新型电流型变频调速装置——GTO'S应用之三

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.02.026 北京科技大学学报 第11卷第2 Vol,11 No.2 1989年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1989 新型电流型变频调速装置 GTO'S应用之三 诸祁同洪定国 杨国权 (北京科技大学白动化系) (北京整花器厂) 摘要：研制采用1支GTOS和6上SCR组成的1种新型变频调速装置。川来控制逆 变器中的SCR换向时刻，并在交流输出端并联3个电容器，其作用是为了提供换向条件， 吸收过电作尖峰和减少输出电流的谐波。用变频调速装置拖动2上W婆应电动机，测定电动 机的电压和电流波形。通过与普通电流型变频调速装置的电机电压和电流波形相比牧，该装 咒还用于风机或乘类负找的交流调速装爱。 关键词：可关断可柠班，电容器，电流型逆变器，换向电路，谐被，网速装置 A New Current Source Inverter Zhu Zutong Fong Dingguo Yang Guoquan ABSTRACT:With the application of one gate turn-off thyristor (GTO'S) and six thyristors,a new current source inverter has been developed.GTO'S is used to conlrol commutation lime of thyristors in the inverter section. Three capacitors are connected to the AC output terminals to provide com- mutation and to absorh overvaltage spikes and to reduce harmonics in the output current.A 2-kW'induction motor is driven by the inverler.The motor valtage and current waveforms are measured and compared with those obtained when the motor is driven by a conventional current source inverter.Therefore.this new current source inverter is very suitable for AC motor variable speed drive in fans or pumps. KEY WORDS:turn-off SCR (gate lurn-off thyristor),capacitor:current soure inverter.co nmutation circuit,harmon'c.variable speed device 1997一12-22收腐 148

第 卷笼 已 均 年 月 北 京 不 住 、 。 宁支 大 学 学 报 声 泛 。 已 新型 电流型变频调速装置 ’ 应用之三 诸祖 同 洪 定国 北 京 科技大 学 自动化系 杨国权 北 京傲洗 器 厂 尹 摘 要 研 制采 用 支 ’ 和 支 组 成的 种新 型 变颊调速 装置 。 用 来控制逆 变器中的 换 向时刻 ， 井在交流输出 端 井联 个 电容器 ， 共 作用是 为 了提 供换 向条件 ， 收 过 电 尖峰 和减少翰出 电流 的谐波 。 用 变 颇调速装置拖 动 感应 电动 机 ， 侧 定 电动 机 的 电压 和 电流波 形 。 通 过 与普通 电流 型变颇 调速装置的 电机 电 爪 和 电流波形 相比 较 ， 该装 哭适 用 于风 机 戍 泵 类 负载 的 交 流 调速 装置 。 关健 词 可 关断 可 拧 硅 ， 电容器 ， 电流 型逆 变器 ， 换 向电路 ， 谐波 ， 调速装置 夕 了 夕 夕夕。 夕 “ ， 一 少 ’ ， ， 、 ， 认 一 ， 、 、 ’ 、 、 。 。 ， 「 ， 一 、 、 一 一 、 ，℃ 〔 一 、 一 ， 一 一 、 ， 、 、 、 、一 一 。 一 一 一 ‘ 、 、 、 ， 手 · 、 · 。 、 。 〔 讥 · ， 、 从 ， 、 、 ， ， · 、 ， 一 一 、 · ， 、 一 一 一 丫 、 、 · ， ， 一 、 一 、 。 、 。 、 一 。 、 一‘ · 一 一 一 手 ， ， 。 、 、 、 一 ， 了 、 一 ， 几 、 、 ‘、 、 】 、 、 、 ， 一 。 一 一 收 稿 “ 沙 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．02．026

