单潮龙，张学锋，汪小娜



一种换流器件较少的三相SCR逆变器强迫换流机理研究

单潮龙，张学锋，汪小娜

（海军工程大学 电气工程学院，武汉 430033）

研究了一种某型装备的新型电流型三相晶闸管逆变电路（SCI），其优点是应用电容放电来改变各相支路电流实现强迫，强迫换流器件较少。通过状态空间建模分析了通过电容放电实现强迫换流的机理，研究表明，该SCI是由电容电压放电改变各相负载电流来实现强迫换流，相对于其它类型的SCI，具有强迫换流器件较少、强迫换流不受SCI输入电压值影响的优点。

三相逆变电路 可控硅 强迫换流

0 引言

三相SCI由于SCR关断特性的限制而只能实现较低频的PWM控制，当采用具有高频关断特性的自关断器件时可实现高频PWM调制。但对于大容量交流电机变频调速，由于自关断器件在电压电流容量上还不能满足大容量交流电机调速的要求[1]，三相SCR逆变器仍占据着相当大的应用份额。因为SCR无法自关断，所以三相SCI结构要比其他类型的三相逆变器复杂，如文献[2]研究的驱动无整流子串联电机的负载换流SCI，就存在强迫换流器件较多的问题，文献[3]研究的SCI结构也较为复杂，文献[4]研究了一种谐波较小的4开关3相IGBT逆变器，文献[5]采用Simulink分析了一种电压型逆变器负载电流失真最小化的空间矢量调制方法，由于研究对象不同，这些研究只有一定的参考价值。本文应用状态空间建模法研究一种某装备中使用的电流型SCI的强迫关断机理，相对于其它类型的SCI，该SCI是由电容电压放电改变各相负载电流来实现强迫换流，具有强迫换流器件较少、强迫换流不受SCI输入电压值影响的优点。

1 一种强迫换流器件较少的电流型三相SCI原理分析

如图1所示为某装备使用的一种强迫换流器件较少的电流型三相SCI电路，其主要元件有：可控硅VS1~VS6、平波电抗L1、电容C1，图中未标SCR工作所需的辅助元件。辅助关断的元件由电容C1VS7、VS8组成，用于强迫关断的元件只有3个，相比电压型串联电感式SCI和电流型串联二极管式三相桥式SCI所用的元件少得多，其中VS9用于电容C1初始充电，正常工作时不参与工作。

SCI电路工作时，按一定的顺序依次强制开通VS1~VS6，其顺序由控制系统根据转子位置检测器的检测信号确定，由此提供三相交流电流给电机各绕组。在SCI工作期间，共有六个转换时间间隔和六个不转换的时间间隔。在不转换时间间隔内，回路主电流流经两个主SCR和各自电机相绕组。在转换时间间隔内，主SCR中的一个截止，另一个开通，而这两个SCR分属于阳极组或阴极组，两极组轮流交替工作。

SCR的强迫转换采用以电容放电为主的辅助强迫转换电路，由电容和用于关断的SCR串联组成。其中阳极组主SCR VS1、VS3、VS5的强迫转换由VS7实现，它与实际开通的SCR和以所需极性预充电的电容及各自的相绕组串联连接。研究发现，为了能够实现主SCR到换流SCR的电流转换，要求电容必须满足以下要求:①电容值必须足够大，电容放电能力必须满足储存在相绕组上的能量消耗，并且能产生一个在关断SCR恢复时间内施加于关断SCR的反电压；②电容初始充电电压值必须高于由电机转动产生的相绕组电压。

图1 SCI简化电路原理图

图2 SCI某个阶段工作电路

在强迫换流期间，先触发导通VS7使电容放电，电流从VS7和电容C1中流过，然后通过触发导通另一个来自阳极组的主SCR使得主回路电流续流，使相应相中的电流增大并使电容C1的电压极性改变，并在VS7的电流下降期间继续上升，直到VS7关断时电容C1的电压充到最大值，这时强迫换流完成。为此，电容C1充电电压的极性必须相对于前一状态不变，且充电电压必须在主SCR阴极组提供下充电。阴极组VS2、VS4、VS6和VS8的强迫过程与上述过程类似。这种强迫换流的优点是由电容电压放电来改变相绕组的电流，而且由于直流侧大电感L1的稳流作用，强迫换流受SCI的直流输入电压变化的影响很小。下面通过状态空间建模来具体分析该SCI电容电压放电式强迫关断的机理。

2 SCI的状态空间建模及Matlab编程

考虑电路工作的某个阶段，VS1、VS6导通，VS3截止，如图2所示，且设电容C1已经充有左正右负方向的电压，要实现强迫换流，可以先触发VS7使VS1关断，而后触发VS3导通。为简化分析，这里忽略反电势A、B、C（仿真结果与实验对比发现忽略反电势对于强迫关断机理的分析无影响），得到图3所示的简化等效电路。图中标出了通道电流，相电流a(t)，b(t)，c(t)(=(t))，其中C相负载电感计入s即s=c+1，C相负载电阻计入s即s=c+d，d为电源内阻，a、b、Rc分别为A、B、C相负载电阻，VS7为可控硅电阻，VS1、VS3、VS6的电阻分别记入电阻a、b、S中考虑。

