一种晶闸管变流器换相重叠角的检测方法和电路

赵 利

（山西大同大学机电工程学院，山西大同037003）

由晶闸管构成的变流器，在换相时受变压器漏感、电机超瞬态电抗等在内的交流侧电感的影响，换相不能瞬间完成。变流器换相过程持续的时间用电角度表示，称为换相重叠角。换相重叠角的存在，虽然也有有益的地方，如使晶闸管的电流变化率（di/dt）减小，有利于晶闸管的安全开通。但多数情况下，换相重叠角的存在给电路带来不好的方面，例如：使整流输出电压平均值降低；产生正的电压变化率（du/dt），可能导致晶闸管误导通；特别是在逆变时，还可能由于换相重叠角计算不准确，引起换相裕量不足导致逆变失败[1]等问题。

而在实际应用和现有资料中，换相重叠角都是通过特定的公式近似计算给出的[2]，计算繁琐复杂，而且还会受到电源参数、负载类型以及负载工作状态等因素影响，所以计算出的换相重叠角是近似数值，和实际运行数据有一定出入。鉴于此，本文通过对晶闸管变流器运行分析，总结出工作于逆变状态时特点，给出一种可以精确检测换相重叠角的方法和电路。

1 晶闸管变流器逆变运行及特点

1.1 晶闸管电流源型变流器

由晶闸管构成的可控变流器，将电源侧变压器漏抗、负载侧电机超瞬态电抗或其他影响换相的电抗统称为换相电抗，考虑换相电抗影响，无论变流器在整流状态还是逆变状态都会产生换相重叠角。图1是由晶闸管构成的电流源型逆变器，负载是同步电动机，可被视为串联了等效漏电感后的反电动势[3]。电流源型逆变器采用负载换相技术，同步电动机采用绕线励磁方式，通过调节励磁电流，可以实现负载功率因数角调节，这种电路可广泛应用在大容量同步电机调速领域[4]。

图1 同步电动机负载的电流源型逆变器

负载换相电流源型逆变器和晶闸管相控整流器的工作原理在本质上讲是一样的，通过对触发延迟角α控制，可实现同步电动机在电动或发电模式运行[5]。

1.2 晶闸管变流器逆变运行分析

由图1 知，当触发延迟角α>π/2 时，直流侧的电压Ud为正，有功功率流向电动机负载，通过调节励磁电流使负载功率因数超前，这种情况可认为是过励的同步电机以电动模式运行[6]，波形图，见图2。其中，图2（a）是考虑换相电抗影响，产生换相重叠角时逆变器输出电压ud波形，为分析问题方便，图中只画出VT2、VT4及VT6管导通时输出电压波形，对VT1、VT3及VT5管具有同样情形，只是工作波形位于上方；图2（b）是流过VT2、VT4及VT6管电流iVT2、iVT4及iVT6波形，同样考虑了换相重叠角的影响；图2（c）是VT2管一个周期内的电压uVT2波形。

图2 电流源型逆变器的工作波形图

对电流源型变流器，当触发延迟角α>π/2，逆变角为β=π-α，变流器工作在逆变状态。图2（a）示出VT2和VT4管换相过程，μ为换相重叠角。当逆变电路工作在β＞μ时，ωt2时刻开始换相，ωt2～（ωt2+μ）期间，由于换相电抗影响和晶闸管的不可关断性，VT2和VT4同时导通；换相结束后，在（ωt2+μ）～ωt3期间，仍需 a 相电压ea高于 c 相电压ec，确保VT2 承受反向电压而关断，即图2（c）中uVT2<0 部分，使VT2承受反向电压可靠关断所需的最小角度，即为最小关断角δ。

如果换相裕量不足，即当β＜μ时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点之后，uc高于ua，晶闸管VT4承受反向电压而重新关断，使得应该关断的VT2不能关断却重新导通，且c 相电压随着时间的延续愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。

可见，为防止逆变失败，换相重叠角在逆变运行时决定着触发延迟角α的最大值，即安全换相所需最小逆变角βmin≥μ+δ，其中，最小关断角δ可由使晶闸管可靠关断时间toff近似估计（δ=ω·toff，ω为电路工作频率），晶闸管可靠关断时间toff，大的可达200～300 μs，估计的δ电角度约为4～5o[7]。换相重叠角μ随着直流平均电流和换相电抗的增加而增大，设计变流器时，重叠角可通过查阅有关手册，或按下式估计[8]：