电流型变频调速装置目前应用较为广泛，通常采用串联二极管式逆变器【1〕。由于其换 向装置较为复杂，需采用电压很高价格昂贵的换向电容器以及电压等级很高的快速可控硅元 件，这样使装置价格昂贵，无法在风机、泵类负载中推广使用。 国外最近研制成正弦型输入和输出电流型逆变器【2】，但是由于其结构极为复杂，无法 在工业中得到应用。 本文研制的新型电流型变频调速装置，结构简单可满足风机、泵类负载调速的基本要求。 1新型电流型变频调速装置 1.1新型电流型逆变器工作原理 图1表示新型电流型变频调速装置中逆变器的原理接线图。逆变器采用6个可控硅元件 和1支容量较小的GTO元件，同时在逆变器的输出端并联3个普通的电力电容器，逆变器 的换向过程是由GTO元件来控制的。 逆变器中6个可控硅元件每隔60°轮流得到120°宽的触发脉冲的同时，触发GT0元件导 通。当GTO元件导通时，将逆变器直流侧短接，使原先导通的一对可控硅元件被分路，而 使其中的电流很快降到零。此时异步电动机的端电压由电容器C维持，在电动状态时该电压 对被关断的可控硅元件呈反向电压，这样可迫使可控硅元件可靠关断。同时异步电动机漏感 Lk中的储能可被电机的电磁功率和电容器C很快吸收。当GTO导通一定角度后，保证可控 硅元件可靠关断，从而完成换向目的，达到逆变的要求。这种换向过程是十分简单，又非常 可靠。 12 GTQ立 O' 图1新型电流型逆变器 陶2新型逆变器输出电流波形 Fig.1 A new current source inverter Fig.?Output current waveform of the new inverter section 1,2新型电流型逆变器输出电流和电压波形分析 逆变器输出电流的波形如图2所示。图中x为GTO元件的导通角，可将电流i谐波分解 为：i=i,in (1)基波电流，的影响。图3a表示逆变器交流侧基波等值电路。当异步电动机在某一负 载下运行时，电动机负载电流为某一定值，此时对应的电动机电势1及相角中1角也为定 值，因此它们的关系可用图3b中的向量图表示。 149

电流 型 变频调 速装置 目前应 用 较为 广泛 ， 通常 采用串联二极管式逆 变器 〔 ’ 〕 。 由于 其涣 向装置较为复杂 ， 需采用 电压很高价格 昂贵的换 向 电容器 以及 电压 等级很高 的快速可 控硅元 件 ， 这样使 装置价格 昂贵 ， 无法 在 风机 、 泵类 负载 中推 广使 用 。 国外最 近研 制成 正 弦型输 入和输 出 电流型逆 变器 〔 〕 ， 但是 由于其结 构极为 复杂 ， 无法 在工 业 中得到 应 用 。 本文研 制 的新型 电流型 变频调 速装 置 ， 结 构 简单 可 满 足 凤机 、 泵 类 负载调速 的 基本要 求 。 新型 电流型变频调速装置 新 型 电流 型逆变 器工 作原理 图 表示 新型 电流型变频调 速装 置 中逆 变器 的原理接 线 图 。 逆 变器 采 用 个可 控 硅 元牛 和 支容 量较小 的 元 件 ， 同时在 逆 变器 的输出端并联 个普通 的 电 力 电容 器 ， 逆 变搭 的换 向过 程是 由 元件 来控制 的 。 逆 变 器 中 个可 控硅元件每隔 。 “ 轮流 得到 。 宽 的触发脉 冲的同时 ， 触发 元件 导 通 。 当 元件 导通时 ， 将逆 变器 直流侧 短接 ， 使 原先导通 的一对可控硅元件 被分 路 ， 而 使 其 中的 电流很快降到零 。 此时异 步 电 动机 的端 电压 由电容器 维持 ， 在 电动状态时该 电玉 对被 关 断 的可 控 硅元件呈反向 电压 ， 这 样可 迫使可 控硅元件可靠关 断 。 同时异步 电动机漏感 中的储 能可被 电机 的电磁功 率和 电容器 很快吸收 。 当 导通一定角度后 ， 保 证可注 硅元 件可 靠关 断 ， 从 而完 成换 向 目的 ， 达 到 逆 变 的要 求 。 这种 换 向过程是 十分简单 ， 又 非常 可 靠 。 萨 、荞 万 、 又 甲，甲叫 口 尸 － 一 二 险 ’ 卜， 口 。 价 口广 爪二 铸 。 ， 扩 图 新 型 电流 型逆 变器 图 新 型逆 变器 输出 电流 波 形 新 型 电流 型逆变 器输 出 电流 和 电压 波形 分析 逆 变 器输 出 电流 ‘的波形如 图 所示 。 图 中 为 元 件 的 导通角 ， 可 将 电流 谐波分解 为 二 ‘ ， 十 万几 基波 电流‘ ， 的影响 。 图 表 示逆 变器交 流侧 基波 等值电路 。 当异步 电动机 在某一 负 载下 运行 时 ， 电动机 负载 电流与 ，为 某一定值 ， 此 时 对应 的 电动机 电势 ， 及 相角价 角 也为定 值 ， 因此它们的关系可用 图 中的 向量图表示

