《变频器世界》小孙学变频 | 电流型逆变桥的换流过程

小孙问：“在图10－6所示的逆变桥中，晶闸管导通之后，是怎样关断的呢？”

张老师说：“实际的逆变桥的结构有好几种方式，换流过程比较复杂。这里所说的换流过程，是指从某一相晶闸管导通切换到另一相晶闸管导通的过程。

下面，就介绍几种：

● 串联二极管式逆变桥

逆变桥的结构如图6－7所示，其换流过程如下：

1．换流前状态

假设，在换流前，SCR₁和VD₁以及SCR₂和VD₂处于导通状态，电流的路径如图（a）中之路径①：

电源‘＋’→SCR₁→VD₁

→U相绕组→W相绕组

→电源‘－’

电流从U相进，W相出。在此过程中，电容器充电，左‘＋’右‘－’。C₁和C₃串联后又和C₅并联。以后就笼统地称为合成电容C吧。

2．SCR₃触发导通

将SCR₃触发导通，则电容器两侧电位上升，SCR₁因得到反向电压而截止。电容器开始放电，电流的路径如图（b）中之路径②所示：

电源‘＋’→SCR₃→C₁→VD₁

→U相绕组→W相绕组

→电源‘－’

这时，因C₁右侧的电位尚低，二极管VD₃尚未导通。

电流继续从U相进，W相出。

3．重叠换流

一方面，电容器的开始反向充电，路径②仍在继续，如图（c）所示；

另一方面，随着电容器右侧电位的升高，VD₃导通，又增加了如图（c）所示的路径③：

电源‘＋’→SCR₃→VD₃→V相绕组→W相绕组→电源‘－’

在此过程中，既有从U相进，W相出的电流，又有从V相进，W相出的电流，故称为重叠换流。

4．换流完成

当电容器反向充电完毕后，路径②不再继续，就只有路径③了。电流从原来的从U相进入切换为从V相进入了，换流完成。”

小孙问：“这里好像只说了晶闸管在什么时候触发，没有提到移相角？”

张老师说：“假设，电动机绕组是Y形联接的，我们就来分析一下。

● 逆变桥的输出电流和电压

       1．逆变桥的输出电流

如上所述，在一个周期内，SCR₁₁导通后，是通过触发SCR₁₃来关断SCR₁₁的，又通过触发SCR₁₅来关断SCR₁₃，如图10－8（b）所示，所以，每个晶闸管的导通角都等于120°。或者说，每个晶闸管的移相角都是30°，这是不能调节的。”

“那…，怎么来调节逆变桥的输出电流呢？”小孙问。

张老师说：“注意，这是电流源逆变器，它的电流大小取决于电源所提供的电流。实际上，是通过改变整流桥的移相角来改变电路里的电流的。”

“那逆变桥的输出电压又是怎样控制的呢？”小孙又问。

2．逆变桥的输出电压

张老师说：“在电压源电路里，电源的电压是恒定的，电流的大小和波形取决于负载Z_L，如图10－9（a）所示。

而在电流源电路里，电源的电流是恒定的，负载两端电压的大小和波形取决于负载Z_L，如图（b）所示。

现在，我们的逆变桥的负载是三相异步电动机。我们曾经讨论过，在异步电动机里，电源电压所需克服的主要对象是反电动势，而反电动势主要和磁通成正比。电动机的磁通基本上是正弦波，如图（c）中之曲线①所示，当然，反电动势也是正弦波的，如曲线②所示，所以，逆变桥的输出电压也是正弦波，如曲线③所示。

● 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6－9（a）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10－9（a）的上部所示。UR处于整流状态，UI的移相角是30°，如图10－5（b）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。

张老师笑着反问道：“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？”

张老师说：“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。”

张老师说：“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？”

张老师说：“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10－11所示电路中，逆变桥的主电路由SCR₁～SCR₆构成，此外还有用于换流的辅助晶闸管SCR₀₁～SCR₀₆，以及换流电容器C₁～C₃。换流过程如下：

1．换流前

假设在换流前，SCR₁和SCR₂导通，电流的路径如图10－11（a）中的路径①所示：

电源‘＋’→SCR₁→U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

对SCR₃和SCR₀₁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②所示：

电源‘＋’→SCR₀₁→U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②的电流尚未消失；另一方面，由于SCR₃的导通，又增加了如路径③所示的电流：

电源‘＋’→SCR₃→V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③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10－12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，SCR₁和SCR₂导通，电流的路径如图（a）中的路径①所示：

电源‘＋’→SCR₁→U相绕组→W相绕组→SCR₂→电源‘－’

此外，在换流前，SCR₉和SCR₁₀得到短暂脉冲，使C充电：充电回路是：

电源‘＋’→SCR₁→VD₁→SCR₁₀→C→SCR₉→电源‘－’

当充电电流小于晶闸管的维持电流时，SCR₉和SCR₁₀都截止。

2．开始换流

给SCR3、SCR7、SCR8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②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③：

电源‘＋’→SCR₃→V相绕组→W相绕组→SCR₂→电源‘－’

4．换流完成　

C放电完毕后，又通过SCR₇和SCR₈反向充电。反向充电完毕后，SCR₇和SCR₈自行关断。这时，就只有路径③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10－13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U／f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，U／f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。”

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。