静止变频起动器中逆变桥晶闸管换相方式的研究

邵燕秋 邵宜祥 王小红 杨合民 简优宗

（国网电力科学研究院，南京 211000）



静止变频起动器中逆变桥晶闸管换相方式的研究

邵燕秋 邵宜祥 王小红 杨合民 简优宗

（国网电力科学研究院，南京 211000）

静止变频起动器（Static Frequency Converter，SFC）是专门用于大型同步电动机的变频起动装置。本文基于燃气轮机组静止变频启动系统，对逆变桥晶闸管的脉冲换相和自然换相这两种换相方式进行了理论分析，并通过PSCAD仿真验证了两种换相方法的理论可行性，最后在动模实验平台上进行了动模实验验证。该换相方法原理简单，操作可行。

静止变频起动器；脉冲换相；自然换相；仿真验证；动模实验

静止变频起动器中逆变器的负载是同步电动机，当电动机转速较高时，可以利用同步电动机的交流反电动势来关断逆变器中的晶闸管，实现逆变器晶闸管的换相，这种换相方式称为脉冲换相。而在起动的初始阶段，电动机转速较低，电动机的反电动势不足以关断逆变器中的晶闸管来维持换相，此时必须采用人工强迫换相的方法来实现换相，这种换相方式称为脉冲换相。即：静止变频起动器中逆变桥的晶闸管在电动机低速时进行脉冲换相，中高速时进行自然换相。

1　静止变频起动器主电路拓扑结构

静止变频起动系统的本体部分由控制柜、整流柜、逆变柜、平波电抗器、输入变压器、输出变压器等组成。起动过程和机组监控、励磁、保护相配合，在机组变频起动的过程中，变频起动主要分为几个阶段：起动准备阶段、转子初始位置检测阶段、脉冲换相阶段、自然换相阶段、退出运行等过程[1]。图1为燃气轮机组静止变频起动系统示意图。

在起动阶段，断路器CB1和CB2闭合，断路器CB3断开，控制系统根据电动机转子或机端电压信号，给逆变桥晶闸管施加触发脉冲，使电动机定子获得从零到额定频率变化的电压信号，拖动机组旋转，当机组达到额定转速时，断路器CB3闭合，断路器CB1和CB2断开，变频起动器退出运行，机组并网，进入发电状态[2]。

图1　燃气轮机组静止变频起动系统示意图

2　脉冲换相

机组起动之前，转子处于静止状态，而在给定电动机磁通的情况下，电动机的电压和频率成正比，所以在静止状态时，机端电压的幅值为零，且在定子绕组上没有感应电压，逆变器不能靠端电压实现晶闸管的换相。因此，为了使逆变桥在无换相电压支持的情况下完成换相，必须采用人工强迫换相技术，即“脉冲换相”。

当逆变器中的电流需要换相，如从电动机A、B相绕组换到A、C相绕组时，变频器回路的直流电流将被整流器逆变减小至零，电动机三相定子电流也随之全部断流，在此断流期间，A、C相导通形成一个新的换相通路，然后整流器恢复整流，逆变器回路重新建立电流，则电流就自然地转向电动机的A、C相，以此类推至C、B相，周而复始，使电动机开始连续转动[3]。

图2给出了脉冲换相时变频器直流电流和电动机定子三相绕组电流波形的示意图。

图2　脉冲换相时直流电流和电动机定子三相绕组电流波形的示意图

从图2中可以看出，随着机组转速的上升，逆变器换相周期的间隔越来越短，表现为导通时间和换相间隔的缩短。脉冲换相的电流断续现象，使直流电流平均值降低，不利于加速，拖长了起动时间，因此脉冲换相阶段应尽快结束。

3　自然换相

当转速较高时，机组定子绕组的感应电动势已具有提供逆变器换相电压的能力，变频器将会自动地从脉冲换相方式切换到自然换相方式。当直流电流从A相换到B相时，晶闸管T34由脉冲触发，那么晶闸管T34因T36的导通而承受A、B相的感应反向电压，在图中的A、B相的换相电路中，两个导通的晶闸管T34、T36和电动机的A、B相绕组之间出现短路电流，方向为：A相绕组—晶闸管T34—晶闸管T36—B相绕组。当短路电流与原来通过晶闸管T34的负载电流相等时，负载电流全部转移到晶闸管T36，晶闸管T34关断，换相完成。晶闸管T34到晶闸管T36换相时的短路电流示意图如图3所示[4]。

图3　T34到T36换相时短路电流示意图

在整个起动过程中，电动机转子上都施加有励磁电流，转子在空间旋转，就会在电枢绕组中感应出电动势，控制系统给逆变器依次施加触发脉冲，逆变器重复上面的换相而输出交流电。自然换相时，在忽略换相重叠角的情况下，变频器直流回路和机组定子三相绕组的电流波形示意图如图4所示。

图4　自然换相时直流电流和机组三相定子绕组电流波形的示意图

从图4中可以看出，直流电流不会因换相而出现断续现象，直流电流连续。

4　仿真和动模实验结果及分析

4.1脉冲换相仿真及结果分析

在 PSCAD仿真中，当逆变器输出交流电压的频率低于0.5Hz，即转速低于30r/min时，由于机端电压幅值很小，因此在这个频率范围内，逆变桥晶闸管的换相都采用脉冲换相方法。在 PSCAD仿真结果中，截取一小段时间的波形来分析脉冲换相。图5为脉冲换相阶段28.1～29.1s之间的直流电流波形。

