【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （324）我們可以得到用角來(lái)表示的晶閘管變流器直流輸出電壓 （325）下面我們來(lái)分析交交變頻器的輸入電壓與電流。假設(shè)輸入電壓 （326）根據(jù)晶閘管變流器原理，三相整流橋式電路的輸出電流與輸入電流基波峰值的關(guān)系為 （327）交交變頻器的輸出電流為 （328）其中，為交交變頻器輸出電流的峰值；為交交變頻器輸出負(fù)載功率因數(shù)角。由于變流器輸出電流即為變頻器的輸出電流，可以推出變頻器輸入電流基波峰值的關(guān)系式為 （329）其中。根據(jù)晶閘管相控變流的原理，滯后相角，所以時(shí) （330）為了表示由于正、反組晶閘管變流器切換引起的觸發(fā)移相角的變化，我們引入一個(gè)函數(shù)，如表31所示。表31把代入式（330），可以推出 （331）由式（331）可以得到輸入電流滯后與輸入電壓的相角為 （332）根據(jù)以上輸入電壓與輸入電流，可以計(jì)算出有功功率，即電源頻率一個(gè)周期內(nèi)有功功率的代數(shù)平均值 （333）在推導(dǎo)中注意。同樣，我們可以計(jì)算出交交變頻器在輸出頻率一個(gè)周期中的有功功率的代數(shù)平均值 （334）下面我們從交交變頻器輸出電壓和電流來(lái)推導(dǎo)有功功率的平均值。因?yàn)? （335） （336）我們推導(dǎo)出有功功率的平均值 （337）式（337）與式（334）結(jié)果完全相同，說(shuō)明交交變頻器輸入和輸出有功功率是相等的。 同理，可以推導(dǎo)出電源頻率一個(gè)周期內(nèi)無(wú)功功率的代數(shù)平均值為 （338）因?yàn)?，所以交交變頻器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率始終是正的，即無(wú)論負(fù)載功率超前還是滯后，交交變頻器始終為一個(gè)滯后無(wú)功功率，波形如圖33所示。圖33 正弦輸出交交變頻器的輸出功率如果我們以晶閘管變正向?qū)橐恢芷?，?jì)算交交變頻器輸出無(wú)功功率的平均值為 （339）那么，交交變頻器輸入功率因數(shù)為 （340）其中 （341）由于式（341）的積分含有橢圓函數(shù)，一般要用計(jì)算機(jī)作數(shù)值積分。如果調(diào)制系數(shù)為1，積分項(xiàng)可以簡(jiǎn)化為 （342） （343）當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)，把功率因數(shù)角代入式（343）、式（340），這也是理想狀態(tài)交交變頻器輸入功率因數(shù)的最大值。特別應(yīng)該值得注意的是，無(wú)論負(fù)載是感性還是容性，交交變頻器始終從電網(wǎng)獲取滯后的無(wú)功功率，即變化，而。 交交變頻器輸出電壓的數(shù)學(xué)模型和諧波分析交交變頻器輸出電壓是由電網(wǎng)電壓被晶閘管開(kāi)關(guān)切割而成。我們仿效晶閘管開(kāi)關(guān)動(dòng)作，利用“開(kāi)關(guān)函數(shù)法”來(lái)對(duì)交交變頻器的輸出電壓進(jìn)行波形分析。其基本分析方法是，將交交變頻器輸出端電壓波形表示為變流器中各個(gè)晶閘管所產(chǎn)生的各段電壓區(qū)之和。各段電壓用數(shù)學(xué)方法表示為相應(yīng)的正弦輸入電壓和“開(kāi)關(guān)函數(shù)”的乘積；當(dāng)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，此開(kāi)關(guān)函數(shù)的幅值為1，而當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)其幅值為0。