1、6.2 交交变频电路交交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路，无需中间直流环节。与交直交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。交交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速转动，交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的交交变频器多为三相输入三相输出电路，但其基础是三相输入单相输出电路，因此本节首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、四象限运行特性，输入、输出特性等；然后介绍三相输出电路结构、输入、输出特性
2、及其改善措施；最后对于一种新型的绿色变频电路矩阵式交交变换器作出介绍，使读者了解交交变频技术的最新发展动向。6.2.1 三相输入单相输出交交变频电路1.基本工作原理三相输入单相输出交交变频器原理如图 6-13 所示，它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成。其中图（ a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流型电路；图（ b）则为电压型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。图（ c）为图（ b）电路输出的矩形波电压，用以说明交交变频电路的工作原理。当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载 Z 上电压 为上（+）、下（-）；反之当反
3、组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压 为上（-）、下（+），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率 就等于两组变流器的切换频率，而输出电压 大小则决定于晶闸管的触发角 。图 6-13 三相输入单相输出交交变频器原理图交交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波型。方波型控制简单，正、反两桥工作时维持晶闸管触发角 恒定不变，但其输出波形不好，低次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。因此以下仅讨论正弦型交交变频电路。2.工作状态三相单相正弦型交交变频电路如图 6-14 所示，它由两个
4、三相桥式可控整流电路构成。如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如从 =90 逐渐减小到 ，然后再逐渐增大到 =90，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从零变到最大、再减小至零，形成平均意义上的正弦波电压波形输出，如图 6-16 中所示。可以看出，输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波，而是由片段电源电压波形拼接而成。在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常要采用六脉波的三相桥式电路或十二脉波变流电路来构成交交变频器。图 6-14 三相单相交交变频电路在无环流工作方式时，变频电路正、反两组变流器轮流向负载供电。为了分析两组变流器的工作状态，忽
5、略输出电压、电流中的高次谐波，因此可将图 6-14 电路等效成图 6-15（ a）所示理想形式，其中交流电源表示变流器输出的基波正弦电压，二极管体现电流的单向流动特征，负载 Z 为感性，负载阻抗（功率因数）角为 。图 6-15（ b）给出了一个周期内负载电压 、负载电流 波形，正、反两组变流器的电压 和电流 以及正、反两组变流器的工作状态。如图所示，在负载电流的正半周 区间，正组变流器导通，反组变流器被封锁。在（ ）区间，正组变流器导通后输出电压、电流均为正，故正组变流器向外输出功率，工作于整流状态；在（ ）区间，负载电流方向不变，仍是正组变流器导通，输出电压却反了向，因此负载向正组变流器反馈
