SFC逆變橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

趙 鑫

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司控制設(shè)備事業(yè)部，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

SFC（static frequency converter）靜止變頻器是抽水蓄能電站水泵工況下機(jī)組啟動(dòng)的主要設(shè)備。目前國內(nèi)眾多抽水蓄能電站主要使用進(jìn)口SFC裝置，非常有必要開發(fā)核心技術(shù)自主的SFC靜止變頻器來滿足國內(nèi)抽水蓄能電站的需求，免受國外牽制，節(jié)省外匯支出。筆者依托科研項(xiàng)目對(duì)SFC靜止變頻啟動(dòng)裝置進(jìn)行了原理機(jī)的研制，搭建了變頻啟動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，現(xiàn)就原理機(jī)SFC逆變橋的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)闡述研究所得，供大家參考。

整個(gè)SFC的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜止變頻器結(jié)構(gòu)圖

圖2 輸入5081的過零脈沖

SRN為整流橋，SRM為逆變橋，L為平波電抗器。對(duì)U、V、W三相交流輸入的整流采用常規(guī)晶閘管相控整流，即在特定的時(shí)刻給晶閘管觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，按交流電壓源的頻率重復(fù)這一過程，將交流電壓變換為脈動(dòng)的直流電壓。整流觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路包含3個(gè)部分：過零檢測(cè)變壓器、比較電路、5081可編程觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊。過零檢測(cè)變壓器將整流側(cè)輸入三相電壓降壓到10V以下，產(chǎn)生6路正弦信號(hào)uuv、uuw、uvw、uvu、uwu、uwv，再經(jīng)由 LM339組成的比較電路，按照正弦信號(hào)值大于0輸出0電平電壓，正弦信號(hào)值小于0輸出-12V電平電壓的邏輯，產(chǎn)生六路輸入5081的方波脈沖，如圖2所示。

研華APAX5081PG脈沖形成模塊能夠捕捉輸入信號(hào)的上升沿或下降沿，于過零時(shí)刻產(chǎn)生延時(shí)和脈寬均可調(diào)的單脈沖觸發(fā)信號(hào)，再經(jīng)后級(jí)的光耦電平變換，從一路分出兩路對(duì)上下兩橋臂同時(shí)施加觸發(fā)脈沖，如圖3所示。

圖3 上下橋臂觸發(fā)脈沖時(shí)刻圖

1 問題的提出

要使主回路工作有電流流動(dòng)，必須滿足3個(gè)前提條件：①同時(shí)觸發(fā)上下兩個(gè)橋臂；②對(duì)晶閘管施加正向電壓；③電路形成閉合回路。單個(gè)整流橋工作原理圖如圖4所示。

圖4 單個(gè)整流橋工作原理圖

可見，由于負(fù)載對(duì)上下橋臂的連接，整流橋可以工作。而SFC將負(fù)載替換成SRM逆變橋的兩個(gè)晶閘管，僅同時(shí)觸發(fā)這兩個(gè)晶閘管而未趕上圖3中整流橋脈沖任意一組的觸發(fā)時(shí)刻，就不會(huì)有電流通過逆變橋到達(dá)電機(jī)繞組。因此，需要為SFC逆變橋設(shè)計(jì)一個(gè)同步驅(qū)動(dòng)電路。

2 簡(jiǎn)易原理電路

如圖5所示是由普通二、三極管和電阻組成的信號(hào)同步電路。

圖5 信號(hào)同步電路

D1～D6與R1組成或邏輯電路，將APAX5081PG發(fā)出的6路單脈沖觸發(fā)信號(hào)或到一起組成觸發(fā)脈沖串。Ui是由APAX5046開關(guān)量輸出模塊發(fā)出的單路脈沖觸發(fā)信號(hào)，一共有6個(gè)這樣的Ui信號(hào)，因?yàn)槟孀儤蛞餐瑯邮?組觸發(fā)組合對(duì)。Ui經(jīng)三極管反相放大后再經(jīng)反相器還原，這時(shí)的信號(hào)再與整流橋或到一起的觸發(fā)脈沖串進(jìn)行邏輯與運(yùn)算。D7、D8及R2組成邏輯與門，其輸出經(jīng)R3基極電阻驅(qū)動(dòng)后級(jí)的三極管光耦電平變換，也分出兩路對(duì)逆變橋施加觸發(fā)脈沖。

3 電路仿真

應(yīng)用Multisim電路仿真軟件搭建了上述電路，驗(yàn)證了該電路的合理性和有效性。如圖6所示，KeyA代表一路整流橋的脈沖信號(hào)，KeyB代表另一路信號(hào)，KeyC代表逆變橋的一路觸發(fā)信號(hào)，該電路的大致功能是將KeyA和KeyB進(jìn)行邏輯線與，其結(jié)果再經(jīng)二極管D1、D2和KeyC進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，最后經(jīng)Q1組成的反相器到達(dá)Q2、U4的輸出級(jí)。用A代表KeyA，B代表KeyB，C代表KeyC，輸出信號(hào)為Uo，這樣電路的邏輯關(guān)系可以簡(jiǎn)單表示為邏輯運(yùn)算簡(jiǎn)化結(jié)果為Uo=（A+B）·C。仿真運(yùn)行觀察虛擬示波器，各節(jié)點(diǎn)電壓值符合搭建的數(shù)字邏輯功能，實(shí)現(xiàn)了圖5的信號(hào)同步電路。

4 SFC裝置中的實(shí)際應(yīng)用

為確保電路可靠工作，試驗(yàn)裝置中均采用成熟數(shù)字集成電路：CD4078BF或門、74HC08與門、HEF4069非門、高速光耦TLP521、大功率NPN晶體管S9013。速變脈沖產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖7所示。

圖6 Multisim電路仿真圖

圖7 逆變脈沖產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路

圖8 晶閘管觸發(fā)信號(hào)

圖9 同步觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生

圖8 所示為一路晶閘管觸發(fā)信號(hào)。上面的波形是脈沖放大器前端的觸發(fā)信號(hào)，可見一個(gè)周期內(nèi)，先發(fā)一個(gè)脈沖再補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖；下面的波形是最終加在晶閘管GK門陰極之間的觸發(fā)脈沖。圖9所示為信號(hào)同步電路輸出波形圖，整流觸發(fā)信號(hào)周期為3.3ms，在低速階段逆變橋的觸發(fā)信號(hào)周期要遠(yuǎn)大于3.3ms，由圖中波形可知，信號(hào)同步電路的原理實(shí)質(zhì)上是采用整流信號(hào)對(duì)逆變橋進(jìn)行觸發(fā)。逆變觸發(fā)信號(hào)只起到使能輸出的作用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)中使用的靜止變頻器的逆變橋的觸發(fā)方法，由問題的提出開始，循序漸進(jìn)地闡述了觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的原理、仿真、實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成功地實(shí)現(xiàn)了SFC逆變橋的觸發(fā)，為我國抽蓄電站關(guān)鍵設(shè)備SFC靜止變頻器的設(shè)計(jì)制造提供參考。

[1] 李志民，張遇杰.同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 林輝，王輝.電力電子技術(shù)[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.