周波變流器帶反電動勢負載時換相電流特性研究

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(海軍工程大學 電氣與信息工程學院，武漢 430033)

周波變換器能夠將某一頻率的交流功率直接轉換為另一頻率的功率而不需要中間的直流環節[1-2]。當前半導體閘流管控制周波變換器已經可以應用在大功率中，如船舶螺旋槳電氣傳動裝置、電磁彈射器的高功率周波變流器、電力牽引、變頻調速、恒頻功率供給、交流系統的可控無功功率供給等[3]。如果輸入頻率遠遠大于輸出頻率，而在二次回路又無感應電動勢，那么輸出電壓可借助于供給每組(Ⅰ～Ⅵ)晶閘管一系列導通脈沖而形成。在電阻-電感負載情況下，在停止供給每組(Ⅰ～Ⅵ)晶閘管系列導通脈沖前，每組晶閘管必須工作在逆變狀態。逆變狀態時間由二次回路參數決定[4]。多相系統中，每相電流也如此。每相晶閘管導通脈沖之間的相位差決定了多相系統中相與相之間的相位差。當周波變流器由標準的50 Hz電網供電和由上述方法形成輸出電壓時，圖1中周波變流器輸出電壓的最高頻率為18 Hz。在36支開關管組成的周波變流器中，輸出電壓的頻率接近為30 Hz。在這種工作方式下，和輸入電壓頻率相比晶閘管輸出電壓的頻率較低。

如果在周波變流器的二次回路中存在電動勢源，如同步電動機和開關電機的感應電勢或異步電動機轉子電路感應電動勢等，則在電動勢源的作用下可以實現電流換相。由此可見，如何換相很大程度上取決于傳動機構的特性。有三種換相方法：①電網電壓作用下換相；②電動機感應電勢作用下換相；③電網電壓和電動機感應電勢同時作用下換相。

本文只研究在電壓和感應電勢同時作用下晶閘管的自然換相。不存在為保證人工換相而在電路中引入的其它元件(如電容、二極管及其它器件等)。

1 在電壓和感應電勢同時作用下晶閘管的自然換相過程

因為供電電網和中、大功率的電機通常都采用三相系統，因此討論3-3相周波變流器的電流換相過程(圖1a))。假設在初始瞬間晶閘管V1和V13開通。電路中流過負載電流IL。在下一個瞬時晶閘管V2開通。V1和V2之間的電流開始換相。換相電流的短路回路由虛線標出。在感應電勢的作用下在短路回路中開始流過短路電流ik1，該電流的方向與流過晶閘管V2的電流的方向一致，與晶閘管V1中電流方向相反。當晶閘管V1中電流減小為0，而晶閘管V2中電流增大到等于負載電流時電流換相過程結束。

假設，換相回路中的電阻對換相回路中的電流影響不明顯。換相回路電感等于變壓器繞組漏電感與電抗器電感之和，此時短路電流等于[5]：

θ1

(1)

圖1 帶電抗器的周波變流器

式中：E1——一次電網感應電勢(變壓器)；

Xa1——換相回路的電抗(一相)；

θ1——當前換相角；

m1——相數。

當t=0時，ik1=0，θ1=0；

在電動機感應電勢作用下不同組晶閘管換相時換相電流ik2的回路見圖1b)。從V1流到V7的電流與從V1流到V2電流換相過程類似，此時的無功功率不是由電網輸入而是由電動機輸入。該回路短路電流為：

θ2

(2)

式中：E2——二次電網感應電勢(電動機)；

Xa2——換相回路的電抗(一相)；

θ2——當前換相角；

m2——相數。

當t=0時，ik2=0，θ2=0；

通常當t=0時電流ik1、ik2不會同時出現。

由已知的α、β、γ角與換相電壓降落g之間的關系式可以確定換相角γ。

1) 整流工作狀態。

γ=arccos (cosα-2g)-α

(3)

式中：2g=2ILXa/U1

其中：U1——短路回路電壓；

IL——換相時的負載電流。

2) 逆變工作狀態。

γ=β-arccos (cosβ+2g)

(4)

逆變工作狀態時輸入和輸出電路中β、γ及g之間的關系見表1。

對于由變壓器供電的三相橋式電路：

g=0.5ek

(5)

式中：ek——變壓器短路電壓。

當周波變流器由同步發電機供電，換相回路的電抗為

/2

(6)

當周波變流器二次回路接開關電動機時換相回路電抗為

/2

(7)

當周波變流器二次回路中存在繞線式轉子異步電動機，變流器工作在整流和逆變工作狀態時相對于電動機轉子的電壓降落為

(8)

