多重化整流电路实验中的触发脉冲

2010-02-26王鲁杨王禾兴

上海电力大学学报 2010年2期

王鲁杨,王禾兴

(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090)

触发脉冲决定着电力电子器件的导通及关断,电力电子装置正是依赖于一定拓扑结构中的电力电子器件的有序导通及关断,实现对电能的各种控制与变换,因此触发脉冲在电力电子装置中具有重要的作用与地位.不同的电力电子器件,对施加于自身的触发脉冲的幅度、宽度、陡度、形状有不同的要求;不同的变流装置,对主电路中各器件的触发脉冲间的相位关系、触发脉冲与有关电量的相位关系有不同的要求.而在整流电路中,则要求触发脉冲与电网电压有严格的同步关系.

多重化整流电路对触发脉冲有特定的要求,现有的电力电子实验装置未针对此要求进行设置,需设法解决多重化整流电路的触发脉冲问题.

1 研究多重化整流电路实验的意义

电力电子技术的应用越来越广泛,本世纪将有 90%以上的用户终端使用的电能至少需要经过一次电力电子变流装置的变换和处理.由于电网以交流的形式提供电能,因此整流电路被大量地使用.整流电路在交流侧会产生 mk±1(其中m:整流输出的脉动数;k=1,2,3,…)次的特征谐波电流.

对于三相桥式整流电路,其 m为 6,它所产生的特征谐波为 5,7,11,13,…次,其中 5次谐波电流含有率 IHR5高达 20%,总谐波电流畸变率 ITHD达 30%左右,对电网造成了严重的谐波污染.

在中小功率变流器中,抑制谐波的最好方法是采用高频脉宽调制(Pulse W idth Modulation,PWM)技术,但是对于大功率变流器而言,开关频率的限制及对损耗的考虑往往限制了其可用的开关频率,从而减低了谐波抑制的效果.对于大功率变流器而言,利用多个桥的组合来提高装置的等效开关频率,以及利用方波叠加的方式生成阶梯波以逼近正弦波均是目前得到广泛应用的较好的谐波消除方法.多重化整流电路,即按一定的规律将两个或更多个相同结构的整流电路(如三相桥)进行组合,通过对整流电路的移相多重联结,减少了交流侧电流谐波.

高压直流输电工程采用的整流器多为两个三相全控桥式整流电路多重联结的 12脉波整流电路［1］.冶金行业使用的直流电弧炉,其直流电源采用的也是 12脉波整流电路［2］.研究多重化整流电路实验,在现有的实验条件下开设出多重化整流电路实验.

2 多重化整流电路对交流电压和触发脉冲的要求

整流电路的多重联结有并联和串联两种形式,对于交流输入电流来说二者的效果是相同的.图 1是两个三相全控桥式整流电路串联多重联结的 12脉波整流电路,文献［3］详细分析了它的工作原理和交流输入电流,指出其输入电流特征谐波的次数为 12k±1,最低次 11次谐波的含有率IHR11降至 9.1%,总谐波电流畸变率 ITHD较单个三相桥式整流电路大量下降.

在图 1所示的两重三相全控桥式整流电路中,要求交流电压是两组大小相等、相位相差 30°(频率相同)的三相电压.利用两个匝数比为的变压器二次绕组分别接成星形和三角形,如图1所示,可以满足此要求［4］.

图1电路要求两个三相全控桥式整流电路具有相同的触发延迟角.由于两个三相全控桥式整流电路的交流电压是两组相位相差 30°的三相电压,故要求两个三相全控桥式整流电路的触发脉冲相差 30°.

图1 串联两重 12脉波整流主电路

3 多重化整流电路实验存在的问题

相控整流电路,要求每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压严格同步,即二者要保持确定、正确的相位关系.通常利用一个同步变压器,将其一次侧与整流变压器接在同一交流电源上,由其二次侧提供同步电压信号［1］.上海电力学院电力电子实验室的 DJK02-3挂件是三相数字晶闸管触发电路,其同步信号由 DJK02挂件上的“三相同步信号输出端”经 DJK02-3挂件上的“三相同步信号输入端”提供给内部触发电路.