店 4 (a) (b) 图3交流侧测基波等伉电路及向壁图 Fig.3 Equivalent circuit and phasor diagram for first harmonic in the AC output terminals 电动机端电压的基波值按下式决定： U=E+jiu Xg=E:+jlvio Lx 式：为逆变器输出频书。 H,可求出电容器C中的电流ic1 ic=jUC 从而可确定逆变器输出电流的基波 H=im+ic 从向量图可以看，电容器电流了c:的作用，减小了逆变器输出电流I,同时也减小广 逆变器电流和电机端电压的相位差中，当对应逆变器的控制角减小时，可使逆变器中的可控 硅元件换向时，斥受的反向电压提高，有利于可控硅换向，其至当电机运行在回馈制动状态 时，虽然电动机的中1>S0°，但仍可满足a=中<90°，因而也满足了换向时的反压要求。所 以线路中的电容器C对可靠换向是必不可少的，而且随着逆变器工作频率@，的降低，所需电 容器的容量也要加大。显然电容量的大小影响着调频范围。 (2)谐波电流的影响。按上：述确定逆变器输出基被电流I,斤，就可求出逆变器输出所 对应的各次诰波电流。，其谐波等值电路如图4所示，流向电机中的泸波电流的火小与谐波 阻抗大小有关。以5次谐波为例，并联阳阻抗为 &c:l x=j 1-)?L1.C In IMn (b) (a) (e) 图1交流侧法波分量浮值电路及向世用 Fig.Equivalent circuit and phasor diagram for harmonics in the AC output terminals, 150

翔 、人 愁 】 经杯 氛了‘ 划 交 流 攀波 琴依 电路 及 向 龟图 ， ， 电 动机 端 电压 的甚波值按 下 式 决定 式 ， ，。 、 为 逆 变器输 出 频 率 。 、 十 ‘ 门 由 ， 可求出 电容 器 ‘ ，的 电 流 。 ， 。 ‘ 从 而 可 确定 逆 变器输 出 电流 的 旅波 ， 二 川 从 向 量 图可 以 石出 ， 电容 器 电流 。 ， 的 作 用 ， 减 小 了逆 变器输 出 电流 ， ， 同时 也减 小 ‘ 逆 变器 电流 和 电 机 端 电压 的相 位 差叻 ， 当对应 逆 变 器的控 制 角减 小 时 ， 可使 逆 变器 中的 可控 硅 元件换 向时 ， 承 受 的 反 向 电压 提 高 ， 有 利 于可控 硅换 向 ， 甚至 当电机 运 行在回 馈制 动状 态 时 ， 虽然 电动机 的 价 叨 ” ， 但仍可 满 足 价 。 ， 因而 也满 足 了换 向时 的反 压 要 求 。 所 以 线 路 ‘ ，的 电容 器 对可 靠换 是 必 不可少 的 ， 而且 随 着逆 变器工作 频 率 〕 ， 的降低 ， 所需 电 容 器 的容 量 也要 加 大 。 显然 电容 量 的大 小 影响着调 频范 围 。 谐 波 电流 的影响 。 按 卜述 确定 逆 变 器输 出 基波 电流 ，后 ， 就 可 求出逆 变器输出 所 对应 的各 次诺 波 电 流‘ 。 ， 其谐 波 等值 电 路如 图 所示 ， 流 向电机 ，卜的 铸波 电 流 的 大刁 、 与 咨波 阻 抗 大 小有 关 。 以 乌 次 铸波 为例 ， 卜联 阻 抗 为 ‘ 一 。 ， 〕 誉 、 · 一 一︷ ， 灭 为 二 ， ‘ 〔 、 、 ， 提 卜 认 一 一 土一 。 。 、 。 了。 。 夕 、， 图 一 交流 脚 去波 分 盆冲 八电路 及 六 让图 ” ， 「 、 卜

