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小孙学变频之电流型逆变桥的换流过程

发布日期:2014-04-03 来源:《变频器世界》 作者:张燕宾

   电动机状态和变频器状态的对应

1.电动状态

当电动机处于电动状态时,电流比电压滞后的角度小于90°,大部分时间电流和电压同方向,如图69a)的右上角所示。这时,整流桥UR中,晶闸管的移相角α小于90°,如图109a)的上部所示。UR处于整流状态,UI的移相角是30°,如图105b)所示,处于无源逆变状态。

2)发电状态


    当电动机处于发电状态时,电流比电压滞后的角度大于
90°,电流在大部分时间里和电压的方向相反,而和反电动势的方向相同,如图(b)的右上角所示。这时,应使UR晶闸管的移相角α大于90°,如图(b)的上部所示。UI的移相角则增大为120°,作用是把电动机的反电动势全波整流成直流电压,下‘+’上‘-’。而UR则处于有源逆变状态,电压也是下‘+’上‘-’,其作用是把直流电反馈回电网。”

“发电状态时,UI中晶闸管的反向电流大于正向电流,这不和有源逆变一样吗?怎么把它说成是整流状态呢?”小孙问。

老师笑着反问道:“逆变电路是干什么的?”

小孙拍着脑袋说:“啊,逆变电路是把直流变换成交流的,我把这个大前提给忘了。就是说,当电动机处于发电状态时,UI是把交变的反电动势变换成了直流,所以,UI是处于整流状态的。

还有,电路根据什么来改变移相角呢?”

老师说:“根据拖动系统的工况来决定。我们曾经说过,异步电动机在两种情况下,将处于发电状态,一种是电动机从高频运行转为低频运行,拖动系统释放动能时;另一种是重物下降,释放位能时。所以,对于一般用途的变频器,当频率下降时,就自动改变移相角。而对于起重机械专用的变频器,则还要增加当重物下降时,自动改变移相角的控制。”

小孙思考了一会儿,又问:“厂里的电压型变频器在加速和减速过程中容易跳闸。要是电流型变频器的话,加速时,电流受到电抗器的限制,不会过电流;减速时,又自动转入向电源反馈能量的状态,也不会过电压了。”

老师说:“说得很好,这正是电流型变频器的重要优点之一,就是说,电动机可以快速起动和快速制动。除此以外,它的过电流保护也比较容易。但它的控制比较复杂,体积也比较大。所以,主要用在大型设备中。”

       小孙问:“电流型逆变桥还有没有其他的换流方式?”

老师说:“还有好多种呢,我们再介绍两种常见的换流电路吧。

用辅助晶闸管换流的逆变桥电路

在图1011所示电路中,逆变桥的主电路由SCR1SCR6构成,此外还有用于换流的辅助晶闸管SCR01SCR06,以及换流电容器C1C3。换流过程如下:

1.换流前

假设在换流前,SCR1SCR2导通,电流的路径如图1011a)中的路径所示:

电源‘+’→SCR1U相绕组→W相绕组→SCR2→电源‘-’

与此同时,电容器C1充电,左‘-’右‘+’。

2.开始换流

SCR3SCR01施加触发信号,这时:



       SCR01
导通,C1两侧电位上升。一方面,使SCR1得到反向电压而截止;另一方面,C1右侧的高电位通过U相绕组和V相绕组而使V点也处于高电位。所以,尽管SCR3已经得到触发脉冲,却并未立即导通。这时主要是C1的放电电流,其路径如图(b)中之路径所示

电源‘+’→SCR01U相绕组→W相绕组→SCR2→电源‘-’

3.重叠换流

随着C1的放电,V点电位逐渐下降,SCR3导通。一方面,因C1进行反向充电,路径的电流尚未消失;另一方面,由于SCR3的导通,又增加了如路径所示的电流:

电源‘+’→SCR3V相绕组→W相绕组→SCR2→电源‘-’

4.换流完毕


    随着
C1反向充电的完成,SCR01截止,就只有路径所示的电流了,电流从原来的U相进,W相出转换成为V相进,W相出,换流完成。

公共换流电路

公共换流电路如图1012所示,只用了一个换流电容。其换流过程如下:

1.换流前

假设在换流前,SCR1SCR2导通,电流的路径如图(a)中的路径所示:

电源‘+’→SCR1U相绕组→W相绕组→SCR2→电源‘-’

此外,在换流前,SCR9SCR10得到短暂脉冲,使C充电:充电回路是:

电源‘+’→SCR1VD1SCR10CSCR9→电源‘-’

当充电电流小于晶闸管的维持电流时,SCR9SCR10都截止。

2.开始换流

SCR3SCR7SCR8施加触发脉冲,电容器C将通过U相绕组和W相绕组放电。放电路径如图(b)中之路径所示:

电源’→SCR8→C→SCR7→VD4→U相绕组→W相绕组电源

这时,输出端V的电位仍较高,故SCR3虽有触发脉冲,但尚未导通。

3.重叠换流

随着C的放电,V端的电位降低,SCR3导通,于是又增加了电流路径

电源‘+’→SCR3V相绕组→W相绕组→SCR2→电源‘-’

4.换流完成 

C放电完毕后,又通过SCR7SCR8反向充电。反向充电完毕后,SCR7SCR8自行关断。这时,就只有路径所示的电流了,电流从原来的U相进,W相出转换成为V相进,W相出,换流完成。

电流型变频器的控制框图

       小孙希望了解电流型逆变桥的控制特点,张老师说:“典型的控制框图如图1013所示,控制要点如下:

1.整流桥的控制特点


      
整流桥的任务是为变频器提供直流电流的,通过改变移相角来进行调节。调节的依据主要有二:

       1)保持电动机的Uf比基本不变,目的是保持电动机的磁通不变。针对不同的负载,Uf比是需要调整的。

       2)调整直流电流

       即根据负载的轻重来调整晶闸管的移相角,从而调整了所提供的电流。

       2.逆变桥的控制特点

       逆变桥的工作特点如下:

       1)频率的控制

       逆变桥输出电压的频率由振荡器的振荡频率来控制。

       2)触发脉冲的分配

       如上述,各晶闸管的移相角是固定的,但必须依次轮流导通。所以,由振荡器产生的触发脉冲,须由脉冲分配器进行分配。”

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小 孙 的 笔 记

1.逆变桥的换流方式有:串联二极管式、辅助晶闸管式和公共换流电容式等。

2.晶闸管的换流都必须通过电容器的充放电来进行。串联二极管式需要用6个电容器,辅助晶闸管用三个电容器,而公共换流式只需一个电容器。

3.电流型变频器都具有整流桥和逆变桥。

整流桥主要控制晶闸管的移相角,以调整其输出电压和输出电流。调整输出电压的目的是使电动机的磁通保持恒定;而输出电流则根据负载轻重来进行调整。

逆变桥内,晶闸管的移相角比较固定,或30°,或120°,但必须对三相的触发脉冲进行有序的分配。

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