一種無(wú)回饋交流變頻主電路的分析

0 引言

　　現(xiàn)行的交流變頻技術(shù)，大多采用電壓型的PMW控制方式，并且利用并聯(lián)于三相逆變橋的反饋整流橋進(jìn)行無(wú)功電流的回饋。這種同時(shí)進(jìn)行頻與變壓的控制而保持氣隙磁通恒定的變流方法，不管是用并聯(lián)或串聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，都會(huì)因容性無(wú)功功率與頻率成正比而無(wú)法在較大的頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分的無(wú)功補(bǔ)償。異步電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載形成的無(wú)功電流不僅要增大電源及變配電裝置的容量，還必然會(huì)在無(wú)功能量往復(fù)的傳遞中造成較大的電能浪費(fèi)。設(shè)法克服定子漏感的降壓與激磁感抗造成的電流相位滯后及變頻中無(wú)功電流回饋的問(wèn)題，對(duì)進(jìn)一步的節(jié)能具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 主回路的接線及其控制方式

　　采用圖1 接線方式構(gòu)成無(wú)回饋交流變頻主電路，其中：采用3 只晶閘管與3 只整流管構(gòu)成三相半控整流橋，或用6只晶閘管構(gòu)成三相全控整流橋；在三個(gè)交流輸入端串聯(lián)L1、L圓和L3 3 只電抗器進(jìn)行電容橋的限流與濾波；采用C11 與C41、C31 與C61、C51 與C21 三對(duì)同容量的電力電容器構(gòu)成副電容橋，并用T7、T8和T9 3只雙向晶閘管與主電容橋聯(lián)接；采用C1與C4、C3與C6、C5與C2 3 對(duì)同容量的電力電容器構(gòu)成主電容橋，3 個(gè)橋路的中點(diǎn)與異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的3 個(gè)末端相聯(lián)；采用普通晶閘管T1 與T4、T3 與T6、T5 與T2 分別串聯(lián)成三相逆變橋，3個(gè)橋路的中點(diǎn)與三相定子繞組的3個(gè)首端相聯(lián)。主電路的特點(diǎn)是：三相逆變橋與三相主電容橋共同構(gòu)成三相繞組的變流主電路，并在某一晶閘管導(dǎo)通的瞬間構(gòu)成一個(gè)電容器放電與另一電容器充電的雙回路；主、副電容橋用3 只雙向晶閘管分別聯(lián)接其交流端，在觸發(fā)相位角的移相變化中，可將副電容橋的電容器逐漸并入主電容橋，使總的電容量在50%~100%范圍內(nèi)變化；主副電容器以兩兩串聯(lián)形式對(duì)直流回路進(jìn)行電壓濾波，還用橋路中點(diǎn)與電機(jī)繞組聯(lián)成回路而進(jìn)行電流諧振與換流；在逆變橋晶閘管上分別并聯(lián)的電阻與電容器串聯(lián)的阻容保護(hù)電路，不僅可延緩電壓突變而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的保護(hù)，并且還在其反向通流中形成反向電壓而保證晶閘管的可靠關(guān)斷。

　　逆變橋6 只晶閘管的控制方式是：按照晶閘管T1—T2—T3—T4—T5—T6的順序依次觸發(fā)導(dǎo)通循環(huán)進(jìn)行控制，其頻率在5耀60 Hz范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。

　　在3 只雙向晶閘管T7、T8 和T9 的觸發(fā)相角前移或后移控制時(shí)，總的電容量相應(yīng)增大或減少。三相半控或全控整流橋的觸發(fā)相位角同于常規(guī)的控制方式，配合電容橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出脈波電流幅值的調(diào)節(jié)。

2 逆變半橋與電容橋組合變流原理

　　若要使電感線圈的電流快速上升并使其相位前移，有效的辦法是動(dòng)態(tài)地施加尖脈沖電壓并使容抗值在工頻范圍接近于感抗值。采用逆變半橋與電容橋組合的變流電路，可在同一橋路的兩只晶閘管的交替通流中形成某一電容器放電而另一電容器充電的雙重作用于感性繞組的通路。例如在晶閘管T1 導(dǎo)通使繞組Wa 正向通流期間，C1 上儲(chǔ)存的電荷經(jīng)由T1對(duì)繞組Wa進(jìn)行放電，同時(shí)經(jīng)由繞組Wa 對(duì)電容器C4 進(jìn)行充電；在晶閘管T4 觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，C4 上的電壓對(duì)繞組Wa 形成反向的放電回路，并同時(shí)對(duì)C1進(jìn)行充電。這種組合變流方式，利用感性繞組在電流脈波經(jīng)過(guò)幅值后其感應(yīng)電勢(shì)變?yōu)樨?fù)值的特點(diǎn)，使充電的電容器電壓值從負(fù)變正并上升至超過(guò)直流回路的電壓值；充電至1.3耀2 倍直流電壓值的電容器，在切換成放電通路時(shí)便以尖脈沖電壓對(duì)感性繞組進(jìn)行快速通流，放電電流的第一個(gè)半波電流波形近似于正弦波；在兩只電容器組合作用的正弦半波電流過(guò)零后，通流的晶閘管自然關(guān)斷。雙電容組合通流過(guò)程使電容器分別承受直流疊加交流的電壓量，也使感性負(fù)載的電流在換流時(shí)僅需電源提供1/2左右的電流值。