同時(shí)將每個(gè)開(kāi)關(guān)函數(shù)用諧波級(jí)數(shù)來(lái)表示，就可以得到用基波和交流諧波分量表示的交交變頻器輸出端電壓波形系列。由于任何由3脈沖組組成的“多脈沖”電路的諧波系列結(jié)果只是從3脈沖波形的諧波系列中去掉某些諧波項(xiàng)；再者，由于一切有實(shí)用意義的變頻電路都是有基本的3脈沖組所組成，因此本章選擇3脈沖波形作為分析的對(duì)象。6脈沖電壓波形是由兩個(gè)3脈沖波形組成，這兩個(gè)3脈沖波形的脈動(dòng)電壓之間彼此有相位移，只要簡(jiǎn)單地將這兩個(gè)3脈沖波形的諧波系列相加，就可以得到6脈沖電壓波形的諧波系列。對(duì)于交交變頻器的每相正反組變流器，為了輸出交變的電壓，在電感負(fù)載條件下，應(yīng)以觸發(fā)角為零點(diǎn)，使兩組變流器的觸發(fā)角在彼此相反的方向上往復(fù)振蕩。對(duì)于正組變流器，設(shè)通用相位調(diào)制函數(shù)為，的頻率為交交變頻器的輸出頻率，對(duì)稱于零點(diǎn)往復(fù)振蕩，由于觸發(fā)角控制范圍的理論極限值為，因此可能的最大絕對(duì)值為，當(dāng)輸出電壓比小于1時(shí)，的峰值小于喝一最大值。由于反組變流器觸發(fā)角的相位控制與正組變流器的相同，但方向相反，因此反組變流器的相位調(diào)制函數(shù)為。當(dāng)變流器觸發(fā)角按某一調(diào)制函數(shù)進(jìn)行連續(xù)、往復(fù)的相位調(diào)制時(shí)，正組變流器輸出電壓的表達(dá)式為 （344）反組變流器輸出電壓的表達(dá)式為 （345）工程上最常見(jiàn)的是6脈波無(wú)環(huán)流交交變頻器，我們用前面敘述的分析方法來(lái)推導(dǎo)6脈波無(wú)環(huán)流交交變頻器輸出電壓表達(dá)式。忽略推導(dǎo)過(guò)程，我們直接寫(xiě)出無(wú)環(huán)流方式下，6脈波無(wú)環(huán)流交交變頻器輸出電壓表達(dá)式 （346）其中，；為從1到無(wú)窮大的任何整數(shù)；，為從0到無(wú)窮大的任何整數(shù)。根據(jù)以上推導(dǎo)的6脈波橋式連接交交變頻電路的輸出電壓波形的表達(dá)式，我們可以得出6脈波變頻器輸出電壓中的諧波分量的頻率為 （347）12脈波變頻器輸出電壓中的諧波分量的頻率為 （348）其中，為諧波頻率；為變流器輸入電源頻率；為變流器給定輸出頻率；為從1至無(wú)窮大的任何整數(shù)；為從0到無(wú)窮大的任何整數(shù)。 交交變頻器主回路設(shè)計(jì)交交變頻器主回路設(shè)計(jì)主要為輸入變壓器、晶閘管、開(kāi)關(guān)、接觸器的選擇，各量計(jì)算包括電壓、電流、過(guò)電壓、過(guò)電流的計(jì)算。下列數(shù)據(jù)為這次設(shè)計(jì)中所采用的同步電機(jī)和交交變頻器的部分技術(shù)參數(shù)。同步電機(jī)額定輸出功率：；額定定子電壓有效值：；額定定子電流有效值：；電流過(guò)載系數(shù)：。 整流變壓器二次電壓計(jì)算（1） 整流電壓最大值整流電壓最大值為電機(jī)相電壓峰值。由于交交變頻器接、梯形波供電，梯形波電壓系數(shù)，所以 （349）（2） 整流變壓器二次電壓設(shè)計(jì)公式 （350）上述公式（350）考慮了幾方面因素：變壓器短路阻抗壓降、過(guò)載電流產(chǎn)生的壓降、晶閘管元件壓降、變壓器最小移相角限制、電網(wǎng)波動(dòng)壓降。其中，為直流輸出電壓，；為電流過(guò)載倍數(shù)，；為晶閘管元件壓降，；為晶閘管元件串聯(lián)數(shù)，；為三相橋電路連接系數(shù)，；為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，；為過(guò)載電流倍數(shù)，；為最小移相角，；為變壓器短路阻抗比，；為變壓器過(guò)載系數(shù)，；為變壓器壓降系數(shù)。