式中：Xp——與轉子電壓頻率有關的轉子每相漏電抗；

Ip——轉子電流；

Uφp——轉子相電壓。

考慮到γ值較小和存在平波電抗，認為在換相時轉子負載電流不變，即Ip=const。

當一組晶閘管工作于整流狀態時，晶閘管的換相不會影響工作穩定性。在逆變狀態時遵守逆變器穩定運行時的約束：

βmin=γ+δ0 (9)

式中：βmin——最小超前角；

δ0——當存在負載電流時考慮到相電壓過零點的相移而設置的角度裕量。

不滿足約束條件式(9)時會引起逆變顛覆從而影響其工作。

當輸入頻率f1與輸出頻率f2的比值較大時：f1=50 Hz，f2=(8～10) Hz時，電機感應電勢的值通常不大，因此它對換相過程的影響可以忽略，例如如果周波變流器被接到繞線式異步電動機轉子上并且電動機工作在接近額定負載狀態時情況便如此。然而在這種情況下為保證電機的工作，必須由頻率傳感器信號、轉子相電壓或相電流信號來控制周波變流器[6]。

在不同的轉換電壓降落2g，逆變狀態時轉換角γ與超前角β之間的關系見圖2。逆變器的工作區域為細線1～4之間，在它之外超前角較小，逆變器不可能額定工作，因為不滿足約束條件(5)。考慮到頻率傳感器和電機相電勢傳感器的精度，取δ=10～15°。

圖2 逆變狀態時，轉換角γ與超前角β之間關系

為了便于比較，將整流狀態時換相角與控制角α之間的關系(當α=0時各種γ0)示于圖3。

圖3 整流狀態時控制角α與換相角γ關系

(10)

式中：γ0——當α=0時的轉換角，

由此可見，對于某個確定負載電流來說,換相電壓降落g與控制角α無關。

通常在周波變流器中使用6繞組的電抗器，該電抗器可以放置在如下位置。① 周波變流器的輸入端(圖1a))；②周波變流器的輸出端(圖1b))；③周波變流器的輸出端、輸入端(圖1c))。

還可以安放兩個6繞組的電抗器或一個12繞組的電抗器。本周波變流器圖中6繞組電抗器的功能與整流器中直流電路中電抗器功能相同，即①平抑負載電流的脈動；②短路保護；③當周波變流器的工作不正常時可以限制周波變流器電流。

2 電抗器繞組電感

換相回路中接入電感的感抗不應當使晶閘管的換相角明顯增大。在短路的換相回路中應當只有兩個繞組的漏電抗(2L0)，因為這些繞組磁通在電感鐵芯中相互抵消。在非換相時期，兩繞組中負載電流產生的磁通在電感鐵芯中是相加的，使電流平滑。電抗器繞組電感為

L=Lμ+L0

(11)

式中：Lμ——電抗器鐵芯中的磁通所產生的電感；

L0——電抗器繞組的漏磁通所產生的電感。

忽略漏磁通所產生的繞組間的互感。

研究換相過程鑒整流電路中的處理方法，即認為Lμ→∞。Lμ的實際值大小不是由一個繞組確定的而是由幾個繞組共同確定的。同一個電抗器其輸入端與輸出端電感值與電路的連接形式有關，見表2。

表2 電抗器電感值的確定

當輸出電路存在感應電勢時，同一個周波變流器相對于其輸入和輸出電路來講，其電路結構完全相同，可以用類似的表達式來描述其換相過程，如式(1)、(2)。這兩個關系式的差別僅僅只是參數不同：變壓器參數還是電機參數及在換相回路中有無電感。因此變壓器或電機既可位于周波變流器的輸出端也可位于輸入端。電抗器亦如此。

圖1a)中周波變流器的另一種等效形式見圖4。晶閘管的編號不變，但晶閘管不是按電動機的相序連接而是按供電網的相序連接。對于一次回路和二次回路的換相電流，周波變流器相對于供電電網和輸出電網來說其特性一樣。

3 結論

1) 當在負載電路中存在感應電勢(開關電機、繞線式異步電機)時，描述自然換相晶閘管周波變流器換相過程的基本關系式對于供電電網和輸出電網來說有相同的形式。

圖4 圖1a)的等效圖

2) 當電機工作于電動機狀態時根據電網頻率確定換相角，當電機工作于發電機狀態時，根據電機旋轉頻率確定換相角。

3) 調節電動機可以起到調節換相回路電抗的作用，導出的關系式可以確定晶閘管導通的超前角。

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[3] 戴喜亮.周波變換器-同步電動機調速系統[J]．內蒙古電力，1990(4):91-100.

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[5] 黃 俊,王兆安.電力電子變流技術[M]．北京：機械工業出版社，1999.

[6] 馬憲民.電動汽車高頻環周波變換器的分析研究[J]．遼寧工程技術大學學報，2002,21(5):616-618.