專利名稱：電容性移相觸發(fā)變流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種移相觸發(fā)控制的AC-DC變流器，其可調(diào)直流輸出供直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速。
現(xiàn)有的AC-DC變流器的開關(guān)元件都是普通的晶閘管，由于普通晶閘管的關(guān)斷只能靠自然斷流或者開關(guān)元件陰極至陽(yáng)極的反向電壓強(qiáng)迫關(guān)斷，從三相電壓波形圖看，只有當(dāng)α＞0°時(shí)，強(qiáng)迫關(guān)斷反向電壓的條件才具備，因此，普通晶閘管AC-DC移相觸發(fā)變流器的移相范圍一概無(wú)例外都是α＞0°。這樣，從供電電源看，普通晶閘管AC-DC變流器對(duì)供電電網(wǎng)總是表現(xiàn)為感性的。
本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種電容性移相觸發(fā)變流裝置，它在向調(diào)速直流電機(jī)提供可調(diào)直流電壓的同時(shí)能夠向供電交流電網(wǎng)提供超前無(wú)功功率。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的電容性移相觸發(fā)變流裝置就其結(jié)構(gòu)而言為一個(gè)2N相零式變流器，供電電網(wǎng)為N相，因此自N相電網(wǎng)至2N相零式變流器之間有一臺(tái)初級(jí)/次級(jí)為N相/2N相具有零線的整流變壓器，對(duì)于通常三相電網(wǎng)，所述的變流器為六相零式的，所述的整流變壓器是△/Y-入接線方式的，六根相線上都接有一只可控啟通可控關(guān)斷的開關(guān)元件Qi(i＝1～6)，所述的可控啟通可控關(guān)斷之開關(guān)元件可以是GTR串一只承受反向電壓的二極管，可以是GTO串一只承受反向電壓的二極管，也可以是一只能夠承受反向電壓的GTO元件，例如西安電力電子技術(shù)研究所提供的KG型GTO元件，六只開關(guān)元件輸出端并接成一根輸出線與整流變壓器的零線構(gòu)成變流器的兩根直流輸出線;以下均以N＝3為例敘述。
所述的變流器的開關(guān)元件若是GTR，即大功率雙結(jié)型復(fù)合三極管，其觸發(fā)電路由同步信號(hào)，相序自動(dòng)識(shí)別單元和移相觸發(fā)單元構(gòu)成;同步信號(hào)由同步變壓器TFSYa、b、c之次級(jí)電壓ua1，ub1，和uc1提供，其相位分別與供電電網(wǎng)線電壓uAB，uBC和uCA相同;相序自動(dòng)識(shí)別單元由隔離變壓器TFIS1、2，比較器CMP1～4，D閂電路LT1，LT3和多路開關(guān)MTA1～6組成;移相觸發(fā)單元由移相單元APSTy、b、r，脈寬形成電路MSi(i＝1～6)，無(wú)論相序如何都能保證后一啟通開關(guān)元件觸發(fā)脈沖前沿關(guān)斷前一導(dǎo)通開關(guān)元件觸發(fā)脈沖的多路開關(guān)MTi(i＝1～6)和MT′i(i＝1～6)，緩沖電路BFi(i＝1～6)，脈沖功放電路QAi(i＝1～6)和脈沖變壓器TFMAi(i＝1～6)構(gòu)成。
所述的移相單元APSTy、b、r的單元端(8)引入同步信號(hào)，端(9)自15KΩ電阻引入偏移信號(hào)，10KΩ電阻引入控制信號(hào)iout，單元內(nèi)部產(chǎn)生由同步電壓控制的定時(shí)斜率鋸齒波與單元端(9)引入之信號(hào)綜合決定移相值;單元端(1)和(15)分別輸出相隔180°電角度的寬度為0.4毫秒的脈沖。移相單元輸出的0.4毫秒寬的脈沖共六個(gè)分別觸發(fā)輸出脈沖寬度為80°以上的六個(gè)脈寬形成單穩(wěn)電路MSi(i＝1～6)，其Q輸出通過(guò)緩沖器BFi(i＝1～6)到脈沖功放電路。
所述的脈沖功放電路由功放管QAi(i＝1～6)和作為功放管集電極負(fù)載的脈沖變壓器TFMAi(i＝1～6)組成;所述的脈沖變壓器之初級(jí)繞組上并接有一條由二極管和電阻串聯(lián)的放電支路，只要電阻阻值適當(dāng)大，在觸發(fā)脈沖后沿出現(xiàn)時(shí)QAi由飽和導(dǎo)通變截止，脈沖變壓器鐵芯儲(chǔ)能通過(guò)初級(jí)放電回路釋放能量并在次級(jí)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間40微秒的尖負(fù)脈沖以利于所觸發(fā)的開關(guān)元件關(guān)斷。
