周波变流器带反电动势负载时换相电流特性研究

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(海军工程大学 电气与信息工程学院，武汉 430033)

周波变换器能够将某一频率的交流功率直接转换为另一频率的功率而不需要中间的直流环节[1-2]。当前半导体闸流管控制周波变换器已经可以应用在大功率中，如船舶螺旋桨电气传动装置、电磁弹射器的高功率周波变流器、电力牵引、变频调速、恒频功率供给、交流系统的可控无功功率供给等[3]。如果输入频率远远大于输出频率，而在二次回路又无感应电动势，那么输出电压可借助于供给每组(Ⅰ～Ⅵ)晶闸管一系列导通脉冲而形成。在电阻-电感负载情况下，在停止供给每组(Ⅰ～Ⅵ)晶闸管系列导通脉冲前，每组晶闸管必须工作在逆变状态。逆变状态时间由二次回路参数决定[4]。多相系统中，每相电流也如此。每相晶闸管导通脉冲之间的相位差决定了多相系统中相与相之间的相位差。当周波变流器由标准的50 Hz电网供电和由上述方法形成输出电压时，图1中周波变流器输出电压的最高频率为18 Hz。在36支开关管组成的周波变流器中，输出电压的频率接近为30 Hz。在这种工作方式下，和输入电压频率相比晶闸管输出电压的频率较低。

如果在周波变流器的二次回路中存在电动势源，如同步电动机和开关电机的感应电势或异步电动机转子电路感应电动势等，则在电动势源的作用下可以实现电流换相。由此可见，如何换相很大程度上取决于传动机构的特性。有三种换相方法：①电网电压作用下换相；②电动机感应电势作用下换相；③电网电压和电动机感应电势同时作用下换相。

本文只研究在电压和感应电势同时作用下晶闸管的自然换相。不存在为保证人工换相而在电路中引入的其它元件(如电容、二极管及其它器件等)。

1 在电压和感应电势同时作用下晶闸管的自然换相过程

因为供电电网和中、大功率的电机通常都采用三相系统，因此讨论3-3相周波变流器的电流换相过程(图1a))。假设在初始瞬间晶闸管V1和V13开通。电路中流过负载电流IL。在下一个瞬时晶闸管V2开通。V1和V2之间的电流开始换相。换相电流的短路回路由虚线标出。在感应电势的作用下在短路回路中开始流过短路电流ik1，该电流的方向与流过晶闸管V2的电流的方向一致，与晶闸管V1中电流方向相反。当晶闸管V1中电流减小为0，而晶闸管V2中电流增大到等于负载电流时电流换相过程结束。

假设，换相回路中的电阻对换相回路中的电流影响不明显。换相回路电感等于变压器绕组漏电感与电抗器电感之和，此时短路电流等于[5]：

θ1

(1)

图1 带电抗器的周波变流器

式中：E1——一次电网感应电势(变压器)；

Xa1——换相回路的电抗(一相)；

θ1——当前换相角；

m1——相数。

当t=0时，ik1=0，θ1=0；

在电动机感应电势作用下不同组晶闸管换相时换相电流ik2的回路见图1b)。从V1流到V7的电流与从V1流到V2电流换相过程类似，此时的无功功率不是由电网输入而是由电动机输入。该回路短路电流为：

θ2

(2)

式中：E2——二次电网感应电势(电动机)；

Xa2——换相回路的电抗(一相)；

θ2——当前换相角；

m2——相数。

当t=0时，ik2=0，θ2=0；

通常当t=0时电流ik1、ik2不会同时出现。

由已知的α、β、γ角与换相电压降落g之间的关系式可以确定换相角γ。

1) 整流工作状态。

γ=arccos (cosα-2g)-α

(3)

式中：2g=2ILXa/U1

其中：U1——短路回路电压；

IL——换相时的负载电流。

2) 逆变工作状态。

γ=β-arccos (cosβ+2g)

(4)

逆变工作状态时输入和输出电路中β、γ及g之间的关系见表1。

对于由变压器供电的三相桥式电路：

g=0.5ek

(5)

式中：ek——变压器短路电压。

当周波变流器由同步发电机供电，换相回路的电抗为

/2

(6)

当周波变流器二次回路接开关电动机时换相回路电抗为

/2

(7)

当周波变流器二次回路中存在绕线式转子异步电动机，变流器工作在整流和逆变工作状态时相对于电动机转子的电压降落为

(8)

式中：Xp——与转子电压频率有关的转子每相漏电抗；

Ip——转子电流；

Uφp——转子相电压。

考虑到γ值较小和存在平波电抗，认为在换相时转子负载电流不变，即Ip=const。

当一组晶闸管工作于整流状态时，晶闸管的换相不会影响工作稳定性。在逆变状态时遵守逆变器稳定运行时的约束：

βmin=γ+δ0 (9)