图3 图2的简化等效电路

列写电路方程如下

输出方程为

初始条件为：

由于SCR关断的时间较长，采用把关断的SCR看成一个简单的大电阻建模进行分析误差较大[6]，因此关断模型需要考虑过渡过程，采用如图4所示的可变电阻模型，关断时间选取典型值100 μs，断态电阻为1 MΩ，其数学表示式为

又由于SCR导通时间很短，仅为关断时间的1/10，因此忽略导通过渡过程，将导通的SCR采用很小的电阻建模，这里选取导通时电阻为1 mΩ。

其他参数为1=11.2 mH，a=b=c=161 μH，S=0.387 Ω，a=b=c=7 mΩ，d=550 V，s=11.36 mH，1=410 μF，d=0.28 Ω，系统输入功率约为700 kW。

设VS1、VS6、VS7在=0时导通，电路开始工作，在t=0.6 μs时电路强迫换流即VS3触发导通，仿真程序采用Matlab语言编程，程序框图如图5所示。应用解刚性方程的ode15s算法求解状态方程，其中ode仿真参数为：

options = odeset('AbsTol', 1e-6, 'RelTol', 1e-3)其中，相对容差取典型值10-6，绝对容差取典型值10-3，设定仿真时间为1 ms，VS3触发导通时电阻设为VS3+b=8 mΩ。

图5 Matlab程序框图

3 SCI仿真结果及电容电压放电式强迫关断特点分析

通过仿真计算，得到的主SCR电流VS3，VS5和相电流a，b波形、电容C1电压的波形如图6所示，与图7所示的实测波形一致。可见，当= 0时，VS7触发导通，电容C1开始放电，VS1上流过的电流开始减少，直到= 0.28 ms时完全关断，约在=0.42 ms时，电容放电结束，开始反向再充电，随后在= 0.6 ms时，VS3开始触发导通，其上电流迅速上升，而电容继续充电，当= 0.83 ms时，电容电流减小到0时VS7关断，充电结束，为下次放电做好准备，VS3上电流达到最大值，此时换相结束，即电容电压放电式强迫关断过程的一个换流过程需要约0.83 ms。

仿真得到的直流侧电流(t)、电容C1电流如图8所示。可见，在换相过程中，()基本保持不变，即实现了平稳换相，属电流型逆变器，由此可见，前述的电容电压放电式强迫关断可以有效地工作，其特点是由电容电压放电改变各相负载电流来实现强迫换流，且这种强迫换流不受输入电压值变化影响。

图6 iVS3，iVS5、ia，ib和uC1仿真波形

图7 iVS3，iVS5、ia，ib和uC11实测波形

4 结论

从前面分析结果来看，可得如下结论：

1) 所推导的状态空间数学模型和编制的仿真程序是正确的；

2) SCI在控制脉冲控制下，每次2个可控硅导通，并在换流可控硅作用下关断换流，轮流导通，可实现了平稳换相，说明这种电容电压放电式强迫关断逆变器可以有效工作；

3) SCI的强迫换流不受输入电压值变化影响，且相比其他类型的SCI，文中所述的SCI具有强迫换流器件较少的优点。

4) 以上仿真中RC缓冲吸收电路参数选的较大，实际电路中较小，经实际仿真比较发现，这会造成每相电流增大时有一个电流尖刺（电流突然增大），电流尖刺的大小受缓冲吸收电路的参数影响很大，增大RC缓冲吸收电路的值，可以减小尖刺的幅值。

图8 直流侧电流i(t)、电容C1电流

[1] Tze-Fun Chan, L. L. Lai, Steady-state analysis of a three-phase induction motor with the smith connection[J], IEEE Power Engineering Review, 2000, 20(10):45-46.

[2] Mukherjee, K, SenGupta, S. ; Bhattacharya, T.K. ; Chattopadhyay, A.K., Simplified steady-state model of an SCR-inverter-based load-commutated commutatorless series motor[J], IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 17(2): 197 – 202.

[3] Shuzhi Zhang, Research on Inductance for SCR Inverter Power Circuit[C], Power and Energy Engineering Conference (PEEC 2010 E-BOOK), 708-710.

[4] K. Srinivasan and Dr.S.S. Dash, Performance analysis of a reduced switch Z-source inverter fed IM drives, International Journal of Computer and Electrical Engineering, 2010, 2(4):1793-8163.

[5] Auzani Jidin, Tple Sutiko, Matlab/Simulink based analysis of voltage source inverter with space vector modulation, Telkomnika, 2009, 7(1): 23-30.

[6] Li Ran etc, Conducted electromagnetic emission in induction motor drive system Part I: time domain analysis and identification of dominant mode, IEEE Trans on Power electronics July，1998：757-767.

Study on the Compelling Commutation Mechanism of a SCR 3-phase Inverter with Less Commutation Elements

Shan Chaolong, Zhan Xuefeng, Wang Xiaona

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM561.3

A

1003-4862（2014）12-0001-04

2014-03-17

单潮龙（1964-），男，教授。研究方向：电工理论与电磁兼容。