6、功率，正组变流器工作于逆变状态。在（ ）区间，负载电流反向，反组变流器导通、正组变流器被封锁，负载电压、电流均为负，故反组变流器处于整流状态。在（ ）区间，电流方向不变，仍为反组导通，但输出电压反向，反组变流器工作在逆变状态。从以上分析可知，交交变频电路中，正、反组变流器的导通由电流方向来决定，与电压极性无关；每组变流器的工作状态（整流或逆变），则是由输出电压与电流是否同极性来决定。3.输出电压波形正弦型交交变频电路实际输出电压波形如图 6-16 所示，图（ a）（ d）分别表示了正、反组变流器不同工作状态。图（ a）表示正组变流器工作，A 点处其晶闸管触发角 ，平均电压 最大。随着 的增大，
7、 值减小，当 时， 。半周内平均输出电压如图中虚线所示，为一正弦波。由于整流电压波形上部包围的面积比下部面积大，总的功率为正，从电源供向负载，此时正组变流器工作在整流状态。图 6-16 正弦型交交变频器输出电压波形图（ b）仍为正组变流器工作，但触发角 在 间变化，变流器输出平均电压为负值。由于整流电压波形下部包围的面积比上部大，总的功率为负，从负载流向电源，此时正组变流器工作在逆变状态。图（ c）、（ d）为反组变流器工作。当其触发角 时，反组变流器处于整流状态，总的功率由电源输向负载；当 时，反组变流器处于逆变状态，负载将向电源反馈功率。如果改变 的变化范围（调制深度），使它们在 范围内调
8、节，输出平均电压正弦波幅值也会改变，从而达到调压目的。由此得出结论：正弦波交交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行中正、反两组变流器的 角要不断加以调制，使输出电压为正弦波；同时，正、反组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出频率可变交流。4.余弦交点控制法要实现交交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的触发角 ，其方法很多，但应用最为广泛的是余弦交点控制法。该方法的基本思想是使构成交交变频器的各可控整流器输出电压尽可能接近理想正弦波形，使实际输出电压波形与理想正弦波之间的偏差最小。图 6-17 为余弦交点法波形控制原理图。交交变频电路中任一相负载在任一时刻都要经过一个正
9、组和一个反组的整流器接至三相电源，根据导通晶闸管的不同，加在负载上的瞬时电压可能是 六种线电压，它们在相位上互差 60。如用 来表示时，则有设 为期望输出的理想正弦电压波形。为使输出实际正弦电压波形的偏差尽可能小，应随时将第一个晶闸管导通时的电压偏差 与让下一个管子导通时的偏差 相比较，如 ，则第一个管子继续导通；如 ，则应及时切换至下一个管子导通。因此 换相至 的条件为即 （6-9）同理由 换相到 的条件应为（6-10）图 6-17 余弦交点控制法波形原理当 和 都为正弦波时， 也应为正弦波，如图 6-17 各虚线所示。这些正弦波的峰值正好处于 波上相当于触发角 的位置上，故此波即为 波触发
10、角 的余弦函数，常称为 的同步波。由于换相点应满足 的条件，故应在 和 的交点上发出触发脉冲导通相应晶闸管元件，从而使交交变频电路输出接近于正弦波的瞬时电压波形，如图 6-18 中粗实线波形所示，相应阻一感性负载下的输出电流波形 则相当接近正弦形。图 6-18 正弦型交交变频电路输出电压 、电流 波形5.输入、输出特性(1)输出频率上限交交变频电路输出电压是由多段电源电压片段“拼凑”而成。一个输出周期内拼接的电源电压段数越多，输出电压波形越接近正弦。当输出频率增高时，输出电压一周内所包含的电源电压段数减少，波形将严重偏离正弦，致使输出电力谐波增加，因而限制了最高输出频率。由于每段电源电压的平均
11、持续时间决定于变流电路的脉波数，增加构成交交变频电路的两组变流器脉波数可改善输出波形，提高输出频率上限。常用 6 脉波三相桥式变频电路的上限频率不能高于电网频率的 ，约 20Hz。(2)输入功率因数由于交交变频电路采用移相触发控制，晶闸管换流时需要从电网吸收感性无功，致使不论负载功率因数是领先还是滞后，输入功率因数总是滞后。图 6-19 不同 下， 关系 图 6-20 输入、输出功率因数间关系在正弦波交交变频电路余弦交点法移相触发控制中，期望输出的理想正弦电压为 ，每次触发时该触发角 下输出电压为 ， 为 时整流电压。当 时可以确定出（6-11）其中为输出电压比，它是一个影响输入功率因数的重要