　　副電容橋及3 只雙向晶閘管構(gòu)成電容量的調(diào)節(jié)回路，在雙向晶閘管T7、T8和T9 的觸發(fā)相位角前移時(shí)，相當(dāng)于將較大的電容器容量并入了主電容橋，反之在觸發(fā)相位角后移時(shí)，并入的電容量相對(duì)減少，直至完全斷開(kāi)。本電路亦可用1耀4 組固態(tài)繼電器對(duì)分為1耀4 組的副電容橋進(jìn)行分級(jí)控制而平衡負(fù)載電流。

　　在逆變橋6 只晶閘管的依次觸發(fā)導(dǎo)通中，其正向與反向并間隔一定電角度的脈波電流合成為交流電流，并使得定子繞組產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。

　　本電路采用脈波不變而使間隔改變的調(diào)速辦法，即在其輸出向低頻變化時(shí)，僅是脈波電流之間的距離相應(yīng)增大，而電流幅值及脈波寬度的變化較小。在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)階段，正弦半波電流波形之間的寬度要比半波自身的寬度大許多，而旋轉(zhuǎn)電勢(shì)仍是正、負(fù)半波緊連的正弦波，形成了與常規(guī)變頻方法的不同之處。這種快速升降的脈波電流波形，一方面可減少定子漏抗的降壓作用，另一方面在其相位的前移中可避免無(wú)功電流回饋而造成的一系列的損耗。

3 雙繞組的無(wú)回饋逆變與電磁振動(dòng)控制

　　在將三相定子繞組分解成末端相聯(lián)的雙繞組時(shí)，其6 個(gè)繞組的首端對(duì)應(yīng)聯(lián)接于橋路中點(diǎn)分別串聯(lián)1 只反向整流管的三相逆變橋的6個(gè)輸出端上，如圖2 所示。

　　采用雙繞組做法，尤其是定子繞組采用單層結(jié)構(gòu)并將同一相兩繞組間隔360毅槽電勢(shì)相角排布時(shí)，利用兩繞組之間的磁耦合相對(duì)減弱的特點(diǎn)，并結(jié)合兩個(gè)繞組首端聯(lián)接的整流管就可實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流的自回饋。例如在T1導(dǎo)通而對(duì)繞組Wa1進(jìn)行正半波的通流期間，當(dāng)脈波電流從幅值下降而使電勢(shì)變?yōu)樨?fù)值時(shí)，此負(fù)向電勢(shì)對(duì)繞組Wa2與整流管D7 構(gòu)成電感的放電回路，使繞組Wa1 中儲(chǔ)存的電感能量自行轉(zhuǎn)移于繞組Wa2；Wa2在脈波電流下降時(shí)，對(duì)繞組Wa1及整流管D7進(jìn)行電感放電而形成感性無(wú)功能量的轉(zhuǎn)移過(guò)程。這種相互間釋放或吸收電感能量的作用是以相互間的磁耦合關(guān)系較弱為前提，尤其是控制成組的電磁鐵而進(jìn)行排移性的振動(dòng)成型時(shí)，自回饋效應(yīng)更為明顯。

　　在雙繞組的無(wú)回饋?zhàn)冾l控制擴(kuò)展成6耀18 個(gè)橋路的逆變橋與主電容橋及副電容橋時(shí)，其12耀36 個(gè)輸出端聯(lián)接的12耀36 只電磁線圈，便可在依次通流的12耀36 節(jié)拍的控制中，使排列成矩陣的電磁鐵及彈簧形成排移振動(dòng)過(guò)程。這種由6耀18 對(duì)電磁線圈構(gòu)成的雙繞組電路結(jié)構(gòu)，其無(wú)功電流經(jīng)由整流管的自回饋更具有明顯的節(jié)能效果，并可在LC 的諧振中形成人造石英石薄板振動(dòng)成型工藝中有較好的致密效果。

4 換流回路參數(shù)的計(jì)算

　　以圖2 的三相逆變橋控制6 個(gè)電磁線圈為例初步計(jì)算主電路的參數(shù)，具體對(duì)晶閘管T1控制電磁鐵線圈Wa1，并同主電容橋的C1與C4構(gòu)成的回路進(jìn)行計(jì)算。由于C1和C4構(gòu)成的兩個(gè)回路的初始電壓值近于相同，因此可將Wa1分解成并聯(lián)的兩路，設(shè)電阻與電感分別為R 與L。簡(jiǎn)化的等值電路如圖3所示。根據(jù)電工基礎(chǔ)的電容充、放原理，并用拉氏變換與反變換，可推導(dǎo)出兩個(gè)回路的電流方程為

　　在電磁線圈中實(shí)際流過(guò)的電流是ic1 與ic4 的合成值，其第一個(gè)脈波電流近似為正弦波。在計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的換流參數(shù)時(shí)，要考慮旋轉(zhuǎn)電勢(shì)影響因素，電容器容量的選擇要兼顧電流幅值與諧振角頻率兩方面的因素。

5 結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)回饋逆變形成的雙電容諧振通流方式，不僅實(shí)現(xiàn)了普通晶閘管的關(guān)斷，還在突發(fā)性的電容電壓作用中實(shí)現(xiàn)了感性繞組的快速通流，從而在電流相位的前移中產(chǎn)生無(wú)功功率充分補(bǔ)償?shù)墓?jié)電效應(yīng)。調(diào)節(jié)副電容橋的容量是保持轉(zhuǎn)速及電流穩(wěn)定的主導(dǎo)調(diào)節(jié)方式，并在維持電流幅值及脈波寬度近于恒定的調(diào)節(jié)中，以增大脈波之間的寬度方式而降低頻率。本電路易于制造高電壓及大容量的調(diào)速裝置，也易于變換成6相或18相而擴(kuò)展應(yīng)用于其他設(shè)備的控制。