图5　脉冲换相时直流电流波形

从图5中可以看出，在这个时间段内，直流电流是断续的，断续期间逆变桥进行脉冲强制换相。换相结束后，各桥臂再重新建立起直流电流。

图6为脉冲换相某个时间段内的定子三相电流波形，定子某相上有电流流过，就说明与该相连接的逆变桥的桥臂上有一个晶闸管导通，仿真模型中电流从逆变桥流入定子绕组时电流为正，流出为负。因此，定子某相电流为正，说明是与其相连的桥臂的上桥臂的晶闸管导通；定子某相电流为负，说明是与其相连的桥臂的下桥臂的晶闸管导通。

图6　脉冲换相时定子三相电流波形

从图6中可以很明显地看出，在一个周期内，每隔60°逆变桥进行一次换相，且每个晶闸管导通120°。在单个晶闸管导通的120°范围内，有一次电流强制为零的时刻，也就是在该时刻进行脉冲换相。

图 7为脉冲换相在该时间段内的转子实时位置，转子位置在[0,2π]范围内变化，且转子位置曲线十分平滑。由于截取的时间比较短，看不出转子旋转一周时间越来越少的信息。若截取的时间足够长，可以看出转子旋转一周所用的时间是越来越少的，说明脉冲换相期间，虽然直流电流是断续且波动的，但转子却能平滑升速。脉冲换相原理和仿真分析说明：在端电压较低时采用脉冲换相方式实现逆变桥晶闸管换相的方法是合理可行的。

图7　脉冲换相时转子实时位置

4.2自然换相仿真及结果分析

在PSCAD仿真时，仿真进行40s左右便进入到自然换相阶段，自然换相时机端电压的幅值足够大，完全能够提供使晶闸管关断的反向电压，因此在这个阶段进行逆变桥晶闸管换相时，不需要将直流电流强制降到零以后再进行换相。这个阶段的典型特点是直流电流连续，换相过程中，换相的两个晶闸管中都有电流流过，换相结束后，一个晶闸管导通，另一个晶闸管被关断。

图8为自然换相的某个时间段内的直流电流波形，从图中可以看出，在这个时间段内，直流电流是连续的，结合主电路图可知一个周期内直流电流脉动12次，每一次脉动都是逆变桥晶闸管换相引起的。

图8 自然换相时直流电流波形

图9为在这段时间内的定子三相电流波形。从图中可以很明显地看出，在一个周期内，每隔60°逆变桥进行一次换相，且每个晶闸管导通120°。在单个晶闸管导通的 120°范围内，有一次晶闸管换相过程。但与脉冲换相明显不同的是，每个晶闸管导通120°都是连续导通的，即换相时直流电流不为零。

图9 自然换相时定子三相电流波形

图10为在该时间段内的转子实时位置，图7中转子旋转一周所用的时间大概是3s，而图10中转子旋转一周所用的时间为2.3s左右，说明转速在上升。转子位置曲线在任意周期内都是平滑上升的，说明转子是平滑升速的。自然换相原理和仿真分析说明：在端电压较高时采用自然换相方式实现逆变桥晶闸管换相的方法是合理可行的。

图10　自然换相时转子实时位置

4.3动模实验结果及分析

在对静止变频起动器中逆变桥晶闸管的换相方式进行理论分析和仿真验证的基础上进行了动模实验。动模实验时同样在机端电压频率为0.5Hz之前进行脉冲换相，0.5Hz之后进行自然换相。静止变频起动时，机组转速从零升到自持转速大约需要10min的时间，起动时间较长，为了便于分析两种换相方式的异同，只截取两种换相方式切换时的波形进行分析，其波形如图11所示。

图11 脉冲换相到自然换相切换时的波形

图11中的竖线位置是两种换相方式的切换点，之前为脉冲换相，之后为自然换相。图中第一条曲线为转子实时位置曲线，第二条曲线为直流电流波形。从图中可以看出：尽管两种换相方式切换前后，直流电流波形会因换相而产生波动，但转子位置曲线始终是平滑的，说明在机组转速较低时进行脉冲换相，在机组转速较高时进行自然换相的方法在实际系统中是可行的。

5　结论

介绍了静止变频起动器中逆变桥晶闸管的两种换相方式，并进行了相应的仿真和动模实验验证。该换相方法具有实践意义，为静止变频起动器的工程研究和国产化制造奠定了基础。

[1] 汪卫平, 吴培枝, 毕扬, 等. 琅琊山抽水蓄能电站机组变频启动中转子位置计算的运行分析[J]. 水电自动化与大坝监测, 2014, 38(2): 76-79.

[2] 陶以彬, 鄢盛驰, 李官军, 等. 基于双 CPU控制的静止启动变频器系统设计[J]. 电力电子技术, 2013, 47(5): 62-64.

[3] 唐强, 孙士淇. 静态变频转换装置在 M701F燃气轮机上的应用研究[J]. 广东电力, 2008, 21(5): 56-59.

[4] 陈俊, 司红建, 周荣斌, 等. 抽水蓄能机组SFC系统保护关键技术[J]. 电力自动化设备, 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