六交流交流變換

第六章交流-交流（AC—AC）變換

AC—AC變換是一種可以改變電壓大小、頻率、相數(shù)的交流-交流電力變換技術(shù)。只改變電壓大小或僅對(duì)電路實(shí)現(xiàn)通斷控制而不改變頻率的電路,稱為交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路、或交流無觸點(diǎn)開關(guān)。從一種頻率交流變換成另一種頻率交流的電路則稱為交—交變頻器，它有別于交-直—交二次變換的間接變頻，是一種直接變頻電路。為了解決相控式晶閘管型交—交變頻器輸入、輸出波形差、諧波嚴(yán)重的弊病，在基于雙向自關(guān)斷功率開關(guān)的基礎(chǔ)上目前正在研究一種所謂的矩陣式變換器，它是一種具有十分優(yōu)良輸入、輸出特性的特殊形式交-交變頻器.本章將分節(jié)介紹交流調(diào)壓（交流調(diào)功或交流無觸點(diǎn)開關(guān))、交—交變頻及矩陣式變換器的相關(guān)內(nèi)容。6。1交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路采用兩單向晶閘管反并聯(lián)（圖6-1(a)）或雙向晶閘（圖6—1（b)），實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電正、負(fù)半周的對(duì)稱控制，達(dá)到方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓大小的目的，或?qū)崿F(xiàn)交流電路的通、斷控制。因此交流調(diào)壓電路可用于異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速、恒流軟起動(dòng)，交流負(fù)載的功率調(diào)節(jié)，燈光調(diào)節(jié),供電系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)，用作交流無觸點(diǎn)開關(guān)、固態(tài)繼電器等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

圖6—1交流調(diào)壓電路

交流調(diào)壓電路一般有三種控制方式,其原理如圖6—2所示。

圖6-2交流調(diào)壓電路控制方式

(1）通斷控制通斷控制是在交流電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)斷晶閘管,使負(fù)載電路與交流電源接通幾個(gè)周波，然后再斷開幾個(gè)周波，通過改變導(dǎo)通周波數(shù)與關(guān)斷周波數(shù)的比值,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)交流電壓大小的目的。通斷控制時(shí)輸出電壓波形基本正弦,無低次諧波，但由于輸出電壓時(shí)有時(shí)無,電壓調(diào)節(jié)不連續(xù)，會(huì)分解出分?jǐn)?shù)次諧波。如用于異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速，會(huì)因電機(jī)經(jīng)常處于重合閘過程而出現(xiàn)大電流沖擊，因此很少采用。一般用于電爐調(diào)溫等交流功率調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。（2）相位控制與可控整流的移相觸發(fā)控制相似，在交流的正半周時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通正向晶閘管、負(fù)半周時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通反向晶閘管，且保持兩晶閘的移相角相同，以保證向負(fù)載輸出正、負(fù)半周對(duì)稱的交流電壓波形。相位控制方法簡(jiǎn)單，能連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓大小。但輸出電壓波形非正弦，含有豐富的低次諧波，在異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速應(yīng)用中會(huì)引起附加諧波損耗，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩等.（3)斬波控制斬波控制利用脈寬調(diào)制技術(shù)將交流電壓波形分割成脈沖列，改變脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)輸出電壓大小。斬波控制輸出電壓大小可連續(xù)調(diào)節(jié)，諧波含量小，基本上克服了相位及通斷控制的缺點(diǎn)。由于實(shí)現(xiàn)斬波控制的調(diào)壓電路半周內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)較高頻率的通、斷,不能采用晶閘管，須采用高頻自關(guān)斷器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。實(shí)際應(yīng)用中,采取相位控制的晶閘管型交流調(diào)壓電路應(yīng)用最廣，本章將分別討論單相及三相交流調(diào)壓電路。