此例中 （351）（3） 考慮動(dòng)態(tài)變化的整流變壓器二次電壓計(jì)算整流變壓器需要考慮在系統(tǒng)運(yùn)行的極端情況，電網(wǎng)電壓降、變壓器短路阻抗、變壓器銅損壓降、變壓器到變流器的線路電纜電感壓降、晶閘管壓降、變流器輸出電纜電感壓降等，此時(shí)線路電感壓降在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化時(shí)引起主要作用，因此，整流變壓器的二次電壓應(yīng)能滿足同步電機(jī)運(yùn)行的電壓要求。整流器二次電壓為 （352）將以上分析編制為計(jì)算機(jī)程序?qū)φ髯儔浩鞫坞妷哼M(jìn)行計(jì)算。例如，某鋼廠熱連軋精軋主傳動(dòng)同步電機(jī)數(shù)據(jù)為：額定輸出功率為，額定定子電壓有效值，額定定子電流有效值，電流過(guò)載系數(shù)，效率，功率因數(shù)，額定頻率，超瞬變電抗，整流變壓器效率，短路阻抗，整流變壓器到變流器的電纜長(zhǎng)度為，變流器到同步電機(jī)的電纜長(zhǎng)度為，同步電機(jī)從空載達(dá)到兩倍過(guò)載電流的響應(yīng)時(shí)間為。將上述數(shù)據(jù)輸入整流變壓器二次電壓計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)果：整流變壓器空載二次電壓：；整流變壓器總功率： ；有功功率：；功率因數(shù)：；理想空載直流電壓：。由計(jì)算機(jī)程序計(jì)算的結(jié)果與前面整流變壓器二次電壓設(shè)計(jì)公式比較可以看出，整流變壓器空載二次電壓要大于設(shè)計(jì)公式的，這是考慮了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電流變化引起電感電壓降的結(jié)果，因此，對(duì)于大過(guò)載、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，例如，可逆軋機(jī)等，必須考慮動(dòng)態(tài)變化的整流變壓器二次電壓計(jì)算方法。 晶閘管的電壓選擇交交變頻器晶閘管的電壓選擇和直流傳動(dòng)晶閘管變流器的設(shè)計(jì)相同，晶閘管元件承受的最大電壓是整流變壓器的二次電壓峰值，確定晶閘管峰值電壓的額定值通常要考慮倍的安全系數(shù)。若整流變壓器二次電壓為，選擇晶閘管峰值電壓為，那么，晶閘管電壓的安全系數(shù)為 （353） 晶閘管的電流選擇當(dāng)交交變頻器輸出頻率很低時(shí)，尤其是電機(jī)堵轉(zhuǎn)交交變頻器輸出頻率為零的極端情況下，交交變頻器相當(dāng)于直流供電，電機(jī)承受最大堵轉(zhuǎn)電流。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，交交變頻器輸出直流電流，該電流為電機(jī)最大電流的峰值。以前述電機(jī)為例，額定定子電流有效值，電機(jī)過(guò)載倍，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流為 （354）根據(jù)晶閘管橋式電路計(jì)算關(guān)系，晶閘管電流為 （355）選擇晶閘管的標(biāo)稱電流，可以計(jì)算出晶閘管電流裕度 （356）但是交交變頻器在正常工作時(shí)，頻率是變化的，每個(gè)晶閘管僅在半個(gè)輸出周期中工作，另半個(gè)周期不工作，即使在工作半個(gè)周期內(nèi)流過(guò)管子的電流也時(shí)大時(shí)小。顯然交交變頻器晶閘管電流比電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況小得多，即每橋正常工作的最大峰值電流比電機(jī)堵轉(zhuǎn)的最大直流電流要大。交交變頻器正反組橋交替切換導(dǎo)通，對(duì)于每組橋每只晶閘管只承擔(dān)半周期的電流，半周期電流按均方根電流計(jì)算為電機(jī)電流的?？