12、因素。图 6-19 给出了不同 下，交交变频电路输出电压在 的一个周期内移相触发角 的变化规律，它反映了输入功率因数的变化。 越小，输出电压越低，半周期内 平均值越接近 90，位移因数或功率因数就越低。图 6-20 则给出输入功率因数与负载功率因数间关系。可以看出，即使负载功率因数为1 且满电压输出 ，输入功率因数也低于 1。随着负载功率因数的降低和输出电压比 的减小，输入功率因数将会更低。(3)输出电压谐波交交变频电路输出电压谐波成分非常复杂，和输入频率 、输出频率 、电路脉波数均有关。采用三相桥式变流器的单相交交变频电路输出电压中主要谐波频率为 ； ；等等，包含有 3 次谐波，它们在构成三
13、相输出时会被抵消。如若采用无环流控制时，由于确保正、反两桥安全切换所需死区的影响，还将出现 等次谐波。(4)输入电流谐波由于交交变频电路输入电流波形及幅值均按正弦规律被调制，和可控整流电路相比，其输入电流频谱要复杂得多。采用三相桥式变换器的单相交交变频电路的输入电流频率为（6-12）和（6-13）式中 。6.2.2 三相输入三相输出交交变频电路三相输出交交变频电路由三个输出电压相位互差 120 的单相输出交交变频电路按照一定方式联接而成，主要用于低速、大功率交流电机变频调速传动。1.三相输出联接方式三相输出交交变频电路有两种主要接线方式，如图 6-21（ a）、（ b）所示。图 6-21 三相
14、输出交交变频电路联接方式(1)公共交流母线进线方式它是由三组彼此独立、输出电压互差 120 的单相输出交交变频电路构成，其电源进线经交流进线电抗器接至公用电源。因电源进线端公用，三组单相输出必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调速系统。(2)输出 Y 接方式三组单相输出交交变频电路 Y 接，中点为 O；三相交流电动机绕组亦为 Y 接，中点为 O。由于三组输出联接在一起，电源进线必须采用变压器隔离。这种接法可用于较大容量交流调速系统。2.输入、输出特性三组输出交交变频电路的输出频率上限和输出电压谐波成分与单相输出交交变频电路相同。三相输出交交变频电路总的输入电流是由三个单相输出交交变频电路同一
15、相输入电流合成得到，此时有的谐波会因相位关系相互削弱或抵消，因此谐波种类将有所减少，总谐波幅值也有所下降。其谐波频率为（6-14）和（6-15）式中 。当正、反组变换器采用三相桥式电路时，输出电流谐波频率为 等。其中更以 次谐波幅值最大。三相输出交交变频电路输入功率因数按以下定义式计算（6-16）即三相电路总有功功率可为每相电路有功功率之和，但视在功率不能简单相加，应由总输入电流、输入电压有效值之积来算。由于三相电路输入电流谐波有所减小，三相总视在功率比三个单相视在功率之和小，故三相输出交交变频电路总输入功率因数比单相输出交交变频电路有所改善。3.改善输入功率因数和提高输出电压的措施要改善三相
16、输出交交变频电路的输入功率因数和提高输出电压，其基本思想是在各相电压中迭加零序分量成分（如直流、3 次谐波等），由于它们不会出现在线电压中，因此也不会加到 Y 接负载之上。具体措施有直、交流偏置方法。图 6-22 交流偏置法控制下，理想输出电压波形(1)直流偏置法当交交变频电路驱动交流电机作变频调速运行时，根据电机运行理论，低频低速时必须相应降低机端电压，此时变频电路输出电压幅值很低，各组变流器触发角 都在 90 附近，输入功率因数很低。此时如给各相输出电压上迭加相同大小的直流，可使 角减小，提高输入功率因数，但输出负载线电压并不改变。这种方法称直流偏置法，常用于长期低速运行的交流电动机供电。
17、(2)交流偏置法如给各相输出电压上迭加 3 次为主的零序分量谐波，使输出电压波形呈梯形波，如图 6-22 所示。但线电压中三次谐波等互相抵消，负载上电压仍为正弦。这种控制方式下两变流器可长时间工作在高电压输出的梯形波平顶区， 角小，输入功率因数可提高 15%左右。表 6-2 交交变频电路与交直交变频电路比较变频电路类型比较内容 交交型 交直交型换能形式 一次换能，效率高 两次换能，效率较低换流方式 电网电压自然换流 强迫或负载换流，或自关断器件使用器件数量 多，利用率低 较少，利用率高调频范围 电网频率 无限制输入功率因数 较低 一般相控调压时，低频低压时低；不控整流时（PWM 逆变）较高适用场合 低速、大功率交流电机拖动系统 各种交流电机拖动系统，稳压和不停电电源与此同时，正弦波输出控制时最大输出相电压幅值只能为 时的 ，而梯形波输出中的基波幅值可比 高 15%，故采用梯形波输出控制方式可使交交变频器输出电压提高 15%。由于梯形波输出控制相当于在相电压中加入三次等交流谐波，故称交流偏置法。上一章中我们介绍了交直交变频电路，本章中介绍了交交变频电路，两者的比较参见表 6-2。