6.1.1單相交流調(diào)壓電路

單相交流調(diào)壓電路原理圖如圖6—1所示,其工作情況與負(fù)載性質(zhì)密切相關(guān)。1．電阻性負(fù)載純電阻負(fù)載時(shí)交流調(diào)壓電路輸出電壓、輸出電流波形如圖6-3所示。電路工作過程是：在電源電壓正半周、移相控制角時(shí)刻，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管VT1，使正半周的交流電壓施加到負(fù)載電阻上,電流、電壓波形相同。當(dāng)電壓過零時(shí),VT1因電流為零而關(guān)斷。在控制角為時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通VT2,負(fù)半周交流電壓施加在負(fù)載上，當(dāng)電壓再次過零時(shí),VT2因電流為零而關(guān)斷,完成一個(gè)周波的對(duì)稱輸出.當(dāng)時(shí)，輸出電壓最大；當(dāng)時(shí)。改變控制角大小可獲得大小可調(diào)的交流電壓輸出，其波形為“缺塊”正弦波。正因?yàn)殡妷翰ㄐ斡腥睋p，才改變了輸出電壓有效值,達(dá)到了調(diào)壓的目的,但也因波形非正弦?guī)砹酥C波問題。交流輸出電壓有效值U與控制角的關(guān)系為（6—1）式中為輸入交流電壓的有效值.負(fù)載電流有效值為,則交流調(diào)壓電路輸入功率因數(shù)為（6—2)對(duì)圖6-3所示電阻負(fù)載下輸出電壓進(jìn)行諧波分析.由于正、負(fù)半波對(duì)稱,頻譜中將不含直流及偶次諧波，其富里葉級(jí)數(shù)表示為（6—3）式中圖6-4電阻負(fù)載下單相交流調(diào)壓輸出電壓諧波比例基波和各次諧波電壓有效值為（6-4）根據(jù)式（6-4），可以繪出基波和各次諧波電壓標(biāo)么值隨控制角的變化曲線,其電壓基值取為.可以看出，隨增大，波形畸變嚴(yán)重，諧波含量增大。由于電阻負(fù)載下電流、電壓同相位，圖6—4關(guān)系也適合于電流諧波分析。綜上所述，單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，控制角移相范圍為，晶閘管導(dǎo)通角，輸出電壓有效值調(diào)節(jié)范圍為，可以采用單窄脈沖實(shí)現(xiàn)有效控制。2.電感—電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路帶電感-電阻性負(fù)載及各處波形如圖6—5所示。由于電感的儲(chǔ)能作用，負(fù)載電流會(huì)在電源電壓過零后再延遲一段時(shí)間后才能降為零，延遲的時(shí)間與負(fù)載的功率因數(shù)角有關(guān)。晶閘管的關(guān)斷是在電流過零時(shí)刻，因此，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間不僅與觸發(fā)控制角有關(guān)，還與負(fù)載功率因數(shù)角有關(guān)，必須根據(jù)與的關(guān)系分別討論.為分析方便，將VT1導(dǎo)通時(shí)刻取作時(shí)間坐標(biāo)的原點(diǎn)，這樣電源電壓可以表達(dá)為（6—5)在VT1導(dǎo)通的角范圍內(nèi)，可寫出電路方程（6-6)在初始條件下，方程解為

（6-7）圖6-5電感-電阻負(fù)載時(shí)，單相交流調(diào)壓電路（a）及電壓、電流波形（b）式中，是負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)分量，它滯后于電壓一個(gè)功率因數(shù)角；為以時(shí)間常數(shù)衰減的自由分量,其初始值與有關(guān)；波形如圖6-5中所示.由于時(shí),代入這個(gè)邊界條件可得（6—8）這是一個(gè)關(guān)于的超越方程，表達(dá)了導(dǎo)通角的關(guān)系。由于時(shí)意味負(fù)載電流連續(xù)，時(shí)意味斷續(xù)，因此也表達(dá)了電流連續(xù)與否的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)大小關(guān)系，角或電路運(yùn)行狀態(tài)不同。1)當(dāng)時(shí)，利用作參變量，可得不同負(fù)載特性下曲線族;如圖6-6所示。對(duì)于任一阻抗角的負(fù)載，當(dāng)時(shí)；當(dāng)至逐步減小時(shí)（不包括這個(gè)點(diǎn)），逐步從零增大到接近，負(fù)載上電壓有效值也從零增大到接近，負(fù)載電流斷續(xù),輸出電壓為缺塊正弦波,電路有調(diào)壓功能，如圖6-7（a)所示。2）當(dāng)時(shí),電流中只有穩(wěn)態(tài)分量，電流正弦、連續(xù)，.電路一工作便進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，，輸出電壓波形正弦，調(diào)壓電路不起調(diào)壓作用，處于“失控”狀態(tài).此時(shí)關(guān)系如圖6—6中的孤立點(diǎn)所示，波形如圖6—7(b）所示。3)當(dāng)且采用窄脈沖觸發(fā)時(shí)，由式(6-8)可解出，即每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間將超過半周期。由于反并聯(lián)的兩晶閘管觸發(fā)脈沖相位嚴(yán)格互差180o,故在到來時(shí)VT1仍在導(dǎo)通，其管壓降構(gòu)成對(duì)VT2的反向陽極電壓，VT2不能導(dǎo)通。而當(dāng)VT1關(guān)斷后雖使VT2反偏電壓消失，但的窄脈沖也已消失，VT2仍不能導(dǎo)通，造成各個(gè)周期內(nèi)只有同一個(gè)晶閘管VT1導(dǎo)通的“單管整流”狀態(tài)，輸出電流為單向脈沖波，含有很大直流分量，如圖6—7（c）所示。這會(huì)對(duì)電機(jī)、電源變壓器之類小電阻、大電感性能負(fù)載帶來嚴(yán)重危害，此時(shí)應(yīng)考慮改用寬脈沖觸發(fā)方式。