所述的變流器的開關(guān)元件若是GTO，即可關(guān)斷晶閘管，其觸發(fā)電路由同步信號(hào)，相序自動(dòng)識(shí)別單元和移相觸發(fā)單元構(gòu)成;同步信號(hào)和相序自動(dòng)識(shí)別單元與采用上述GTR開關(guān)元件觸發(fā)電路的對(duì)應(yīng)電路相同;移相觸發(fā)單元由移相單元或稱移相信號(hào)綜合單元APSTy、b、r，脈寬形成單元，啟通脈沖控制信號(hào)，關(guān)斷脈沖控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路單元組成;其中移相單元或稱移相信號(hào)綜合單元APSTy、b、r;脈寬形成單元MS11～16以及多路開關(guān)MT1～6，MT′1～6與采用GTR開關(guān)元件觸發(fā)電路中的移相觸發(fā)單元的對(duì)應(yīng)電路相同;MS1i(i＝1～6)之Q輸出經(jīng)倒相緩沖器BF1i(i＝1～6)控制相應(yīng)的雙結(jié)型三極管QA1i(i＝1～6)，雙結(jié)型三極管集電極輸出即是啟通脈沖控制信號(hào)，接到專用的GTO驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)之啟通脈沖控制端ONC;MS1(i＝1～6)之Q輸出觸發(fā)MS2i(i＝1～6)單穩(wěn)態(tài)，MS2i(i＝1～6)之Q輸出經(jīng)倒相緩沖器BF2i(i＝1～6)控制雙結(jié)型三極管QA2i(i＝1～6)，雙結(jié)型三極管QA2i之集電極輸出即是關(guān)斷脈沖控制信號(hào)，接到上述的GTO驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)之關(guān)斷脈沖控制端OFFC;驅(qū)動(dòng)電路DRCi之輸出接到相應(yīng)GTO元件Qi(i＝1～6)之門極上，當(dāng)ONC為+15伏高電平時(shí)DRCi向Qi發(fā)出觸發(fā)脈沖使QAi可靠啟通，當(dāng)OFFC為+15伏高電平時(shí)DRCi向Qi門極注入元件關(guān)斷電流標(biāo)稱值三分之一而寬度為40微秒的負(fù)脈沖使GTO可靠關(guān)斷。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電容性移相觸發(fā)變流裝置，它在向調(diào)速直流電機(jī)提供可調(diào)直流電壓的同時(shí)能夠向供電交流電網(wǎng)提供超前無(wú)功功率。如果這套調(diào)速裝置是某種多電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械的一部分，其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)是常用的三相交流鼠籠機(jī)，那末，該工作機(jī)械由于所述的調(diào)速裝置產(chǎn)生動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的功能，即DVG功能(Dynamic Var Generation)保持對(duì)供電電網(wǎng)較高的功率因數(shù)，減少了工作機(jī)械與供電電網(wǎng)的無(wú)功電能交換，達(dá)到減少電能傳輸損耗的目的。
附
圖1A采用GTO開關(guān)元件的移相觸發(fā)變流裝置原理圖。
附圖1B采用GTR串接二極管作為開關(guān)元件的移相觸發(fā)變流裝置原理圖。
附圖2負(fù)荷電流等于直流Id時(shí)，供電電源相電壓、整流變壓器初級(jí)相電壓繞組電流，整流變壓器初級(jí)供電線電流的波形圖。
附圖3整流變壓器次級(jí)相電壓波形圖附圖4變流器橋臂電壓與相應(yīng)電流的關(guān)系附圖5變流器開關(guān)元件為GTR時(shí)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路附圖6是KJ004片子內(nèi)部線路與外輔電路構(gòu)成的具有垂直控制功能的移相觸發(fā)電路。
附圖7當(dāng)電源A、B、C為正序時(shí)，相序自動(dòng)識(shí)別電路的時(shí)序邏輯關(guān)系圖附圖8當(dāng)電源A、B、C為負(fù)序時(shí)，相序自動(dòng)識(shí)別電路的時(shí)序邏輯關(guān)系圖附圖9當(dāng)電源A、B、C為正序時(shí)，開關(guān)元件觸發(fā)時(shí)序邏輯圖附圖10當(dāng)電源A、B、C為負(fù)序時(shí)，開關(guān)元件觸發(fā)時(shí)序邏輯圖附圖11變流器開關(guān)元件為GTO時(shí)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做過(guò)一步的描述本發(fā)明設(shè)計(jì)的電容性移相觸發(fā)變流裝置其相移方向與傳統(tǒng)的AC-DC普通晶閘管變流裝置相移方向相反。從示波圖上看，傳統(tǒng)的普通晶閘管移相觸發(fā)變流裝置移相角自α＝0可以右移到，例如，α＝150°，或β＝30°。如果該種變流器輸出電流是無(wú)級(jí)波的直流電流，那末，可以證明從供電電網(wǎng)看該種變流裝置輸入端的基波功率因數(shù)等于cosα。這就是說(shuō)，當(dāng)α≤90°時(shí)，α越大，輸出直流電壓越低，電網(wǎng)供電電流基波對(duì)同名電壓滯后角越大，功率因數(shù)越低。