紤]到三相橋式電路每只晶閘管電流與橋輸出電流關(guān)系， （357）選擇晶閘管的標(biāo)稱電流，可以計(jì)算出晶閘管電流裕度 （358）以上是對(duì)晶閘管電流的估算，實(shí)際交交變頻器的輸出電流與晶閘管規(guī)格、散熱器形式、柜子結(jié)構(gòu)、冷卻通風(fēng)條件、變頻器輸出頻率范圍等有關(guān)，應(yīng)按照晶閘管電流、散熱器散熱曲線計(jì)算晶閘管結(jié)溫，按晶閘管結(jié)溫不超過(guò)元件標(biāo)定來(lái)選擇和校核晶閘管的電流選擇。 變頻器的保護(hù)交交變頻器同晶閘管變流器的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)大體相同，但也有其特殊性。（1） 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)原則同直流相似，在直流側(cè)設(shè)置快速開(kāi)關(guān)以防止電機(jī)短路和過(guò)電流；采用快速熔斷器保護(hù)晶閘管元件；高壓側(cè)開(kāi)關(guān)防止變壓器短路和過(guò)電流。一般設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)的原則為：1）電機(jī)最大電流值 （359）電機(jī)最大電流為電機(jī)過(guò)載最大電流的峰值，一般將其設(shè)定為交交變頻器調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)電流限幅值（速度調(diào)節(jié)器的限幅）。2）電機(jī)均方根電流值 （360）一般取。電機(jī)均方根電流值是電機(jī)過(guò)載的保護(hù)，當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到其最大電流，即系統(tǒng)的電機(jī)電流限幅持續(xù)時(shí)，應(yīng)封鎖系統(tǒng)一保護(hù)電機(jī)。3）變頻器電流封鎖值 （361）當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到電流封鎖值時(shí)，說(shuō)明速度調(diào)節(jié)器的電流限幅已不起作用，此時(shí)應(yīng)立即封鎖系統(tǒng)。4）快速開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯娏髦? （362）f) 高壓開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯娏髦? （363）（2） 過(guò)電壓保護(hù)交交變頻器的過(guò)電壓保護(hù)與常規(guī)直流傳動(dòng)晶閘管變流器相同。在整流變壓器的初、次級(jí)繞組間加屏蔽層或加裝旁路電容器來(lái)減少變壓器操作過(guò)電壓；整流變壓器二次電壓的吸收是靠加電阻電容吸收和壓敏電阻；晶閘管換相過(guò)電壓的吸收由與晶閘管元件并聯(lián)的電阻電容電路實(shí)現(xiàn)；而交交變頻器輸出側(cè)操作過(guò)電壓則由電阻電容吸收電路或壓敏電阻吸收。壓敏電阻體積小、損耗小，被廣泛應(yīng)用，工程上常用晶閘管開(kāi)關(guān)加雪崩二極管來(lái)改善壓敏電阻的轉(zhuǎn)折電壓特性。 無(wú)功功率補(bǔ)償由前面論述可知，交交變頻器最大的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、可靠、容量大、過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（元件少）、對(duì)維護(hù)要求低。但是，交交變頻方案也有明顯的缺點(diǎn)：輸入功率因數(shù)低；在電網(wǎng)容量小的場(chǎng)合