圖6—6時(shí)關(guān)系圖6-7不同時(shí)波形

4）當(dāng)且采用寬脈沖觸發(fā)時(shí)，特別是采用后沿固定、前沿可調(diào)、最大寬度可達(dá)180o的脈沖列觸發(fā)時(shí),可以保證反并聯(lián)的兩晶閘管均可靠導(dǎo)通,電流波形連續(xù)，如圖6—7（d）所示。與時(shí)不同的是無論觸發(fā)角多大，晶閘管均在處導(dǎo)通。由于電流連續(xù)，無電壓調(diào)節(jié)功能，也處于“失控”狀態(tài)。綜上所述，交流調(diào)壓器帶電感—電阻負(fù)載時(shí)，為使電路工作正常，需保證：1）；2)采用寬度大于60o的寬脈沖或后沿固定、前沿可調(diào)、最大寬度可達(dá)180o的脈沖列觸發(fā)。圖6—8當(dāng)時(shí),與關(guān)系［例］一個(gè)交流單相晶閘管調(diào)壓電路，用以控制送至電阻、電抗的阻—感負(fù)載上的功率.設(shè)電源電壓有效值，晶閘管電流有效值標(biāo)么值和移相觸發(fā)角、負(fù)載功率因數(shù)角之間關(guān)系如圖6-8所示.試求1)移相控制范圍；2）負(fù)載電流最大有效值；3)最大功率和功率因數(shù);4）當(dāng)時(shí),晶閘管的有效值、導(dǎo)通角及電源側(cè)功率因數(shù)。解1）移相控制范圍當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，當(dāng)輸出最大電壓時(shí)，故2)負(fù)載電流最大有效值當(dāng)時(shí)，電流連續(xù)，為正弦波，則3）最大功率和功率因數(shù)4)當(dāng)，查圖6-8得晶閘管電流有效值標(biāo)么值；晶閘管電流有效值基值為故晶閘管電流有效值為當(dāng)時(shí),查圖6—6得輸出電流有效值為電源輸入有功功率電源側(cè)功率因數(shù)

6。1.2三相交流調(diào)壓電路

工業(yè)中交流電源多為三相系統(tǒng),交流電機(jī)也多為三相電機(jī),應(yīng)采用三相交流調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。三相交流調(diào)壓電路與三相負(fù)載之間有多種聯(lián)接方式，其中以三相Y接調(diào)壓方式最為普遍。圖6-9Y接三相交流調(diào)壓電路1.Y型三相交流調(diào)壓電路圖6—9為Y型三相交流調(diào)壓電路,這是一種最典型、最常用的三相交流調(diào)壓電路，它的正常工作須滿足：1）三相中至少有兩相導(dǎo)通才能構(gòu)成通路，且其中一相為正向晶閘管導(dǎo)通，另一相為反向晶閘管導(dǎo)通；2)為保證任何情況下的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)采用寬度大于60o的寬脈沖(列）或雙窄脈沖來觸發(fā)；3）從VT1到VT6相鄰觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差60o。為簡(jiǎn)單起見,僅分析該三相調(diào)壓電路接電阻性負(fù)載（負(fù)載功率因數(shù)角）時(shí)，不同觸發(fā)控制角下負(fù)載上的相電壓、電流波形，如圖6—10所示。圖6-10Y接三相交流調(diào)壓電路輸出電壓、電流波形（電阻負(fù)載）