如1/o,C<⊙sLR,并联阻抗呈容性，如图4b向量图所示，电机中每相谐波电压值U5 较小，对应电机中谐波电流IMs也就较小；如1/w。C>wL,并联阻抗呈感性，如图4c向 量图所示，电机每相谐波电压U较大，电流谐波I“也就较大。为了消除谐波的影响，需要 有足够的电容量，这样对电机的工作较为有利。对于较高次谐波的影响，由于阻抗1/“C的 减小，较高次谐波电流主要被电容C旁路，对电抗的影响很小，电机端较高次谐波电压可忽 略不计。 li ivt iv-i+i in=iu-inz 0 b) 阳5异步电机的电流及电波形 Fig.5 Voltage and current woveforms in the induction motor 图5(.b)分别表示电机运行在上述2种情况下，只计及5次谐波影响时，电机每相 电压及电流波形图，显然当1s·C<wsLk时，对应图5a的波形接近正弦波，而当1/wsC> wsL时，对应图5b的波形相对较差。 2在新型电流型变频器装置上实测波形 在新型电流型变频调速装置上实际测量结果令人满意，完全能满足风机、系类负载调速 的要求。试验电机为2kW的风机，在电机端并联电容量为20μF,50Hz和25Hz并保持Uf =常数时所测得波形如图6a和cb所示。从上到下依次为电动机线电压波形、逆变器输出电 流波形、电动机电流波形、逆变器直流侧电压波形和可控硅管压降波形。实测结果与理论分 析结论是一致的。实验还进一步证明了电容量的大小对工作频率有很大的影响。 从25Hz时可控硅上的管压降波形还可看出，换向可控硅承受的反向电压已很小。它是 由于电容量相对值较小，电动机端谐波电压较大而造成的，因此为了使可控硅可靠换向，可 增大电容量C,或在GTO支路上增设反压电路，试验结果证明这2种方法都是可行的。 新型调速装置也可适用于大功率交流电动机的辅助起动装置，而日前国内引进的装置上 都采用较为复杂的普通电流型变频调速装置，因此这种辅助起动装置的价格也很昂贵，使用 场合受到一定的限制。 151