按傳統(tǒng)的AC-DC普通晶閘管移相觸發(fā)變流裝置使用的符號(hào)及含義，本發(fā)明的移相范圍是α＝0°左移到α＝-150°。實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常是[-120°～0°]。
本變流裝置的整流變壓器是△/Y-入接線方式。變流器由六只可控啟通可控關(guān)斷的開關(guān)元件組成，可以是GTR，也可以是GTO(見附圖1)。每個(gè)開關(guān)元件最長(zhǎng)的連續(xù)導(dǎo)通區(qū)間是60°電角度，對(duì)于50Hz電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，即3.33ms。
附圖2是負(fù)荷電流等于直流Id時(shí)，供電電源相電壓，整流變壓器初級(jí)相電壓繞組電流，整流變壓器初級(jí)供電線電流的波形圖。
變流器輸出的直流電壓和移相觸發(fā)角的關(guān)系推導(dǎo)如下，假定變流器輸出電流連續(xù)，從附圖3可知θ＝2πft，f電網(wǎng)頻率
<p>所以，
這就是說(shuō)，移相范圍在[-60°，0°]區(qū)間內(nèi)變流器工作在整流狀態(tài)，而移相范圍在[-150°，-60°]區(qū)間內(nèi)變流器工作在逆變狀態(tài)。這里，變流器輸出電流連續(xù)這個(gè)先決條件是不言而喻的。
可以證明，如果變流器輸出數(shù)值恒定的直流電流Id，那末α角越左移，所述的變流器向供電電網(wǎng)提供的超前無(wú)功功率越大。以整流變壓器次級(jí)a相為例，參見附圖4
其中θ＝2πft，f為供電電網(wǎng)頻率，幅值為Id方波電流寬度為60°電角度由開關(guān)元件Q1提供。幅值為-Id寬度為60°電角度之方波電流由開關(guān)元件Q4提供。移相觸發(fā)角α如圖4所示。
為將電流波用余弦項(xiàng)Fourier級(jí)數(shù)表示，將縱座標(biāo)軸移到Id方波中間位置，新座標(biāo)系橫軸變量用φ表示。
顯然，φ＝θ-α-30°
在新座標(biāo)系上的電流波函數(shù)是
是偶函數(shù)，所以只有余弦項(xiàng)系數(shù)不一定為零。余弦項(xiàng)基波系數(shù)
= 2/(π) Id所以電流波的基波分量是i1(φ)＝ 2/(π) Idcosφ
與相應(yīng)的整流電壓函數(shù)這就證明了α角越左移，電流基波越超前。從向供電電網(wǎng)貢獻(xiàn)超前無(wú)功功率這一點(diǎn)看，本變流裝置向帶動(dòng)中速大轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電是很理想的。
本變流裝置開關(guān)元件是可控關(guān)斷的。為避免開關(guān)換流過(guò)程中的暫態(tài)過(guò)電壓，后一個(gè)元件的啟通取決于前一個(gè)元件的關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的邏輯設(shè)計(jì)保證了這一點(diǎn)。它保證換流過(guò)程中的兩個(gè)開關(guān)元件有一個(gè)導(dǎo)通重迭區(qū)，使變流器輸出電流連續(xù)。
如果所述的變流器開關(guān)元件是GTR，即大功率晶體三極管，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路如附圖5所示。按功能可以分成如下幾部分描述1、同步信號(hào)2、相序自動(dòng)識(shí)別3、移相觸發(fā)1、同步信號(hào)所述的變流器開關(guān)元件觸發(fā)電路的移相功能是用移相觸發(fā)集成電路片，例如，用KJ004來(lái)完成的。附圖6是KJ004片子內(nèi)部線路與外輔電路構(gòu)成的具有垂直控制功能的移相觸發(fā)電路。按該電路的設(shè)計(jì)每半個(gè)電網(wǎng)周波產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波，同步信號(hào)是正弦波。因相序自動(dòng)識(shí)別的需要，同步信號(hào)須經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，例如MC14016，接到KJ004之同步輸入端，即片腳<8>。同步信號(hào)由隔離變壓器TFSYa、b和C之次級(jí)信號(hào)Ua1、Ub1和Uc1組成。這三個(gè)正弦信號(hào)的均方根值均為4.5伏。
2、相序自動(dòng)識(shí)別相序由線電壓UAB和UCA經(jīng)隔離變壓器TFIS1、2隔離然后經(jīng)整形器CMP1、2整形成方波然后在D觸發(fā)器，例如MC14013，進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)電源A、B和C為正序時(shí)，D觸發(fā)器LT1之Q輸出為高電平，以后記作H，而Q為低電平，以后記作L，因?yàn)樵贒觸發(fā)器LT1之時(shí)鐘輸入脈沖上升沿時(shí)刻，其D輸入端為H。其時(shí)序邏輯關(guān)系見圖7。當(dāng)A、B和C為負(fù)序時(shí)，LT1之Q輸出為L(zhǎng)而Q為H。相序的時(shí)序邏輯關(guān)系見圖8。
