SFC系统的工作原理详解

（一）主电源回路图

SFC主回路由SFC隔离变压器、整流器、直流电抗器、逆变器组成，见图4-3。整流器采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，将恒定的三相交流电压变成可变的直流电压。逆变器也是采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，将整流桥输出的直流电压转变成变幅值和变频率的交流电压。这个可变的交流电源施加于发电机使发电机加速到指定的转速。

图4-3 SFC主电源回路图

当机组起动时，发电机作为同步电动机运行，发电机定子绕组由SFC供电，厂用6kV电源经起动励磁变降压整流后向发电机转子绕组供电。在定子、转子电流共同产生的电磁力矩的作用下，使发电机转子旋转、升速。

（二）整流器工作原理

如图4-4所示，整流器侧的直流电压E_dr稍微大于逆变器侧的直流电压E_di（E_dr＞E_di）。直流电流I_d等于电压差ΔV=E_dr－E_di除以直流回路电阻R，该电流流过直流回路。

通过整流器的相控可以调节输出直流电压为任意值。直流电压是触发延迟角α的函数。

式中 E_d——输出直流电压；

E_s——输入交流电压（线电压）。

根据直流电流反馈控制自动调节整流器的触发延迟角α。由上式可以看出，当触发角由0°到90°时，直流输出等效电压E_dr为正，此时称为整流状态，E_dr的大小可通过改变触发角α调整，当触发角α大于90°时，整流桥输出电压为负，即进入逆变状态。

图4-4 SFC简化图

1.α=30°

图4-5为晶闸管触发角α为30°时的电压波形，其等效直流输出电压为E_dr。

图4-5 触发延迟角α等于30°时的直流输出电压波形

2.α=90°

图4-6为晶闸管触发角α为90°时的电压波形，由图中可以看出，当触发角为90°时，直流等效电压输出E_dr为0。

3.α=120°

图4-7为晶闸管触发角α为120°时的电压波形，由此可以看出，当触发角由0°到90°时，直流输出等效电压E_dr为正，此时称为整流状态，E_dr的大小可通过改变触发角α调整，当触发角α大于90°时，整流桥输出电压为负，即进入逆变状态。

图4-6 触发延迟角α等于90°时的直流输出电压波形

图4-7 触发延迟角α等于120°时的直流输出电压波形

在SFC的逆变器处于脉冲换相模式时，为使逆变器能够完成换相，要求整流输出电流为直流脉冲波，即每隔60°电角度要求整流输出电流截止为零，此时整流器采用将触发角α调整到大于90°来完成整流电流的截止，即通常所说的逆变截止。

（三）直流电抗器工作原理

整流输出回路串接直流电抗器，对外相当于一个电流源。该电流源的交流阻抗近似无穷大，电抗器同时起着降低直流段电压波动并吸收逆变负载端无功功率的作用。

（四）转子位置确定

SFC采用电磁式转子位置检测器，能够精确检测到转子的实际空间位置，从而准确触发逆变器晶闸管，实现逆变器换相。如图4-8a所示，在转子的大轴上有一个凹凸形圆盘，它与转子同轴旋转。凹凸形圆盘四周按120°角度分布共安装了3个电磁式位置传感器探头（A、B、C），传感器探头安装在发电机每相定子绕组的等效轴线处，转子的磁极方向与凹凸形圆盘的对称轴线偏差30°，当凹凸形圆盘的凸出部分扫过传感器探头，相应的传感器会输出一个电压幅值恒定的方波。通过三个传感器输出的方波信号，就可以准确检测到转子的实际空间位置。(www.xing528.com)

图4-8 转子位置确定原理图

（五）逆变器工作原理

逆变器一般采用120°通电型三相全控桥式电路。在正常运行时，不同桥臂的共阳极和共阴极各一个晶闸管导通，即每一时刻，只有两相定子绕组通过电流，该两相电流将产生一个定子合成磁势。在一个周期内，不同晶闸管导通时，产生的所有定子合成磁势矢量图如图4-9所示。

