双馈调速系统中检测电流零点的一种可靠方法

A RELIABLE method OF CHECKING the OUTPUT current zero in bi-directional power transferring speed control SYSTEM

Zhangjie, Chenjianxia, Liuqun, Liaodongchu

Dep.of Electric Engin.Computer Science ,Hubei Institute of Technology and Science, Wuhan , 430068

　　Abstract: This paper introduces a method about checking the output current zero of AC-AC frequency converter in a bi-directional power transferring speed control system. It can resolve efficiently the problems among usual tests and confirm reliably the output current zero.

　　Key words: AC-AC frequency converter, bi-directional power transferring speed control system,  the series circuit of GTO and a diode

　　1、引  言

　　众所周知，当绕线式异步电动机定子由工频电源供电，而转子由三相零式无环流交－交变频器供电时，可组成从低同步到超同步变速的双馈调速系统。这时，交－交变频器中的晶闸管要完成两种性质不同的换流：一种是同组晶闸管之间的换流，它是由电网电压的自然换相实现；另一种是晶闸管组之间的换流，实现组间换流有不同的方法。当采用输出电流的过零信号作为三相零式无环流交－交变频器的换组信号时，可靠地检测出输出电流极性和输出电流过零点是防止晶闸管直通，确保系统正常、安全运行的重要条件。

　　2 、常规检测方法存在的问题

　　为了获得输出电流过零信号，常规的方法是：

　　1．在变频器输出端利用电流互感器（见图1）将输出电流的反馈信号与地电位进行比较，来确定输出电流的过零点。但是，由于实际输出电流本身的纹波影响和大的噪音信号的存在使过零点很难测准，而且这种方法所检测的是负载电流而不是检测每个晶闸管组的输出电流，因此无法防止晶闸管直通造成的输入电源短路，必须采取附加措施对输入电源短路故障进行保护。

　　2．采用两个反并联的二极管将它们与负载串联，根据这对二极管上的电压极性变化来确定输出电流的过零点。

　　我们曾将第二种方法用于实验室50Hz  380V  2.2KW的绕线式异步电动机组成的双馈调速系统中。我们在每相输出的正、负组之间加入电抗器以限制电流变化率，同时在软件控制上引入5ms的死区。图2 为采用反并联二极管检测方法的原理示意图。图中，一对反并联的二极管Vd1、Vd4同负载串联，借助二极管电压降Vd的极性改变，可测出输出电流的零点。然而，这种方法却在下列缺点：

　　1．由于Vd < 1v，信号往往被噪音脉冲所掩盖，从而引起晶闸管组别的错误选择。

　　2．由于二极管上的电压降是由每相负载电流来决定的，而不是由流过每个晶闸管组的输出电流来确定。为了防止输入电源短路，必须引入死区控制，而这就会加大输出电流波形的畸变。

　　3．二极管上的电压降Vd在极性改变过程中，电压波形抖动严重（见图3）。可见要利用Vd的波形来准确判断输出电流的过零点是很困难的。

　　实验过程中我们发现，尽管引入了死区控制，但输入电源短路现象仍不能完全排除。一旦出现电源短路现象，只能依靠电抗器进行短时电流抑制或者熔断器来保护。为防止输入电源短路，仍需附加的措施，这将使电路复杂，并增加成本。

图1 常规检测方法1

图2 常规检测方法2

图3 二极管上电压降Vd

　　3、晶闸管—二极管串联电路的特性

　　经过反复实验我们获得一种可靠而准确的检测输出电流零点的方法。该方法可使晶闸管组之间实现准确的切换，并且无需任何附加设备就可用于输入电源短路保护。这种方法是利用了晶闸管—二极管串联电路的特性。

　　现以图4基本电路为例，以50Hz 24V为电源，将晶闸管与二极管串联，并带电感性负载。通过实验，我们发现当晶闸管被触发正向导通时，负载L1上获得正向电流Il，二极管D1上的压降Vd1约为0.7v。当电源反向时，由于电感性负载的续流作用，晶闸管－二极管串联电路仍维持正向导通，只有在负载电流过零时晶闸管－二极管串联电路才处于反偏状态。此时，晶闸管还未恢复正向阻断能力，电源的反向电压会施加在晶闸管－二极管串联电路上，从并联在二极管两端的电阻上就可以观察到电源反向电压的出现（见图5），以此作为电流过零的信号。当晶闸管完全关断后，晶闸管－二极管串联电路仍承受50Hz的电源电压信号，只不过电流很小。

图5 电阻电压

4　实际应用电路设计

　　实际应用电路中，我们在每个晶闸管组的输出端串联一只二极管，组成如图6所示主电路。
　　图6 应用电路

　　对输出电流零点和极性的检测，是通过连续不断地监控二极管上的反向电压来实现的。当二极管上出现一个大的反向电压时，表明与之串联的晶闸管组的输出电流下降到了零，此时交－交变频器的晶闸管组就完成一次切换。

实际反向电压检测电路由阻抗变换、隔离、信号处理三部分组成（见图7）。通过阻抗变换采集串联二极管反向电压，为了提高检测的可靠性和准确性，设置了可以在0—15V之间调节的门槛电压。信号处理部分将隔离后的二极管反向电压信号进行整形和逻辑组合，输出电流极性信号和晶闸管换组信号到控制器中。为了保证正、负组之间切换更安全，鉴于变频器的输出频率很低，我们在电流过零之后还加入了1ms的延迟，以确保原来导通的一组晶闸管已真正关断。使用这种方法，可直接检测出每个晶闸管组的输出电流零点，防止电源短路的附加措施可以省去。

图8上半部分是A相正组二极管反向电压实测波形，其上升沿非常明显，可以作为变频器输出电流过零点。下半部分是检测电路处理后送控制器的波形，其中，只有二极管反向电压出现时的第一个下降沿有效，其它时刻的下降沿无效。变频器输出电流的极性是由控制器的控制触发来决定，因此，极性判断可以在控制器内部实现。

图7 检测电路原理

图8 A相正组二极管反向电压波形

图9是A相负载电流和A相负组二极管反向电压波形，其中，负载电流波形是经过滤波，平移，反向处理的。

　　5、结论：本文介绍的方法能在由三相零式无环流交－交变频器组成的双馈调速系统中能够准确地检测出输出电流的零点和极性，使交－交变频器的安全换组问题得到很好地解决，并且不需要其它防止电源短路的装置。我们在50Hz　380V　155K W的绕线式异步电动机实验用双馈调速系统中使用了这种电流零点的检测方法。

　　参考文献：

1　IEEE Trans。Ind。App1。1984，Vo1。IA—20，No。4，827~832
2　廖冬初。泵站电机双馈调速控制系统设计。湖北工学院学报，2000．3：4~7
3 胡崇岳。现代交流调速技术。机械工业出版社。2000