式中：βmin——最小超前角；

δ0——当存在负载电流时考虑到相电压过零点的相移而设置的角度裕量。

不满足约束条件式(9)时会引起逆变颠覆从而影响其工作。

当输入频率f1与输出频率f2的比值较大时：f1=50 Hz，f2=(8～10) Hz时，电机感应电势的值通常不大，因此它对换相过程的影响可以忽略，例如如果周波变流器被接到绕线式异步电动机转子上并且电动机工作在接近额定负载状态时情况便如此。然而在这种情况下为保证电机的工作，必须由频率传感器信号、转子相电压或相电流信号来控制周波变流器[6]。

在不同的转换电压降落2g，逆变状态时转换角γ与超前角β之间的关系见图2。逆变器的工作区域为细线1～4之间，在它之外超前角较小，逆变器不可能额定工作，因为不满足约束条件(5)。考虑到频率传感器和电机相电势传感器的精度，取δ=10～15°。

图2 逆变状态时，转换角γ与超前角β之间关系

为了便于比较，将整流状态时换相角与控制角α之间的关系(当α=0时各种γ0)示于图3。

图3 整流状态时控制角α与换相角γ关系

(10)

式中：γ0——当α=0时的转换角，

由此可见，对于某个确定负载电流来说,换相电压降落g与控制角α无关。

通常在周波变流器中使用6绕组的电抗器，该电抗器可以放置在如下位置。① 周波变流器的输入端(图1a))；②周波变流器的输出端(图1b))；③周波变流器的输出端、输入端(图1c))。

还可以安放两个6绕组的电抗器或一个12绕组的电抗器。本周波变流器图中6绕组电抗器的功能与整流器中直流电路中电抗器功能相同，即①平抑负载电流的脉动；②短路保护；③当周波变流器的工作不正常时可以限制周波变流器电流。

2 电抗器绕组电感

换相回路中接入电感的感抗不应当使晶闸管的换相角明显增大。在短路的换相回路中应当只有两个绕组的漏电抗(2L0)，因为这些绕组磁通在电感铁芯中相互抵消。在非换相时期，两绕组中负载电流产生的磁通在电感铁芯中是相加的，使电流平滑。电抗器绕组电感为

L=Lμ+L0

(11)

式中：Lμ——电抗器铁芯中的磁通所产生的电感；

L0——电抗器绕组的漏磁通所产生的电感。

忽略漏磁通所产生的绕组间的互感。

研究换相过程鉴整流电路中的处理方法，即认为Lμ→∞。Lμ的实际值大小不是由一个绕组确定的而是由几个绕组共同确定的。同一个电抗器其输入端与输出端电感值与电路的连接形式有关，见表2。

表2 电抗器电感值的确定

当输出电路存在感应电势时，同一个周波变流器相对于其输入和输出电路来讲，其电路结构完全相同，可以用类似的表达式来描述其换相过程，如式(1)、(2)。这两个关系式的差别仅仅只是参数不同：变压器参数还是电机参数及在换相回路中有无电感。因此变压器或电机既可位于周波变流器的输出端也可位于输入端。电抗器亦如此。

图1a)中周波变流器的另一种等效形式见图4。晶闸管的编号不变，但晶闸管不是按电动机的相序连接而是按供电网的相序连接。对于一次回路和二次回路的换相电流，周波变流器相对于供电电网和输出电网来说其特性一样。

3 结论

1) 当在负载电路中存在感应电势(开关电机、绕线式异步电机)时，描述自然换相晶闸管周波变流器换相过程的基本关系式对于供电电网和输出电网来说有相同的形式。

图4 图1a)的等效图

2) 当电机工作于电动机状态时根据电网频率确定换相角，当电机工作于发电机状态时，根据电机旋转频率确定换相角。

3) 调节电动机可以起到调节换相回路电抗的作用，导出的关系式可以确定晶闸管导通的超前角。

[1] MAAMOUN A.Development of frequency converters[C]//Canadian Conference on Electrcal and Computer Engineering,2003.IEEE CCECE 2003.Vol.1,4-7 May 2003,521-524.

[2] AGRAWAL J P.Power electronic systems theory and design[M].Beijing:Press of Tsinghua University,2001.

[3] 戴喜亮.周波变换器-同步电动机调速系统[J]．内蒙古电力，1990(4):91-100.

[4] 陈 坚.电力电子学[M]．北京：高等教育出版社，2002．

[5] 黄 俊,王兆安.电力电子变流技术[M]．北京：机械工业出版社，1999.

[6] 马宪民.电动汽车高频环周波变换器的分析研究[J]．辽宁工程技术大学学报，2002,21(5):616-618.