一種晶閘管變流器換相重疊角的檢測方法和電路

趙 利

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003）

由晶閘管構(gòu)成的變流器，在換相時受變壓器漏感、電機(jī)超瞬態(tài)電抗等在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，換相不能瞬間完成。變流器換相過程持續(xù)的時間用電角度表示，稱為換相重疊角。換相重疊角的存在，雖然也有有益的地方，如使晶閘管的電流變化率（di/dt）減小，有利于晶閘管的安全開通。但多數(shù)情況下，換相重疊角的存在給電路帶來不好的方面，例如：使整流輸出電壓平均值降低；產(chǎn)生正的電壓變化率（du/dt），可能導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通；特別是在逆變時，還可能由于換相重疊角計(jì)算不準(zhǔn)確，引起換相裕量不足導(dǎo)致逆變失敗[1]等問題。

而在實(shí)際應(yīng)用和現(xiàn)有資料中，換相重疊角都是通過特定的公式近似計(jì)算給出的[2]，計(jì)算繁瑣復(fù)雜，而且還會受到電源參數(shù)、負(fù)載類型以及負(fù)載工作狀態(tài)等因素影響，所以計(jì)算出的換相重疊角是近似數(shù)值，和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)有一定出入。鑒于此，本文通過對晶閘管變流器運(yùn)行分析，總結(jié)出工作于逆變狀態(tài)時特點(diǎn)，給出一種可以精確檢測換相重疊角的方法和電路。

1 晶閘管變流器逆變運(yùn)行及特點(diǎn)

1.1 晶閘管電流源型變流器

由晶閘管構(gòu)成的可控變流器，將電源側(cè)變壓器漏抗、負(fù)載側(cè)電機(jī)超瞬態(tài)電抗或其他影響換相的電抗統(tǒng)稱為換相電抗，考慮換相電抗影響，無論變流器在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)都會產(chǎn)生換相重疊角。圖1是由晶閘管構(gòu)成的電流源型逆變器，負(fù)載是同步電動機(jī)，可被視為串聯(lián)了等效漏電感后的反電動勢[3]。電流源型逆變器采用負(fù)載換相技術(shù)，同步電動機(jī)采用繞線勵磁方式，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率因數(shù)角調(diào)節(jié)，這種電路可廣泛應(yīng)用在大容量同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域[4]。

圖1 同步電動機(jī)負(fù)載的電流源型逆變器

負(fù)載換相電流源型逆變器和晶閘管相控整流器的工作原理在本質(zhì)上講是一樣的，通過對觸發(fā)延遲角α控制，可實(shí)現(xiàn)同步電動機(jī)在電動或發(fā)電模式運(yùn)行[5]。

1.2 晶閘管變流器逆變運(yùn)行分析

由圖1 知，當(dāng)觸發(fā)延遲角α>π/2 時，直流側(cè)的電壓Ud為正，有功功率流向電動機(jī)負(fù)載，通過調(diào)節(jié)勵磁電流使負(fù)載功率因數(shù)超前，這種情況可認(rèn)為是過勵的同步電機(jī)以電動模式運(yùn)行[6]，波形圖，見圖2。其中，圖2（a）是考慮換相電抗影響，產(chǎn)生換相重疊角時逆變器輸出電壓ud波形，為分析問題方便，圖中只畫出VT2、VT4及VT6管導(dǎo)通時輸出電壓波形，對VT1、VT3及VT5管具有同樣情形，只是工作波形位于上方；圖2（b）是流過VT2、VT4及VT6管電流iVT2、iVT4及iVT6波形，同樣考慮了換相重疊角的影響；圖2（c）是VT2管一個周期內(nèi)的電壓uVT2波形。

圖2 電流源型逆變器的工作波形圖

對電流源型變流器，當(dāng)觸發(fā)延遲角α>π/2，逆變角為β=π-α，變流器工作在逆變狀態(tài)。圖2（a）示出VT2和VT4管換相過程，μ為換相重疊角。當(dāng)逆變電路工作在β＞μ時，ωt2時刻開始換相，ωt2～（ωt2+μ）期間，由于換相電抗影響和晶閘管的不可關(guān)斷性，VT2和VT4同時導(dǎo)通；換相結(jié)束后，在（ωt2+μ）～ωt3期間，仍需 a 相電壓ea高于 c 相電壓ec，確保VT2 承受反向電壓而關(guān)斷，即圖2（c）中uVT2<0 部分，使VT2承受反向電壓可靠關(guān)斷所需的最小角度，即為最小關(guān)斷角δ。

如果換相裕量不足，即當(dāng)β＜μ時，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)之后，uc高于ua，晶閘管VT4承受反向電壓而重新關(guān)斷，使得應(yīng)該關(guān)斷的VT2不能關(guān)斷卻重新導(dǎo)通，且c 相電壓隨著時間的延續(xù)愈來愈高，電動勢順向串聯(lián)導(dǎo)致逆變失敗。

可見，為防止逆變失敗，換相重疊角在逆變運(yùn)行時決定著觸發(fā)延遲角α的最大值，即安全換相所需最小逆變角βmin≥μ+δ，其中，最小關(guān)斷角δ可由使晶閘管可靠關(guān)斷時間toff近似估計(jì)（δ=ω·toff，ω為電路工作頻率），晶閘管可靠關(guān)斷時間toff，大的可達(dá)200～300 μs，估計(jì)的δ電角度約為4～5o[7]。換相重疊角μ隨著直流平均電流和換相電抗的增加而增大，設(shè)計(jì)變流器時，重疊角可通過查閱有關(guān)手冊，或按下式估計(jì)[8]：

