正弦电流波交-交变频器工作原理

    在电力拖动系统中，电动机的电流幅值及波形直接影响电动机的运行，于是需要严格控制和掌握电流的大小和过零点，这就要用正弦电流波交-交变频器。由于电流控制型交-交变频器把输出电流及波形作为主要控制对象，不但简化了线路，降低了成本，而且工作可靠性也大为提高。

    目前采用的控制都是闭环控制，三相全控桥加上PI电流调节器使输出电流按给定函数变化。如果能使电流调节器功能达到最佳，全控桥的输出电流就可以跟踪电流调节器的给定值进行变化。这样如何产生电流调节器给定值iR是一个关键问题。对于图5-3的电路，可以只用一个电流调节器。令

   iR=IRsinω0t

    在0≤ωot≤π的区间内，给定电流iR为正，允许正组P的6个晶闸管得到触发脉冲。正组P跟踪电流给定值，输出交流电流的正半周

   ip=Imsinω0t  0≤ω0t≤π

    当ω0t=π时，一方面发出指令让正组全控桥推入逆变，迫使主回路电流快速下降到零，另一方面检测主回路电流。当电流检测回路发出零电流信号后，为了保证晶闸管恢复正向阻断能力，需要延时速500～1500s，等到正组确实退出工作后才发出下面两个信息：①让负组立即获得触发脉冲，跟踪电流给定值iR，输出交流电流的负半周im=Imsinω0t(0≤ω0t≤2)；②撤消正组的推入逆变信号，让正组重新受到电流调节器的控制。但发往正组的触发脉冲必须立即被封锁住，以便满足无环流反并联所规定的两组不得同时获得触发脉冲的条件。

    当ω0t=2π时，应当关闭负组N，投入正组P。

    采用电流控制型后，只要全控桥的电压调节裕度是足够的，在一定的调节精度下输出电流总能够跟踪给定电流的变化，而不必考虑负载的性质。不管负载的功率因数如何变化，不管负载是电动状态还是发电状态，全控桥均有足够的调节能力．总能够通过其输出电压的变化去迫使输出电流按规定的轨迹变化。

    在电流控制型中，电流给定值等于零的瞬间也就是将全控桥推入逆变的瞬间，且此时主回路的电流已经下降到零值附近。从电流给定值等于零到零电流检测发出换桥信号这段时间不会太长。对于电压控制型，情况就不是这样。给定信号是电压，当电压过零时由于负载功率因数的随机性，主回路电流有可能仍然很大。因此电压控制型也只能依靠零电流检测去掌管换桥过程。由于无法采用强行推入逆变去控制换桥过程，电压控制型输出的交流波正负两半波更容易不等。换句话说，电压控制型含有更大的次谐波，输出电流的对称性往往不如电流控制型。

    电流控制型是在全控桥的电流调节器前输入给定电流iR，当然电流给定值也不一定非是正弦波不可。有时为了简化电路和降低成本，也可以采用其他波形，例如矩形波。但电流波形偏离正弦将会产生谐波损耗和寄生转矩，电动机的性能将变坏。

    对于容量接近1万kW的大型同步电动机，例如高速客车使用的牵引电机，就常使用图5-20所示的供电线路。电流检测在交流侧使用交流电流互感器，在直流侧使用光电耦合器组成直流互感器。图5-20所示为12相交-交电流型变频器的主回路结构，属于无环流反并联工作方式。

    主回路电流何时过零取决于主回路的电磁时间常数、晶闸管的性能、输出电流的大小和频率，以及零电流检测器的灵敏度。在这种电流控制方式中，为了减少谐波产生的转矩冲击，应尽力缩短零电流区间并使之稳定。图5-21示出电流过零时的情况。当t=t0时电流给定iR=0，发出推入逆变指令，触发角移向150°正向电流iA快速下降。当t=t1时零电流检测环节发出过零指令（所有零电流检测器都存在不灵敏区，不可能测出真正的过零点），延时环节TD1开始计时，在TD1延时期间，正向组①及③继续以150°的触发角迫使主回路电流继续下降。延时Ti后，TD1发出指令，一方面撤消推入逆变信号并封锁发往正向组①及③的触发脉冲，另一方面开动延时环节。TD2开始计时。当t=t3时，TD2延时结束，发出指令让反向组②及④获得触发脉冲，反向电流ix开始上升。零电流死区约为1.3ms。

    图5-20    12相交-交电流型变频器的主回路结构

    图5-21    12相交-交变频器的过电零区

    图5-22    同步机的电流环框图

    为了分析电流调节器的校正作用，采用图5-22的框图。同步机的传递函数写作

   (5-1)

    交-交变频器的传递函数写作

   (5-2)

    图5-22的开环传递函数为

   G(s)=Gc(s)Gs(s)Gm(s)    (5-3)

    故得出输出电流

   (5-4)

    采用常用的一阶延迟调节器进行补偿，得电流调节器的传递函数

   (5-5)

    得开环传递函数

   (5-6)

式中，Ta是同步机的电磁时间常数，T是交一交变频器的延迟时间，对于12相结构，T=1.6ms，T1、T2是电流调节器的时间常数，K=KcKs是系统的增益。

    假定T1=0.00668s，T2=0.00143s，K=KcKs=67，根据式(5-1)～式(5-6)证明系统是稳定的，零电流区间也是一种干扰，消除它的办法是采用超前补偿。对应f0=33. 3Hz时采用3ms的提前量，即在IR=0前3ms（相当于36°）将工作桥推入逆变，迫使定子电流提前下降为零。这种超前补偿减少了反电动势的影响，改善了输出电流的响应。

    对于大型同步机，为了保证定位精度，即使停车时也需要给定子绕组送入规定的电流。图5-23所示为一种正弦电流变频器，图中给出了三相中的一相。全控整流桥是给电动机A相绕组供电的电流源，它规定的电流波形如图5-24所示。输出电流的一个周期等分为60份。全控整流桥的输出电流不可能改变方向，只能利用它的电流源强大的调节能力迫使电流按照给定的数值变化。事实上全控桥的输出电流是30拍一个循环。在每个循环的开始，例如第一拍，电流给定值等于零。保证绕组的换流顺利进行，这一拍总是把整流桥的触发角推向150°，以便利用整流桥的最大反向电压去迫使主回路的电流在任何条件下都能迅速下降为零。

    图5-23    正弦电流变频器

    图5-24    规定的电流输出波形

    绕组AX中的交流由晶闸管VTH1+VTH2和VTH3+VTH4完成。第一拍到第30拍属于电流的正半周，由晶闸管VTH1和VTH2工作，VTH3和VTH4截止。反之，从第31拍到60拍属于电流的负半周，晶闸管VTH3和VTH4工作，VTH1和VTH2截止。这种变频器虽然形式上是交-直-交变频器，但它实质上是交-交变频器，不需要强迫换相环节，也就不会因换相电容而引起高压。它依靠全控桥推人逆变进行换相，换相损耗较小。它依靠电流调节器作用将电流钳制在给定值上，并不要求负载电流连续，所以电动机绕组本身的电感已经足够，不需要在直流回路中串入电感。它只用一个整流桥构成电流源，根本不存在环流问题。

    实践证明，对于50周的电源频率，当输出频率f0≤10周时，输出电流具有较好的正弦波，图5-25示出了它的输出波形。

    图5-25    正弦电流变频器的输出波形