式中：Id为直流平均电流，A；XB为换相电抗，主要是交流侧设备产生的换相电抗，如变压器漏抗或电机负载超瞬态电抗等，Ω；U2为变压器二次相电压，V；m为整流脉波数。

根据逆变工作时α=π-β，以及β=μ+δ代入（1）式，得：

由（2）式知，换相重叠角μ与Id、XB及δ有关，计算起来比较复杂，即受负载电流Id、电源变压器漏抗XB等因素影响[9]。

1.3 晶闸管变流器逆变运行特点

晶闸管变流器工作于逆变状态时，有以下特点：

（1）由于换相电抗的影响，必然产生换相重叠角，为了保证晶闸管间的成功换相，需要一个最小关断角δ，在关断角期间，保证换相前导通的晶闸管（如VT2）得到反向截止电压，使之恢复正向阻断能力。

（2）换相重叠角μ信号在对应晶闸管触发信号α上升沿到来时产生，在最小关断角δ信号上升沿到来时消失。

（3）求解换相重叠角繁琐复杂，受多重因素影响，会有一定误差。

2 换相重叠角的检测方法和电路

2.1 δ方波信号产生

通过以上分析，晶闸管变流器为了实现成功换相，防止逆变失败，需产生一个最小关断角δ，在此期间，uVT2<0，而且在VT2的一个开关周期ωt1～ωt4期间，只有最小关断角δ存续期间（ωt2+μ）～ωt3内，uVT2<0，其余时间uVT2≥0。同样地，其余5 个管都具有这一特点，据此，可将6 个负脉冲信号（如uVT2<0部分）整形为方波电平信号并输出，这一任务可由图3隔离比较放大器实现。

图3 隔离比较放大器

图3 电路，T1和T2是两个光电三极管，实现光隔离和放大作用[10]，T1和T2接成双稳态电路结构，a、b为检测电路信号输入端，A和地为输出端。

工作过程为：将隔离比较放大器输入端a、b 加到晶闸管VT1～VT6的两端，以VT2 管为例，在一个工作周期内，当uVT2≥0 时，D3导通，T2饱和，A 点输出低电平；当uVT2<0 时，D2导通、T1饱和，D3截止、T2截止，A点输出高电平，从而将最小关断角δ存续期间晶闸管上的负脉冲信号，经电路整形后在输出端A得到一个方波信号，在此称为δ方波信号。

同理，可得到其余5个管上的δ方波信号。

2.2 换相重叠角检测电路

换相重叠角检测电路由6个前述隔离比较放大器、1 个6 输入“或”门电路和1 个R-S 触发器构成，见图4。

图4 换相重叠角的检测电路

工作过程为：依次将比较放大器输出的相差π/3 角度的6个δ方波信号进行逻辑“或”运算，“或”门输出作为R-S触发器的复位输入信号，R-S触发器置位端为VT1～VT6管触发信号，R-S触发器的输出端Q得到的即为某一管的换相重叠角信号。以VT2管为例，“或”门电路依次输出经隔离比较放大器得到其δ方波信号，置位端S在VT4触发脉冲上升沿到来时触发器输出端Q置位，输出高电平；复位端R在VT2的δ方波信号的上升沿到来时复位，输出低电平，这样输出端Q得到高电平方波信号，即为VT2的换相重叠角μ信号。

触发器置位端S 加各晶闸管的延迟触发信号、复位端R 加各晶闸管的δ方波信号以及触发器输出端Q产生VT1～VT6管换相重叠角μ信号，各管的时序对应关系，见图5。

图5 时序对应关系

这里，虽然以同步电动机负载的电流源型逆变器为例进行研究，得出了换相重叠角的检测方法和电路，但对于常用的晶闸管三相半波整流电路、三相桥式整流电路工作在逆变状态时的换相重叠角的检测同样适用。

3 结语

换相重叠角是由换相电抗引起，对同一电路，晶闸管变流器无论是工作在整流状态还是逆变状态都具有相同的换相重叠角，是研究晶闸管变流器工作时必须考虑的一个重要问题。通过对晶闸管电流源型变流器在逆变状态详细分析，总结其特点，得到一种变流器换相重叠角的检测方法和电路。