DJK02-3挂件的正桥脉冲输出端输出 6相相位彼此相差 60°的双脉冲 uG1,uG2,…,uG6,反桥脉冲输出端输出 6相相位彼此相差 60°的双脉冲uG1′,uG2′,…,uG6′.正桥和反桥触发脉冲的移相受同一控制端的控制,改变触发脉冲的相位时二者一起改变,即二者具有固定的相位关系.

如果正桥触发脉冲和反桥触发脉冲有 30°的相位差,则一个 DJK02-3挂件就可提供满足两重联结三相全控桥式整流电路要求的触发脉冲.

经测试,同一 DJK 02-3挂件正桥触发脉冲和反桥触发脉冲的相位关系如图 2所示.

由图 2可见,uG1与 uG1′同相位,uG3与 uG3′同相位,这是两组同相位的触发脉冲.由此可见,同一 DJK02-3挂件不能提供满足两重联结三相全控桥式整流电路要求的触发脉冲.

图2 同一 DJK 02-3挂件上的正桥脉冲和反桥脉冲

4 符合要求的触发脉冲的寻找

为了找到符合要求的触发脉冲,笔者分别以两个实验台上的 DJK02挂件的交流电压作为同步信号,接至两个 DJK02-3挂件上的三相同步信号输入端,并通过其触发信号观察孔,测量两个VT1触发脉冲.在两个 DJK 02-3挂件上都显示触发脉冲相位为 0°时,这两个触发脉冲有 120°的相位差,如图 3所示.

图3 不同同步信号和不同DJK 02-3挂件时的2个 VT1触发脉冲

分别用 4个 DJK02挂件提供同步信号,用 4个 DJK02-3挂件构成 4组三相晶闸管触发电路,分别挂接在 7#,8#,9#,10#实验台上.依次测其DJK02-3挂件正桥触发脉冲中晶闸管 VT1的触发脉冲 uG1与同步信号 uab的相位关系,在 DJK02-3挂件上显示触发脉冲相位为 0°时,4个实验台的ua与 VT1触发脉冲相位关系如图 4所示.说明7#,8#,9#,10#4个实验台的 DJK02-3挂件工作都正常.

图4 同信号ua与 VT1触发脉冲相位关系

用 4踪示波器同时测量 4个DJK02-3挂件正桥触发脉冲中晶闸管 VT1的触发脉冲 uG1,测量结果如图 5所示.

图5 不同同步信号和不同DJK 02-3挂件时的4个 VT1触发脉冲

由图 5可见,从 7#台到 10#台,uG1依次超前120°,120°,180°,由不同同步信号、不同 DJK02-3挂件很难得到相位相同或相差 30°的触发脉冲,但可得到相位相差 60°的触发脉冲.在电力电子实验室的所有实验台中,究竟哪两个实验台的触发脉冲相位相差 60°,需要对各实验台进行逐一检测.经分析可知,造成各 DJK 02-3挂件的 uG1触发脉冲相位不同的原因是同步信号不同相.

以同一 DJK02挂件的交流电压作同步信号,同时提供给两个 DJK02-3挂件.测量两个 DJK02-3挂件正桥触发脉冲中晶闸管 VT1的触发脉冲uG1后发现,两者同相,如图 6所示.

图6 相同同步信号和不同DJK 02-3挂件时的2个 VT1触发脉冲

由于不同 DJK02-3挂件触发脉冲的移相受不同控制端的控制,可分别进行调整.当调整DJK02-3(1)挂件的触发脉冲延迟角为 0°,而DJK02-3(2)挂件的触发脉冲延迟角为 30°时,就得到两组相位相差 30°的触发脉冲.

按实验电路图 1搭建两重 12脉波整流主电路,以同一 DJK 02挂件的交流电压作同步信号同时提供给两个 DJK02-3挂件,并将其挂件的正桥输出作为触发脉冲,整流电路输出电压 ud波形(α=30°)如图 7所示.实验数据如表 1所示.

图7 两重12脉波整流电路输出电压ud波形

表1 两重 12脉波整流电路实验数据

图7的整流输出电压 ud在一个工频周期 20 ms内脉动 12次(12脉波).表 1所示实验数据 Ud符合 12脉波整流输出 Ud=4.68U2cosα的关系.由图 7和表 1可以看出,以同一 DJK02挂件的交流电压作同步信号同时提供给两个 DJK02-3挂件,并将其正桥输出作为两重 12脉波整流电路的触发脉冲是可行的.