SFC逆变桥驱动电路设计

赵 鑫

（哈尔滨电机厂有限责任公司控制设备事业部，黑龙江省哈尔滨市 150040）

0 引言

SFC（static frequency converter）静止变频器是抽水蓄能电站水泵工况下机组启动的主要设备。目前国内众多抽水蓄能电站主要使用进口SFC装置，非常有必要开发核心技术自主的SFC静止变频器来满足国内抽水蓄能电站的需求，免受国外牵制，节省外汇支出。笔者依托科研项目对SFC静止变频启动装置进行了原理机的研制，搭建了变频启动试验平台，现就原理机SFC逆变桥的驱动电路设计阐述研究所得，供大家参考。

整个SFC的主电路拓扑结构如图1所示。

图1 静止变频器结构图

图2 输入5081的过零脉冲

SRN为整流桥，SRM为逆变桥，L为平波电抗器。对U、V、W三相交流输入的整流采用常规晶闸管相控整流，即在特定的时刻给晶闸管触发脉冲使其导通，按交流电压源的频率重复这一过程，将交流电压变换为脉动的直流电压。整流触发脉冲产生电路包含3个部分：过零检测变压器、比较电路、5081可编程触发脉冲发生模块。过零检测变压器将整流侧输入三相电压降压到10V以下，产生6路正弦信号uuv、uuw、uvw、uvu、uwu、uwv，再经由 LM339组成的比较电路，按照正弦信号值大于0输出0电平电压，正弦信号值小于0输出-12V电平电压的逻辑，产生六路输入5081的方波脉冲，如图2所示。

研华APAX5081PG脉冲形成模块能够捕捉输入信号的上升沿或下降沿，于过零时刻产生延时和脉宽均可调的单脉冲触发信号，再经后级的光耦电平变换，从一路分出两路对上下两桥臂同时施加触发脉冲，如图3所示。

图3 上下桥臂触发脉冲时刻图

1 问题的提出

要使主回路工作有电流流动，必须满足3个前提条件：①同时触发上下两个桥臂；②对晶闸管施加正向电压；③电路形成闭合回路。单个整流桥工作原理图如图4所示。

图4 单个整流桥工作原理图

可见，由于负载对上下桥臂的连接，整流桥可以工作。而SFC将负载替换成SRM逆变桥的两个晶闸管，仅同时触发这两个晶闸管而未赶上图3中整流桥脉冲任意一组的触发时刻，就不会有电流通过逆变桥到达电机绕组。因此，需要为SFC逆变桥设计一个同步驱动电路。

2 简易原理电路

如图5所示是由普通二、三极管和电阻组成的信号同步电路。

图5 信号同步电路

D1～D6与R1组成或逻辑电路，将APAX5081PG发出的6路单脉冲触发信号或到一起组成触发脉冲串。Ui是由APAX5046开关量输出模块发出的单路脉冲触发信号，一共有6个这样的Ui信号，因为逆变桥也同样是6组触发组合对。Ui经三极管反相放大后再经反相器还原，这时的信号再与整流桥或到一起的触发脉冲串进行逻辑与运算。D7、D8及R2组成逻辑与门，其输出经R3基极电阻驱动后级的三极管光耦电平变换，也分出两路对逆变桥施加触发脉冲。

3 电路仿真

应用Multisim电路仿真软件搭建了上述电路，验证了该电路的合理性和有效性。如图6所示，KeyA代表一路整流桥的脉冲信号，KeyB代表另一路信号，KeyC代表逆变桥的一路触发信号，该电路的大致功能是将KeyA和KeyB进行逻辑线与，其结果再经二极管D1、D2和KeyC进行逻辑或运算，最后经Q1组成的反相器到达Q2、U4的输出级。用A代表KeyA，B代表KeyB，C代表KeyC，输出信号为Uo，这样电路的逻辑关系可以简单表示为逻辑运算简化结果为Uo=（A+B）·C。仿真运行观察虚拟示波器，各节点电压值符合搭建的数字逻辑功能，实现了图5的信号同步电路。

4 SFC装置中的实际应用

为确保电路可靠工作，试验装置中均采用成熟数字集成电路：CD4078BF或门、74HC08与门、HEF4069非门、高速光耦TLP521、大功率NPN晶体管S9013。速变脉冲产生驱动电路示意图如图7所示。

图6 Multisim电路仿真图

图7 逆变脉冲产生驱动电路

图8 晶闸管触发信号

图9 同步触发信号的产生

图8 所示为一路晶闸管触发信号。上面的波形是脉冲放大器前端的触发信号，可见一个周期内，先发一个脉冲再补发一个脉冲；下面的波形是最终加在晶闸管GK门阴极之间的触发脉冲。图9所示为信号同步电路输出波形图，整流触发信号周期为3.3ms，在低速阶段逆变桥的触发信号周期要远大于3.3ms，由图中波形可知，信号同步电路的原理实质上是采用整流信号对逆变桥进行触发。逆变触发信号只起到使能输出的作用。

5 结论

本文针对抽水蓄能机组起动中使用的静止变频器的逆变桥的触发方法，由问题的提出开始，循序渐进地阐述了触发脉冲产生的原理、仿真、实际电路的设计和实验结果，成功地实现了SFC逆变桥的触发，为我国抽蓄电站关键设备SFC静止变频器的设计制造提供参考。

[1] 李志民，张遇杰.同步电动机调速系统[M]. 北京：机械工业出版社，1996.

[2] 林辉，王辉.电力电子技术[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2002.