‘ 、 如 。 。 。 ， 并 联 阻 抗呈容性 ， 如 图 向 量 图所示 ， 电机 中每相 谐 波电 压值 较小 ， 对应电机 中谐波 电 流瓜 。 也就 较小 如 。 。 ， 并 联 阻 抗 呈感性 ， 如 图 “ 向 量图所 示 ， 电机每 相谐 波 电压 较大 ， 电流谐波入 ， 也就 较大 。 为 了消除谐 波 的影响 ， 需要 有 足够 的电 容量 ， 这样 对 电机 的工作 较为有利 。 对 于 较 高 次谐 波 的影响 ， 由于 阻 抗 臼 二 的 减小 ， 较高 次谐 波电 流 主 要被 电 容 旁路 ， 对 电抗 的 影响 很 小 ， 电机端 较高 次谐 波 电压 可忽 略不 计 。 二 。 一 四 ‘ ， 图 异 步 电机 的 电流 及电 压波 形 、 、 、 图 分 别 表示 电机 运行 在 上述 种 情 况 下 ， 只 计 及 。 次 谐波 影 响 时 ， 电机 每相 电压 及 电流 波 形 图 ， 显 然 当 厂 。 · 。 、 时 ， 对 应 图 的波 形 接 近 正 弦波 ， 而 当 。 。 。 。 时 ， 对应 图 的波 形相 对 较差 。 在新型电流型变频 器装置上 实测波形 在新型 电流型 变频调 速装 置上实际 测 量结 果 令人满意 ， 完全能满足凤机 、 泵类 负载调 速 的要求 。 试验电机 为 的风机 ， 在电机 端并联电 容量为 加。 ， 和 并保持 二 常 数时所测得波 形如 图 和 所示 。 从 上到下依 次 为 电动机 线 电压波形 、 逆 变器输 出 电 流波形 、 电动机 电流波形 、 逆 变器直流侧 电压波形和可 控 硅管压 降波形 。 实测结果 与理论分 析结论是 一致 的 。 实验 还进一 步 证明 了 电容量的大 小 对工 作频率 有很大 的影响 。 从 长 时可 控硅 上 的管压降波形 还可 看出 ， 换 向可 控 硅承 受 的反 向 电压 已很小 。 它 是 由于 电容量相 对值 较小 ， 电动机 端谐波 电压 较大而造 成 的 ， 因此 为 了使可 控 硅可 靠 换 向 ， 可 增 大 电容量 ， 或 在 支路 上增设反 压 电路 ， 试验结 果 证明这 种方法都是可行 的 。 新型调 速装置也可适 用于 大功 率交 流 电动机 的辅 助起 动装 置 ， 而 目前 国 内引 进 的装置 上 都采 用 较为 复杂 的普通 电流型 变频调 速装置 ， 因此这 种辅 助起 动装置 的价 格也很昂 贵 ， 使 月 场合受到一定的限制

WM mmmm 111111 A mnM-M (a) b) 图6在新型变频调速装置上实测波形 Fig.6 The tested waveforms in a new current source inverter 3结论 新型电流型变频调速装置基本满足了风机、泵类负载的要求，其调速范围可达2~3，而 且结构简单，价格便宜，易于推广。装置中只用1支容量相对较小的GTO元件控制逆变器 的换向和采用价格便宜的电力电容器，一方面作为换向装置组成部分，改善换向过程，另一 方面可吸收电压峰值并降低SCR的电压等级，改善了电机电流波形，大大减小谐波损耗，提 高电机的出力，也可适当减小逆变器的容量，使总的装置成本大大降低。这种新技术首先将 在30kW~100kW的装置中得到应用。 参考文献 1赵殿甲.可挖硅电路，冶金工业出版社，1986：5 2 Mitsuyuki H,Shigeta U,Yasuo M,IEEE Trans,Iud.Appl,,1985s 1A-21(5):1192 152

厂 了八 严嘛沁 ，， 才 们甘详 竹竹妙 户 图 在 新 型变 烦 调速 装 置 上 实 测 波 形 结 论 新型 电流 型变频 调速 装置基本满足 了风机 、 泵 类 负载的要 求 ， 其调速 范 围可 达 一 ， 而 几结 构简单 ， 价格 便宜 ， 易于推 广 。 装置 中只 用 支容量相 对 较小 的 元 件控 制逆 变器 的换 向和 采 用 价格 便宜 的 电 力电 容 器 ， 一 方面 作 为换 向装 置 组 成部分 ， 改 善换 向过程 ， 另一 方面可吸收 电压 峰值 并降低 的 电压 等级 ， 改善 了电机 电流波形 ， 大 大减 小谐波 损 耗 ， 提 高电机 的出 力 ， 也可 适 当减 小逆 变器的容量 ， 使 总 的装置 成 本大大 降低 。 这 种 新技 术首 先将 在 叭 厂 一 的装置 中得 到 应 用 。 参 考 文 献 赵 殿 甲 可控 硅 电路 ， 冶 金 工业 出版 社 ， ， ， ， 。 刀 ， 一