图4-9 同步电机定子合成磁势图

a）同步电机接线图 b）定子合成磁势

根据电动机电磁转矩公式：

T_e=C_mF_sF_rsinθ （4-4）

式中 C_m——常数，与电机实际结构有关；

F_s——定子合成磁势幅值；

F_r——转子磁势幅值；

θ——定、转子磁势夹角，F_s超前F_r时为正值。

当定子合成磁势超前转子磁势，且它们之间夹角小于180°，就可以产生驱动电磁转矩，如果该电磁转矩大于转子的机械力矩，则可以拖动同步电机向定子合成磁势的方向旋转。在实际应用中，当转子磁势随转子的旋转而逐步靠近定子合成磁势时，控制逆变器进行正确换相，使定子合成磁势朝转子旋转的方向跃进一定角度，就可以继续维持定子、转子的磁势有一定的夹角，从而不断产生驱动电磁转矩，拖动同步电机旋转。

逆变器根据安装在发电机转轴上的位置传感器提供的位置信号依次实现换相。逆变器的换相方式分为脉冲换相和负载换相，其中脉冲方式运行时换相超前角γ≈0°，负载换相方式运行时γ≈γ₀，这里γ₀足以使逆变时的电流换相。

在起动的初期转速小于300r／min时，发电机没有足够的电压输出实现逆变器的换相时，逆变器的换相是通过脉冲方式运行来实现换相的。每隔60°通过关断整流器的输出使流过逆变器的电流为零，将逆变器全部晶闸管截止，然后给换相后应导通晶闸管发触发信号使其导通，实现同步电机换相。如图4-10所示，当运行到f点时，立即控制A相、C相换相，即换相超前角γ₀=0°

当同步电机转速大于300r／min时，由于脉冲换相方式引起的断续电流对同步电机的电磁转矩影响很大，这时候采用负载换相方式运行。利用同步电机的感应电势，关断需截止的逆变器晶闸管，完成共极晶闸管自然换相。如图4-10所示，当运行到d点时，提前60°发出A相晶闸管导通触发信号，即γ₀=60°。

图4-10 同步电机感应电势图

脉冲换相时工作原理（γ₀=0°）如表4-1所示。

表4-1 脉冲换相时工作原理（参照图4-8及图4-10）

（续）

①当位置传感器输出方波电压信号时，置其输出为1；反之，为0。

由上表可以看出，采用脉冲换相方式（γ₀=0°）运行时，每当转子旋转60°，根据转子的空间位置，晶闸管会换相一次，不断维持定子、转子磁势的夹角在60°～120°范围内变化，提供脉动的电磁转矩。

负载换相时工作原理（γ₀=60°）如表4-2所示。

表4-2 负载换相时工作原理（参照图4-8及图4-10）

由表4-2可以看出，采用负载换相方式运行（γ₀=60°）时，每当转子旋转60°，根据转子的空间位置，晶闸管会换相一次，不断维持定子、转子磁势的夹角在120°～180°范围内变化，提供脉动的电磁转矩。

SFC在机组转速达到300r／min后，由脉冲换相方式转由负载换向方式运行，换相超前角γ₀由0°跃变为35°，从300r／min开始，随着负载电流增大，晶闸管的换相重叠角也会逐渐增大，为了使换相可靠，SFC控制柜会将换相超前角γ₀由35°逐渐增加到55°。以γ₀=50°为例，当转子运行到图4-10的d点时，由上面分析可知此时需触发VT1晶闸管导通，SFC控制柜根据当时的转速及转速加速度计算出转子继续旋转10°需要的时间t，然后经时间延时t后，才向VT1晶闸管发触发信号。即γ₀=50°比γ₀=60°晚时间t向相应的晶闸管发触发信号。由于换相超前角γ₀越小，提供的电磁转矩越大，因此，我厂的SFC采用这种负载换相方式，既保证了可靠性，又提高了工作效率。