當(dāng)A、B和C為正序時(shí)，變流器開關(guān)導(dǎo)通順序應(yīng)是Q1-Q2-Q3-Q4-Q5-Q6-Q1循環(huán)。當(dāng)A、B和C為負(fù)序時(shí)，變流器開關(guān)導(dǎo)通順序應(yīng)是Q6-Q5-Q4-Q3-Q2-Q1-Q6循環(huán)。本發(fā)明用調(diào)整移相觸發(fā)器相應(yīng)的同步電壓的辦法來(lái)保證這一順序的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
參照附圖5，當(dāng)A，B和C為正序時(shí)，多路開關(guān)MTA1、3、5導(dǎo)通而MTA2、4、6斷開。加在型號(hào)為KJ004之移相觸發(fā)集成電路片PSTy、b和r上的同步信號(hào)依次分別是Uc1、Ua1和Ub1，從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)啟通觸發(fā)脈沖順序是Q1-Q2-Q3-Q4-Q5-Q6盾環(huán)。當(dāng)A、B和C為負(fù)序時(shí)，多路開關(guān)MTA2、4、6導(dǎo)通而MAT1、3、5斷開，使得加在APSTy、b和r上的同步信號(hào)依次分別變成Ub1、Uc1和Ua1，從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)啟通觸發(fā)脈沖順序是Q6-Q5-Q4-Q3-Q2-Q1-Q6循環(huán)。
D觸發(fā)器LT1電源電壓是±9v雙電源，多路開關(guān)MTA1～6集成電路片的電源電壓也是±9v雙電源。
3、移相觸發(fā)移相觸發(fā)功能由KJ004移相觸發(fā)IC及外輔電路構(gòu)成的移相觸發(fā)器APSTy、b和r實(shí)現(xiàn)。移相角由三個(gè)信號(hào)綜合決定。這三個(gè)信號(hào)是KJ004內(nèi)部鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的定時(shí)定斜率鋸齒波，鋸齒波長(zhǎng)度為同步信號(hào)兩相鄰過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間約170°電角度;由KJ004片腳<9>上所接的15KΩ電阻引入固定偏移電壓和同一片腳上的10KΩ電阻引入移相控制信號(hào)。偏移電壓如此整定在控制信號(hào)等于零的前提下整定偏移電壓使觸發(fā)脈沖發(fā)生在α＝-60°時(shí)刻。如果此時(shí)變流器輸出電流連續(xù)那末輸出電壓的直流分量恰好為零。偏移整定好后觸發(fā)脈沖相移就只取決于控制信號(hào)iout了。如果控制信號(hào)為負(fù)，觸發(fā)脈沖自α＝-60°右移，即α變大，變流器工作在受控整流狀態(tài)。如果控制信號(hào)為正，觸發(fā)脈沖自α＝-60°左移，即α變小。此時(shí)如果外部條件具備，變流器將接受灌電流把負(fù)荷釋放的直流電能轉(zhuǎn)變成交流返回供電電網(wǎng)。
變流器的開關(guān)元件Q1～6的觸發(fā)脈沖寬度為60°電角度的寬脈沖。脈寬由六個(gè)單穩(wěn)態(tài)MS1～6決定，單穩(wěn)態(tài)電路可以是MC14528集成電路。單穩(wěn)態(tài)的暫穩(wěn)脈寬整定在80°電角度左右。實(shí)際工作時(shí)前一個(gè)開關(guān)元件觸發(fā)脈沖的后沿由后一個(gè)開關(guān)元件觸發(fā)脈沖的前沿控制，目的是保證兩只換流開關(guān)有一個(gè)導(dǎo)通重迭區(qū)。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)是另一個(gè)D觸發(fā)器LT3之Q和Q輸出SYA1和SYA2控制觸發(fā)脈沖后沿的控制順序。當(dāng)A、B和C為正序時(shí)，LT3之Q為H而Q為L(zhǎng)，這樣單穩(wěn)MS1～6的復(fù)位輸入端CD上多路開關(guān)MT1～6導(dǎo)通而MT′1～6關(guān)斷。這樣，以Q1和Q2換流過(guò)程為例來(lái)闡述其過(guò)程可以這么說(shuō)自MS1暫穩(wěn)脈沖上升沿開始，60°電角度時(shí)，MS2之Q自L變?yōu)镠，開關(guān)元件Q2得到觸發(fā)脈沖，同時(shí)MS2的Q自H變L，通過(guò)MT1送到MS1的C0迫使MS1的暫穩(wěn)結(jié)束，如果沒有這個(gè)復(fù)位信號(hào)，MS1暫穩(wěn)將持續(xù)80°左右電角度。這樣，MS1之Q變?yōu)長(zhǎng)，功放管QA1截止，脈沖變壓器TFMA1輸出之正觸發(fā)脈沖結(jié)束。所述之脈沖變壓器之初級(jí)繞組通過(guò)適當(dāng)選擇的電阻和二極管形成放電回路。這樣，脈沖變壓器次級(jí)繞組發(fā)出幅度較大持續(xù)數(shù)十微秒的尖負(fù)脈沖加速開關(guān)元件Q1之關(guān)斷。當(dāng)A、B和C為負(fù)序時(shí)，LT3之Q為L(zhǎng)而Q為H，多路開關(guān)MT導(dǎo)通而MT1～6關(guān)斷。仍以Q1為例，在MS1暫穩(wěn)持續(xù)60°電角度時(shí)，MS6的Q變?yōu)镠，開關(guān)元件Q6得到觸發(fā)脈沖，同時(shí)MS6之Q變?yōu)長(zhǎng)，通過(guò)MT′1和MS1的CD端迫使MS1暫穩(wěn)結(jié)束。開關(guān)元件Q1之啟通觸發(fā)脈沖結(jié)束后得到加速關(guān)斷負(fù)脈沖的情況與前類同，不再贅述。
