB1和CB2閉合，斷路器CB3斷開，控制系統(tǒng)根據(jù)電動機轉(zhuǎn)子或機端電壓信號，給逆變橋晶閘管施加觸發(fā)脈沖，使電動機定子獲得從零到額定頻率變化的電壓信號，拖動機組旋轉(zhuǎn)，當機組達到額定轉(zhuǎn)速時，斷路器CB3閉合，斷路器CB1和CB2斷開，變頻起動器退出運行，機組并網(wǎng)，進入發(fā)電狀態(tài)[2]。

圖1　燃氣輪機組靜止變頻起動系統(tǒng)示意圖

2　脈沖換相

機組起動之前，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，而在給定電動機磁通的情況下，電動機的電壓和頻率成正比，所以在靜止狀態(tài)時，機端電壓的幅值為零，且在定子繞組上沒有感應電壓，逆變器不能靠端電壓實現(xiàn)晶閘管的換相。因此，為了使逆變橋在無換相電壓支持的情況下完成換相，必須采用人工強迫換相技術(shù)，即“脈沖換相”。

當逆變器中的電流需要換相，如從電動機A、B相繞組換到A、C相繞組時，變頻器回路的直流電流將被整流器逆變減小至零，電動機三相定子電流也隨之全部斷流，在此斷流期間，A、C相導通形成一個新的換相通路，然后整流器恢復整流，逆變器回路重新建立電流，則電流就自然地轉(zhuǎn)向電動機的A、C相，以此類推至C、B相，周而復始，使電動機開始連續(xù)轉(zhuǎn)動[3]。

圖2給出了脈沖換相時變頻器直流電流和電動機定子三相繞組電流波形的示意圖。

圖2　脈沖換相時直流電流和電動機定子三相繞組電流波形的示意圖

從圖2中可以看出，隨著機組轉(zhuǎn)速的上升，逆變器換相周期的間隔越來越短，表現(xiàn)為導通時間和換相間隔的縮短。脈沖換相的電流斷續(xù)現(xiàn)象，使直流電流平均值降低，不利于加速，拖長了起動時間，因此脈沖換相階段應盡快結(jié)束。

3　自然換相

當轉(zhuǎn)速較高時，機組定子繞組的感應電動勢已具有提供逆變器換相電壓的能力，變頻器將會自動地從脈沖換相方式切換到自然換相方式。當直流電流從A相換到B相時，晶閘管T34由脈沖觸發(fā)，那么晶閘管T34因T36的導通而承受A、B相的感應反向電壓，在圖中的A、B相的換相電路中，兩個導通的晶閘管T34、T36和電動機的A、B相繞組之間出現(xiàn)短路電流，方向為：A相繞組—晶閘管T34—晶閘管T36—B相繞組。當短路電流與原來通過晶閘管T34的負載電流相等時，負載電流全部轉(zhuǎn)移到晶閘管T36，晶閘管T34關(guān)斷，換相完成。晶閘管T34到晶閘管T36換相時的短路電流示意圖如圖3所示[4]。

圖3　T34到T36換相時短路電流示意圖

在整個起動過程中，電動機轉(zhuǎn)子上都施加有勵磁電流，轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)，就會在電樞繞組中感應出電動勢，控制系統(tǒng)給逆變器依次施加觸發(fā)脈沖，逆變器重復上面的換相而輸出交流電。自然換相時，在忽略換相重疊角的情況下，變頻器直流回路和機組定子三相繞組的電流波形示意圖如圖4所示。

圖4　自然換相時直流電流和機組三相定子繞組電流波形的示意圖

從圖4中可以看出，直流電流不會因換相而出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，直流電流連續(xù)。

4　仿真和動模實驗結(jié)果及分析

4.1脈沖換相仿真及結(jié)果分析

在 PSCAD仿真中，當逆變器輸出交流電壓的頻率低于0.5Hz，即轉(zhuǎn)速低于30r/min時，由于機端電壓幅值很小，因此在這個頻率范圍內(nèi)，逆變橋晶閘管的換相都采用脈沖換相方法。在 PSCAD仿真結(jié)果中，截取一小段時間的波形來分析脈沖換相。圖5為脈沖換相階段28.1～29.1s之間的直流電流波形。

圖5　脈沖換相時直流電流波形

從圖5中可以看出，在這個時間段內(nèi)，直流電流是斷續(xù)的，斷續(xù)期間逆變橋進行脈沖強制換相。換相結(jié)束后，各橋臂再重新建立起直流電流。

圖6為脈沖換相某個時間段內(nèi)的定子三相電流波形，定子某相上有電流流過，就說明與該相連接的逆變橋的橋臂上有一個晶閘管導通，仿真模型中電流從逆變橋流入定子繞組時電流為正，流出為負。因此，定子某相電流為正，說明是與其相連的橋臂的上橋臂的晶閘管導通；定子某相電流為負，說明是與其相連的橋臂的下橋臂的晶閘管導通。

圖6　脈沖換相時定子三相電流波形

從圖6中可以很明顯地看出，在一個周期內(nèi)，每隔60°逆變橋進行一次換相，且每個晶閘管導通120°。在單個晶閘管導通的120°范圍內(nèi)，有一次電流強制為零的時刻，也就是在該時刻進行脈沖換相。

