交—交变频低频电源的研发与应用

The R&D and Application of AC/AC Frequency Converter (FC) Source

摘要: 本文介绍了采用交交变频技术设计的低频直流加热电源, 以传统与现代相结合的手段实现节能,运行稳定的目的,最后简单介绍了该设备的应用.

关键词: 交-交变频; 电源; 可控硅.

Abstract: This paper presents the low frequency source design method applied in AC-AC converter and SCR and reach the finial purpose of energy-saving and sable running by both traditional and modern methods. In the end, it introduces the application of this set of equipment briefly.

Key Words: AC-AC frequency convert; source; SCR

前言

对于少数低速大功率设备而言,采用交--直--交变频驱动生产将可能产生一些必不可少的副面影响,因此采用大都交交变频方案,由晶闸管全控整流电路组合形成控制部分,通过对输出电流的大小和方向的组合控制,使负载得到一个电压和频率(通常低于工频电源频率)可调的交流电,在低速,大功率电力拖动设备中有广泛的应用价值,如轧钢机,矿井提升机,大型风机,电力设备中的调速控制系统中,交交变频发挥的巨大作用.针对这类设备,在生产过程中发现具有如下优点:1 变频环节减少,减低了换流所导致的损耗,变换效率高;2可控性好,采用电流自然换相,不必添置另外的换流电路;3可实现四相限运行,应用范围广.

2004年我单位接到客户请求, 要求研制一台供电电源,用于对油田低温高蜡油井的原油进行开采前和开采过程中的加热处理.根据客户提供的现场信息以及调查报告,高黏油和稠油难以开采,负载情况复杂多变,加热点距离较远,工作条件恶劣.分析了上述情况后,经过综合考虑,我们决定采用低频加热电源,由交交变频转换得到低压,大电流的电源,此时的负载原则上可以视为纯阻性负载,加热均匀,操作简单可靠,同时效率较高,避免了采用直流加热而引起的原油离子化,电离腐蚀管壁和中频加热的负载增大,损耗大以及工频加热的电流不平衡,电耗大,可靠性低等缺点.因此而言是最为理想的设计方案,在低频状态下加热,升温快,温度高,效果更好,而且可以节约电能,这就是低频加热电源.根据以往经验,我们采用传统工艺与现代控制理论相结合的理念,在广泛吸收借鉴国内外其他形式变频设备的基础上,确定了最终方案.

设计方案介绍:

主电路设计采用单相输出交交变频,其根本为一套三相桥式无环流反并联可控整流装置,其中可控硅控制信号Ust是直流信号,相应输出也是直流;若Ust是交流信号,则变频电源的输出也是交流.由于该设备无中间直流环节,故称为交交直接变频,其输出波形如图.

交交变频调速系统是一种不经过中间直流环节，直接将较高固定频率的电压变换为频率较低而可变输出电压的变频调速系统。其每一相均由两组（正、负组）三相全波变流器反并联构成。输出的整流电压为：
Ud=Ud0cosαp±Ud0cosαN ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (1)
式中：αp--正组整流器控制角；
αN--负组整流器控制角；
Ud0--α=0°输出电压平均值。

交交变频器输出电压的基波为正弦波，即：
Ud = Ud msinω1t ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (2)
则 cosαp=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (3)
式中：k--输出电压比，k=Udm/ Ud0；
ω--输出电压基波的角频率。

通过改变正、负两组整流器触发角的频率，即可改变输出电压的频率；改变输出电压比k值，即可改变输出电压值。

交交变频器通过两组反并联的晶闸管交替工作来产生一相低频的交流电压供给负载，存在环流问题。在可逆直流传动中采用的工作方式（如逻辑无环流、错位无环流、可控环流）一般在交交变频器中均可适用。交交变频器的主电路及基本控制部分可采用直流传动的相同组件和技术。

输入电流谐波分析:

用解析方法计算调制波形的频谱有相当难度,而且必要性也不是很大,通常采用 仿真方法分析频谱,首先通过仿真得到输入电流波形,然后用FFT求得频谱,结果显示,除基波外还有下列频率的谐波:
fl=I(Pm±1)fi±|Fl+2lf0|
其中f0 ---输出频率;
l----正整数0,1,2,3---
与fl=(Pm±1)fi 相比,增加了±2lf0的旁频,但是各谐波的有效值比直流传动时的谐波有效值小许多.出现该旁频的原因是:变频装置由正反两组整流桥组成,一组提供正向输出电流,而另一组提供反向输出电流.输出电流波形只与输出电流大小有关,而与输出电流方向无关.
I(ω0t)=ii(ω0π+π) ω0=2πωf0.有输入电流幅值和相位的调制的角频率2ω0,因而在输出电流的频率中会出现2l f0的旁频.