很明顯，附圖5中移相觸發(fā)集成電路片APSTy、b和r(KJ004型)在所述的驅(qū)動(dòng)電路中只有兩個(gè)作用第一，產(chǎn)生與控制信號(hào)相應(yīng)的觸發(fā)脈沖相移;第二，觸發(fā)決定脈沖寬度并能實(shí)現(xiàn)后一觸發(fā)脈沖前沿控制前一觸發(fā)脈沖后沿的單穩(wěn)態(tài)電路MS1～6。APSTy、b和r本身輸出之脈沖寬度不過(guò)0.4毫秒，與開關(guān)元件Q1～6之觸發(fā)脈沖寬度沒有關(guān)系。另外，因?yàn)镵J004無(wú)法實(shí)現(xiàn)后一觸發(fā)脈沖前沿控制前一觸發(fā)脈沖后沿的功能，也不可能輸出寬度達(dá)80°的觸發(fā)脈沖，所以不得不選用例如MC145228單穩(wěn)IC片來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。
附圖9和10分別是A，B和C為正序和負(fù)序的開關(guān)元件觸發(fā)時(shí)序邏輯圖。
另一點(diǎn)說(shuō)明是，為什么MS1～6暫穩(wěn)脈寬定在大于80°左右電角度。所述的變流器六個(gè)開關(guān)元件Q1～6在一個(gè)電網(wǎng)周波內(nèi)每一個(gè)元件導(dǎo)通60電角度，這是指控制電壓為某一常數(shù)時(shí)的情況。而在實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)中控制信號(hào)在不斷變化以保證運(yùn)行系統(tǒng)有某些規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。這樣，兩相鄰的開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)間有可能比60°短，也有可能比60°長(zhǎng)。根據(jù)普通晶閘管變流器觸發(fā)脈沖模式(寬脈沖或雙脈沖)，MS1～6暫穩(wěn)脈寬定在大于80°小于100°就滿足要求了。
如果所述的變流器開關(guān)元件是GTO，即可關(guān)斷晶閘管，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路如附圖11所述。它由同步信號(hào)，相序自動(dòng)識(shí)別和移相觸發(fā)三部分構(gòu)成。同步信號(hào)和相序自動(dòng)識(shí)別兩部分與附圖5相同。移相觸發(fā)部分由移相信號(hào)綜合，脈寬形成，啟通脈沖控制信號(hào)，關(guān)斷脈沖控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路單元組成。移相信號(hào)綜合在移相觸發(fā)器集成片APSTy、b、r上進(jìn)行，自片〈9〉端15KΩ電阻輸入之控制信號(hào)iout與片本身產(chǎn)生之定時(shí)斜率鋸齒波綜合決定移相值，片之〈1〉和〈15〉端分別產(chǎn)生相隔180°電角度的觸發(fā)信號(hào)。脈寬形成移相觸發(fā)信號(hào)上升沿即APSTy、b、r之〈1〉和〈15〉端輸出信號(hào)分別去觸發(fā)各個(gè)單穩(wěn)MS11～16，單穩(wěn)脈寬80°以上，實(shí)際觸發(fā)脈沖后沿由單穩(wěn)之CD端復(fù)信信號(hào)決定。以開關(guān)元件Q1在電源正序條件下觸發(fā)順序?yàn)槔?，此時(shí)多路開關(guān)控制信號(hào)SYA1為高電平，SYA2為低電平，所以多路開關(guān)MT1～6通，MT′1～6斷。當(dāng)開關(guān)元件Q2觸發(fā)脈沖前沿出現(xiàn)，MS12之Q脈沖下降沿通過(guò)MT1在MS11之CD端使MS11復(fù)位，QA11輸出變低電平，Q1之啟通觸發(fā)脈沖結(jié)束。QA11集電極輸出即是GTO專用驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)(例如西安電力電子技術(shù)研究所研制的KGC驅(qū)動(dòng)電路)的啟通脈沖控制信號(hào)，接到DRCi的ONC端。關(guān)斷脈沖控制信號(hào)MS11之Q是MS21之觸發(fā)輸入，MS21之Q輸出通過(guò)BF21使QA21飽和導(dǎo)通，輸出40微秒寬幅度+15伏的關(guān)斷負(fù)脈沖控制信號(hào)，這一信號(hào)接到GTO專用驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)的關(guān)斷脈沖控制端OFFC。驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)控制GTO啟通和關(guān)斷。以KGC驅(qū)動(dòng)電路為例，當(dāng)啟通脈沖控制信號(hào)為+15伏時(shí)驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)GTO門極使其啟通，當(dāng)關(guān)斷脈沖控制信號(hào)為+15伏時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路向GTO門極注入元件關(guān)斷電流標(biāo)稱值三分之一而寬度為40微秒的負(fù)脈沖使GTO可靠關(guān)斷。
最后一點(diǎn)說(shuō)明是一般GTR或GTO都有一只反并二極管，所以在本方案中所述之可控啟通可控關(guān)斷元件是一只GTR與一只承受反壓的二極管串聯(lián)或是一只GTO與一只承受反壓的二極管串聯(lián)。這樣，開關(guān)元件承受正向電壓時(shí)由GTR或GTO之電壓特性保證，開關(guān)元件反向電壓承受能力由所述的串聯(lián)二極管反向電壓承受能力保證。當(dāng)然，如果采用西安電力電子技術(shù)研究所的KG型GTO元件就可不用串聯(lián)二極管。
用變流電源的直流調(diào)速系統(tǒng)給供電電網(wǎng)提供超前無(wú)功功率的先例是有的。例如，日立制作所的專利CN87106578A即是一例，然而該專利論述的是一個(gè)脈寬調(diào)制系統(tǒng)，用可關(guān)斷開關(guān)元件組成一個(gè)三相全控橋形式的變流器，在一個(gè)電網(wǎng)周波里，每個(gè)開關(guān)進(jìn)行若干次啟通關(guān)斷操作，控制脈沖序列中各個(gè)脈沖的寬度，開關(guān)頻率例如500HZ以上到3KHZ，根據(jù)檢測(cè)到的同一供電系統(tǒng)中通用負(fù)荷的無(wú)功功率來(lái)控制所述的變流系統(tǒng)的脈沖占空比從而實(shí)現(xiàn)變流器向供電電網(wǎng)提供超前無(wú)功功率的目的。所述的變流系統(tǒng)屬電流源型的。
本發(fā)明涉及的系統(tǒng)是移相觸發(fā)系統(tǒng)，由于采用了可控啟通可控關(guān)斷元件作為變流器的開關(guān)元件，移相方向與傳統(tǒng)的普通晶閘管三相全控橋相反。普通晶閘管三相全控橋移相方向是自α＝0°右移到例如α＝150°，其中移相角α在
之間時(shí)變流器工作在可控整流狀態(tài)，α在[90°，150°]之間時(shí)變流器工作在逆變狀態(tài)，如果所述之變流器的直流負(fù)荷有足夠的能量要回饋入交流供電電網(wǎng)的話。本發(fā)明變流器的移相方向是自α＝0°左移到例如α＝-150°，其中移相角α在[-60°，0°]之間時(shí)變流器工作在可控整流狀態(tài)，α在[-150°，-60°]之間時(shí)變流器工作在逆變狀態(tài)，如果所述的變流器的直流負(fù)荷有足夠的能量要回饋入交流供電電網(wǎng)的話。由于該變流器移相方向左移，所以變流器提供的電流基波相位是超前同名電壓的，實(shí)現(xiàn)了向供電電網(wǎng)發(fā)出超前無(wú)功功率的目的。本發(fā)明的變流器就其結(jié)構(gòu)而言是一個(gè)2N相零式變流器，如果供電電網(wǎng)是N相的話。對(duì)于三相供電電網(wǎng)，該變流器是六相零式的。六根相線接六只可控啟通可控關(guān)斷開關(guān)，六只開關(guān)輸出并接在一起作為變流器直流輸出之一端，直流輸出之另一端即是零線。
應(yīng)用本發(fā)明闡述的DVG功能的第一個(gè)實(shí)例將是第八個(gè)五年計(jì)劃期間我國(guó)滾筒式采煤機(jī)制造企業(yè)開發(fā)的大功率厚煤層電牽引采煤機(jī)。采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)由傳統(tǒng)的液壓牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更新成可靠性更高，調(diào)節(jié)性能更好的電牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。國(guó)務(wù)院決定，第八個(gè)五年計(jì)劃期間煤礦井下設(shè)備電壓維持1140伏，不考慮升壓(國(guó)外都已升壓到2300伏或3000伏)。另外，采煤機(jī)作為井下往復(fù)移動(dòng)式生產(chǎn)設(shè)備是由可繞曲的拖曳電纜供電的?？紤]到繞曲和拖曳的安全性-不能拆斷電纜芯線或因繞曲破壞電纜纏繞-電纜截面最大只能是3×95平方毫米。
此種電纜外徑已經(jīng)是76毫米！在煤礦井下使用的安全電流不能超過(guò)260安。這樣，電壓值和最大電流值已經(jīng)確定，一根1140伏，3×95平方毫米截面的電力電纜能傳輸?shù)淖畲笠曉诠β实扔?