圖 7為脈沖換相在該時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)子實時位置，轉(zhuǎn)子位置在[0,2π]范圍內(nèi)變化，且轉(zhuǎn)子位置曲線十分平滑。由于截取的時間比較短，看不出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時間越來越少的信息。若截取的時間足夠長，可以看出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用的時間是越來越少的，說明脈沖換相期間，雖然直流電流是斷續(xù)且波動的，但轉(zhuǎn)子卻能平滑升速。脈沖換相原理和仿真分析說明：在端電壓較低時采用脈沖換相方式實現(xiàn)逆變橋晶閘管換相的方法是合理可行的。

圖7　脈沖換相時轉(zhuǎn)子實時位置

4.2自然換相仿真及結(jié)果分析

在PSCAD仿真時，仿真進行40s左右便進入到自然換相階段，自然換相時機端電壓的幅值足夠大，完全能夠提供使晶閘管關(guān)斷的反向電壓，因此在這個階段進行逆變橋晶閘管換相時，不需要將直流電流強制降到零以后再進行換相。這個階段的典型特點是直流電流連續(xù)，換相過程中，換相的兩個晶閘管中都有電流流過，換相結(jié)束后，一個晶閘管導通，另一個晶閘管被關(guān)斷。

圖8為自然換相的某個時間段內(nèi)的直流電流波形，從圖中可以看出，在這個時間段內(nèi)，直流電流是連續(xù)的，結(jié)合主電路圖可知一個周期內(nèi)直流電流脈動12次，每一次脈動都是逆變橋晶閘管換相引起的。

圖8 自然換相時直流電流波形

圖9為在這段時間內(nèi)的定子三相電流波形。從圖中可以很明顯地看出，在一個周期內(nèi)，每隔60°逆變橋進行一次換相，且每個晶閘管導通120°。在單個晶閘管導通的 120°范圍內(nèi)，有一次晶閘管換相過程。但與脈沖換相明顯不同的是，每個晶閘管導通120°都是連續(xù)導通的，即換相時直流電流不為零。

圖9 自然換相時定子三相電流波形

圖10為在該時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)子實時位置，圖7中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用的時間大概是3s，而圖10中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用的時間為2.3s左右，說明轉(zhuǎn)速在上升。轉(zhuǎn)子位置曲線在任意周期內(nèi)都是平滑上升的，說明轉(zhuǎn)子是平滑升速的。自然換相原理和仿真分析說明：在端電壓較高時采用自然換相方式實現(xiàn)逆變橋晶閘管換相的方法是合理可行的。

圖10　自然換相時轉(zhuǎn)子實時位置

4.3動模實驗結(jié)果及分析

在對靜止變頻起動器中逆變橋晶閘管的換相方式進行理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)上進行了動模實驗。動模實驗時同樣在機端電壓頻率為0.5Hz之前進行脈沖換相，0.5Hz之后進行自然換相。靜止變頻起動時，機組轉(zhuǎn)速從零升到自持轉(zhuǎn)速大約需要10min的時間，起動時間較長，為了便于分析兩種換相方式的異同，只截取兩種換相方式切換時的波形進行分析，其波形如圖11所示。

圖11 脈沖換相到自然換相切換時的波形

圖11中的豎線位置是兩種換相方式的切換點，之前為脈沖換相，之后為自然換相。圖中第一條曲線為轉(zhuǎn)子實時位置曲線，第二條曲線為直流電流波形。從圖中可以看出：盡管兩種換相方式切換前后，直流電流波形會因換相而產(chǎn)生波動，但轉(zhuǎn)子位置曲線始終是平滑的，說明在機組轉(zhuǎn)速較低時進行脈沖換相，在機組轉(zhuǎn)速較高時進行自然換相的方法在實際系統(tǒng)中是可行的。

5　結(jié)論

介紹了靜止變頻起動器中逆變橋晶閘管的兩種換相方式，并進行了相應的仿真和動模實驗驗證。該換相方法具有實踐意義，為靜止變頻起動器的工程研究和國產(chǎn)化制造奠定了基礎(chǔ)。

[1] 汪衛(wèi)平, 吳培枝, 畢揚, 等. 瑯琊山抽水蓄能電站機組變頻啟動中轉(zhuǎn)子位置計算的運行分析[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2014, 38(2): 76-79.

[2] 陶以彬, 鄢盛馳, 李官軍, 等. 基于雙 CPU控制的靜止啟動變頻器系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù), 2013, 47(5): 62-64.

[3] 唐強, 孫士淇. 靜態(tài)變頻轉(zhuǎn)換裝置在 M701F燃氣輪機上的應用研究[J]. 廣東電力, 2008, 21(5): 56-59.

[4] 陳俊, 司紅建, 周榮斌, 等. 抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)保護關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電力自動化設(shè)備, 2013, 21(8): 167-171.

Research on the Converter Bridge Thyristor’s Commutation Modes of Static Frequency Converter

Shao Yanqiu Shao Yixiang Wang Xiaohong Yang Hemin Jian Youzong
(State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211000)

Static Frequency Converter (SFC) is a kind of variable frequency starting device designed for large synchronous motor. Based on the static frequency converter starting system of gas turbine, this paper theoretically analyzed two commutation modes of the inverter bridge thyristors: the pulse commutation and the natural commutation. PSCAD simulation results verified the theoretical feasibility of the commutation methods. Finally the methods were verified on dynamic simulation experiment platform. Both of the commutation methods have the advantages of simple principle and feasible operation.

static frequency conversion; pulse commutation; natural commutation; simulation results; dynamic simulation experiment