式中：Id為直流平均電流，A；XB為換相電抗，主要是交流側(cè)設(shè)備產(chǎn)生的換相電抗，如變壓器漏抗或電機(jī)負(fù)載超瞬態(tài)電抗等，Ω；U2為變壓器二次相電壓，V；m為整流脈波數(shù)。

根據(jù)逆變工作時α=π-β，以及β=μ+δ代入（1）式，得：

由（2）式知，換相重疊角μ與Id、XB及δ有關(guān)，計(jì)算起來比較復(fù)雜，即受負(fù)載電流Id、電源變壓器漏抗XB等因素影響[9]。

1.3 晶閘管變流器逆變運(yùn)行特點(diǎn)

晶閘管變流器工作于逆變狀態(tài)時，有以下特點(diǎn)：

（1）由于換相電抗的影響，必然產(chǎn)生換相重疊角，為了保證晶閘管間的成功換相，需要一個最小關(guān)斷角δ，在關(guān)斷角期間，保證換相前導(dǎo)通的晶閘管（如VT2）得到反向截止電壓，使之恢復(fù)正向阻斷能力。

（2）換相重疊角μ信號在對應(yīng)晶閘管觸發(fā)信號α上升沿到來時產(chǎn)生，在最小關(guān)斷角δ信號上升沿到來時消失。

（3）求解換相重疊角繁瑣復(fù)雜，受多重因素影響，會有一定誤差。

2 換相重疊角的檢測方法和電路

2.1 δ方波信號產(chǎn)生

通過以上分析，晶閘管變流器為了實(shí)現(xiàn)成功換相，防止逆變失敗，需產(chǎn)生一個最小關(guān)斷角δ，在此期間，uVT2<0，而且在VT2的一個開關(guān)周期ωt1～ωt4期間，只有最小關(guān)斷角δ存續(xù)期間（ωt2+μ）～ωt3內(nèi)，uVT2<0，其余時間uVT2≥0。同樣地，其余5 個管都具有這一特點(diǎn)，據(jù)此，可將6 個負(fù)脈沖信號（如uVT2<0部分）整形為方波電平信號并輸出，這一任務(wù)可由圖3隔離比較放大器實(shí)現(xiàn)。

圖3 隔離比較放大器

圖3 電路，T1和T2是兩個光電三極管，實(shí)現(xiàn)光隔離和放大作用[10]，T1和T2接成雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)，a、b為檢測電路信號輸入端，A和地為輸出端。

工作過程為：將隔離比較放大器輸入端a、b 加到晶閘管VT1～VT6的兩端，以VT2 管為例，在一個工作周期內(nèi)，當(dāng)uVT2≥0 時，D3導(dǎo)通，T2飽和，A 點(diǎn)輸出低電平；當(dāng)uVT2<0 時，D2導(dǎo)通、T1飽和，D3截止、T2截止，A點(diǎn)輸出高電平，從而將最小關(guān)斷角δ存續(xù)期間晶閘管上的負(fù)脈沖信號，經(jīng)電路整形后在輸出端A得到一個方波信號，在此稱為δ方波信號。

同理，可得到其余5個管上的δ方波信號。

2.2 換相重疊角檢測電路

換相重疊角檢測電路由6個前述隔離比較放大器、1 個6 輸入“或”門電路和1 個R-S 觸發(fā)器構(gòu)成，見圖4。

圖4 換相重疊角的檢測電路

工作過程為：依次將比較放大器輸出的相差π/3 角度的6個δ方波信號進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算，“或”門輸出作為R-S觸發(fā)器的復(fù)位輸入信號，R-S觸發(fā)器置位端為VT1～VT6管觸發(fā)信號，R-S觸發(fā)器的輸出端Q得到的即為某一管的換相重疊角信號。以VT2管為例，“或”門電路依次輸出經(jīng)隔離比較放大器得到其δ方波信號，置位端S在VT4觸發(fā)脈沖上升沿到來時觸發(fā)器輸出端Q置位，輸出高電平；復(fù)位端R在VT2的δ方波信號的上升沿到來時復(fù)位，輸出低電平，這樣輸出端Q得到高電平方波信號，即為VT2的換相重疊角μ信號。

觸發(fā)器置位端S 加各晶閘管的延遲觸發(fā)信號、復(fù)位端R 加各晶閘管的δ方波信號以及觸發(fā)器輸出端Q產(chǎn)生VT1～VT6管換相重疊角μ信號，各管的時序?qū)?yīng)關(guān)系，見圖5。

圖5 時序?qū)?yīng)關(guān)系

這里，雖然以同步電動機(jī)負(fù)載的電流源型逆變器為例進(jìn)行研究，得出了換相重疊角的檢測方法和電路，但對于常用的晶閘管三相半波整流電路、三相橋式整流電路工作在逆變狀態(tài)時的換相重疊角的檢測同樣適用。

3 結(jié)語

換相重疊角是由換相電抗引起，對同一電路，晶閘管變流器無論是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)都具有相同的換相重疊角，是研究晶閘管變流器工作時必須考慮的一個重要問題。通過對晶閘管電流源型變流器在逆變狀態(tài)詳細(xì)分析，總結(jié)其特點(diǎn)，得到一種變流器換相重疊角的檢測方法和電路。