×1140×260=513千伏安考慮到采煤機(jī)裝備的三相鼠籠機(jī)額定功率因數(shù)一般都在0.85左右，所以所述之電纜能傳輸?shù)挠泄β适?31×0.85＝436千瓦以設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為一根1140伏，3×95平方毫米電力電纜在煤礦井下能傳輸400千瓦有功功率根據(jù)即此。所以研究設(shè)計(jì)采煤機(jī)的技術(shù)人員認(rèn)為，我國(guó)第八個(gè)五年計(jì)劃期間研制的電牽引采煤機(jī)用兩條3×95平方毫米電力電纜供電，設(shè)計(jì)的最大功率不會(huì)超過(guò)800千瓦。
然而，煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)煤炭的需要量增長(zhǎng)很快。煤炭生產(chǎn)行業(yè)急需要總功率盡可能大的采煤機(jī)，比如，總裝機(jī)容量大于900千瓦的大功率采煤機(jī)。這就迫使人門去尋找一個(gè)辦法在改善供電電纜的功率因數(shù)上做文章。
在采煤機(jī)機(jī)身里裝設(shè)，例如，西安煤礦機(jī)械廠專利產(chǎn)品SVS型靜止式無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置把從供電電纜看的負(fù)荷功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.99以上，這樣采煤機(jī)有功功率輸出可以高達(dá)1000千瓦而供電電纜運(yùn)行電流仍保持在260安以內(nèi)。不過(guò)這種SVS裝置的容量至少是620千克，裝置體積較大，很難裝進(jìn)采煤機(jī)機(jī)身內(nèi)，還不說(shuō)煤礦井下運(yùn)行環(huán)境提出的防爆性，抗震性等對(duì)補(bǔ)償電容特殊要求的其它技術(shù)問題。
如果采用本發(fā)明闡述的DVG技術(shù)，這個(gè)問題即迎刃而解。
如果不采用DVG技術(shù)，采煤機(jī)供電系統(tǒng)如下配置一根3×95平方毫米電纜攜帶一臺(tái)300千瓦滾筒電機(jī)，一臺(tái)120千伏安整流變壓器，此變壓器通過(guò)變流器攜帶兩臺(tái)40千瓦直流牽引電機(jī)。該條電纜總共攜帶380千瓦有功負(fù)荷，電纜功率因數(shù)是0.85或更低。
另一條電纜也是3×95平方毫米，架另一臺(tái)300千瓦滾筒電機(jī)，一臺(tái)65千瓦破碎滾筒電機(jī)(短時(shí)工作，經(jīng)?？蛰d)，一臺(tái)15千瓦以下容量的調(diào)高泵電機(jī)(短時(shí)工作，經(jīng)常空載)。這樣，采煤機(jī)總裝置容量是760千瓦。
如果采用DVG技術(shù)，采煤機(jī)供電系統(tǒng)可配置如下一根3×95平方毫米電纜攜帶一臺(tái)375千瓦滾筒電機(jī)，一臺(tái)170千伏安整流變壓器，此變壓器通過(guò)本發(fā)明闡述的具有DVG功能的變流器攜帶兩臺(tái)40千瓦直流牽引電機(jī)。該條電纜總共攜帶455千瓦有功功率負(fù)荷。根據(jù)計(jì)算模擬，此條電纜功率因數(shù)高達(dá)0.93甚至更高。另一條3×95平方毫米電纜攜帶一臺(tái)375千瓦滾筒電機(jī)，一臺(tái)65千瓦破碎滾筒電機(jī)(短時(shí)工作，經(jīng)常空載)和一臺(tái)15千瓦以下的調(diào)高泵電機(jī)(短時(shí)工作，經(jīng)常空載)。
這樣，采煤機(jī)總裝置容量是910千瓦。關(guān)鍵的問題是，攜帶455千瓦有功負(fù)荷的電纜電流并未增加，在中速牽引割煤工作時(shí)，該條電纜電流甚至比第一種方案同樣工況時(shí)還低，功率因數(shù)卻高得多。
權(quán)利要求
1.一種電容性移相觸發(fā)變流裝置，由整流變壓器和開關(guān)元件構(gòu)成，其特征在于(1)電容性移相觸發(fā)變流裝置為一個(gè)2N相零式變流器，供電電網(wǎng)為N相；自N相電網(wǎng)至2N相零式變流器之間有一臺(tái)初級(jí)/次級(jí)為N相/2N相(有零線)整流變壓器；對(duì)于通常三相電網(wǎng)，所述的變流器是六相零式的，所述的整流變壓器是△/Y-λ接線方式的，六根相線上都有一只可控啟通可控關(guān)斷之開關(guān)元件Qi(i=1～6)，所述的可控啟通可控關(guān)斷之開關(guān)元件可以是GTR串一只承受反向電壓的二極管，可以是一只GTO串一只承受反向電壓的二極管，也可以是一只能夠承受反向電壓的GTO元件，六只開關(guān)元件輸出端并接成一根輸出線與整流變壓器的零線構(gòu)成變流器的兩根直流輸出線；以下均以N=3為例敘述；(2)所述的變流器的開關(guān)元件采用大功率雙結(jié)型復(fù)合三極管GTR，其觸發(fā)電路由同步信號(hào)，相序自動(dòng)識(shí)別單元和移相觸發(fā)單元構(gòu)成；同步信號(hào)由同步變壓器TFSYa、b、c之次級(jí)電壓Ua1，Ub1，和Uc1提供，其相位分別與供電電網(wǎng)線電壓UAB，UBC和UCA相同；相序自動(dòng)識(shí)別單元由隔離變壓器TFIS1、2，比較器CMP1～4，D閂電路LT1，LT3和多路開關(guān)MTA1～6組成；移相觸發(fā)單元由移相單元APSTy、b、r，脈寬形成電路MSi(i=1～6)，無(wú)論相序如何都能保證后一啟通開關(guān)元件觸發(fā)脈沖前沿關(guān)斷前一導(dǎo)通開關(guān)元件觸發(fā)脈沖的多路開關(guān)MTi(i=1～6)和MT’i(i=1～6)，緩沖電路BFi(i=1～6)，脈沖功放電路QAi(i=1～6)和脈沖變壓器TFMAi(i=1～6)構(gòu)成；(3)所述的移相單元APSTy、b、r的單元端(3)引入同步信號(hào)，端(9)移相值；單元端(1)和(15)分別輸出相隔180°電角度的寬度為0.4毫秒的脈沖。移相單元輸出的0.4毫秒寬的脈沖共六個(gè)分別觸發(fā)輸出脈沖寬度為80°以上的六個(gè)脈寬形成單穩(wěn)電路MSi(i=1～6)，其Q輸出通過(guò)緩沖器BFi(i=1～6)到脈沖功放電路；(4)所述的脈沖功放電路由功放管QAi(i=1～6)和作為功放管集電極負(fù)載的脈沖變壓器TFMAi(i=1～6)組成；所述的脈沖變壓器之初級(jí)繞組上并接有一條由二極管和電阻串聯(lián)的放電支路，只要電阻阻值適當(dāng)大，在觸發(fā)脈沖后沿出現(xiàn)時(shí)QAi由飽和導(dǎo)通變截止，脈沖變壓器鐵芯儲(chǔ)能通過(guò)初級(jí)放電回路釋放能量并在次級(jí)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間40微秒的尖負(fù)脈沖以利于所觸發(fā)的開關(guān)元件關(guān)斷。
2.一種如權(quán)利要求1所述的電容性移相觸發(fā)變流裝置，其特征在于所述的變流器的開關(guān)元件是GTO，即可關(guān)斷晶閘管，其觸發(fā)電路由同步信號(hào)，相序自動(dòng)識(shí)別單元和移相觸發(fā)單元構(gòu)成;同步信號(hào)和相序自動(dòng)識(shí)別單元與采用上述GTR開關(guān)元件觸發(fā)電路的對(duì)應(yīng)電路相同;移相觸發(fā)單元由移相單元或稱移相信號(hào)綜合單元APSTy、b、r，脈寬形成單元，啟通脈沖控制信號(hào)，關(guān)斷脈沖控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路單元組成;其中移相單元或稱移相信號(hào)綜合單元APSTy、b、r;脈寬形成單元MS11～16以及多路開關(guān)MT1～6，MT′1～6與采用GTR開關(guān)元件觸發(fā)電路中的移相觸發(fā)單元的對(duì)應(yīng)電路相同;MS1i(i＝1～6)之Q輸出經(jīng)倒相緩沖器BF1i(i＝1～6)控制相應(yīng)的雙結(jié)型三極管QA1i(i＝1～6)，雙結(jié)型三極管集電極輸出即是啟通脈沖控制信號(hào)，接到專用的GTO驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)之啟通脈沖控制端ONC;MS1(i＝1～6)之Q輸出觸發(fā)MS2i(i＝1～6)單穩(wěn)態(tài)，MS2i(i＝1～6)之Q輸出經(jīng)倒相緩沖器BF2i(i＝1～6)控制雙結(jié)型三極管QA2i(i＝1～6)，雙結(jié)型三極管QA2i之集電極輸出即是關(guān)斷脈沖控制信號(hào)，接到上述的GTO驅(qū)動(dòng)電路DRCi(i＝1～6)之關(guān)斷脈沖控制端OFFC;驅(qū)動(dòng)電路DRCi之輸出接到相應(yīng)GTO元件Qi(i＝1～6)之門極上，當(dāng)ONC為+15伏高電平時(shí)DRCi向Qi發(fā)出觸發(fā)脈沖使QAi可靠啟通，當(dāng)OFFC為+15伏高電平時(shí)DRi向Qi門極注入元件關(guān)斷電流標(biāo)稱值三分之一而寬度為40微秒的負(fù)脈沖使GTO可靠關(guān)斷。
全文摘要
本發(fā)明一種電容性移相觸發(fā)控制的AC-DC變流裝置，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)2N相零式變流器，對(duì)于三相電網(wǎng)，該變流器為6相零式的，變流器開關(guān)元件為可控啟通可控關(guān)斷的，移相方向與傳統(tǒng)的普通晶閘管三相全控橋相反，是自α＝0°左移到α＝-150°，此負(fù)號(hào)代表左移，-60°≤α≤0°是可控整流工作狀態(tài)。-150°≤α＜-60°是可控逆變或待逆變狀態(tài)。由于移相方向是左移的，所以變流器電流基波的相位是超前同名供電電壓的，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生超前無(wú)功功率的目的。
文檔編號(hào)H02M7/155GK1059625SQ9110903
公開日1992年3月18日 申請(qǐng)日期1991年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月24日
發(fā)明者裴迪生 申請(qǐng)人:西安煤礦機(jī)械廠