1)時(shí)的波形如圖6-10(a）所示.當(dāng)時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通VT1，以后每隔60o依次觸發(fā)導(dǎo)通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。在區(qū)間內(nèi)，為正,為負(fù)，VT5、VT6、VT2同時(shí)導(dǎo)通;在區(qū)間內(nèi)，VT6、VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，……。由于任何時(shí)刻均有三只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，且晶閘管全開放，負(fù)載上獲得全電壓。各相電壓、電流波形正弦、三相平衡。2）時(shí)波形如圖6—10（b)所示。此時(shí)情況復(fù)雜，須分子區(qū)間分析。①：時(shí)，變正，VT4關(guān)斷，但未到位，VT1無法導(dǎo)通,A相負(fù)載電壓。②:時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通VT1；B相VT6、C相VT5均仍承受正向陽極電壓保持導(dǎo)通。由于VT5、VT6、VT1同時(shí)導(dǎo)通，三相均有電流，此子區(qū)間內(nèi)A相負(fù)載電壓(電源相電壓）。③：時(shí)，過零,VT5關(guān)斷；VT2無觸發(fā)脈沖不導(dǎo)通,三相中僅VT6、VT1導(dǎo)通。此時(shí)線電壓施加在RA、RB上，故此子區(qū)間內(nèi)A相負(fù)載電壓.④:時(shí)，VT2觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)VT6、VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通,此子區(qū)間內(nèi)A相負(fù)載電壓.⑤：時(shí),過零，VT6關(guān)斷；僅VT1、VT2導(dǎo)通，此子區(qū)間內(nèi)A相電壓。⑥：時(shí)，VT3觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)VT1、VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通，此子區(qū)間內(nèi)A相電壓。負(fù)半周可按相同方式分子區(qū)間作出分析，從而可得如圖（b）中陰影區(qū)所示一個(gè)周波的A相負(fù)載電壓波形。A相電流波形與電壓波形成比例。3）用同樣分析法可得、、時(shí)A相電壓波形,如圖6-10（c)、（d）、（e）所示。時(shí)，因,雖VT6、VT1有觸發(fā)脈沖但仍無法導(dǎo)通，交流調(diào)壓器不工作，故控制角移相范圍為（0~150o)。當(dāng)三相調(diào)壓電路接電感負(fù)載時(shí)，波形分析很復(fù)雜。由于輸出電壓與電流間存在相位差,電壓過零瞬間電流不為零，晶閘管仍導(dǎo)通，其導(dǎo)通角不僅與控制角有關(guān),還和負(fù)載功率因數(shù)角有關(guān)。如果負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)角還隨運(yùn)行工況而變化。2。其他型式三相交流調(diào)壓電路表6—1以列表形式集中地描述了幾種典型三相及交流調(diào)壓電路形式及其特征.

表6-1幾種典型的三相交流調(diào)壓器比較名稱線路圖輸出電壓波形（電阻負(fù)載）特點(diǎn)三相Y0型

實(shí)際上為三個(gè)單相調(diào)壓器的組合。只需有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上就有電流通過，線電流波形正負(fù)對(duì)稱。零線上有三次諧波通過,在90°時(shí)諧波電流最大,會(huì)在三柱式變壓器中引起發(fā)熱和噪聲，對(duì)線路和電網(wǎng)均帶來不利影響,因而工業(yè)上應(yīng)用較少。要求觸發(fā)移相范圍為180o，可用單窄脈沖(電阻負(fù)載）.晶閘管承受峰值電壓為（U1為線電壓有效值）三相Y型負(fù)載形式可任意選用（Y或△接法）。輸出諧波分量低，沒有三次諧波電流,對(duì)鄰近通訊電路干擾小，因而應(yīng)用較廣。因沒有零線，必須保證兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通負(fù)載中才有電流通過，因而必須是雙脈沖或?qū)捗}沖（〉60o）.要求移相范圍為150o晶閘管承受峰值電壓為。適用于輸出接變壓器初級(jí)、變壓器次級(jí)為低電壓大電流的負(fù)載。三相負(fù)載△型實(shí)際上也是三個(gè)單相調(diào)壓器組合而成。每相電流波形與單相交流調(diào)壓器相同,其線電流三次諧波分量為零。觸發(fā)移相范圍為180o.晶閘管承受峰值電壓為.負(fù)載必須為三個(gè)可拆開的單相負(fù)載，故應(yīng)用較少。三相晶閘管△型由三個(gè)晶閘管組成,線路簡(jiǎn)單，節(jié)約晶閘管元件.三相負(fù)載必須為可拆開的單個(gè)負(fù)載組成，晶閘管放在負(fù)載后面,可減小電網(wǎng)浪涌電壓的沖擊。電流波形存在正負(fù)半周不對(duì)稱的情況,諧波分量大，對(duì)通訊干擾大,增加了對(duì)濾波的要求。移相范圍為210o晶閘管承受峰值電壓為三相半控Y型只用三個(gè)晶閘管和三個(gè)二極管組成，簡(jiǎn)化控制，降低成本。每相中電壓和電流正負(fù)半波不對(duì)稱。電路諧波分量大，除有奇次諧波外，還有偶次諧波，使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，對(duì)通訊等干擾大.移相范圍210o;晶閘管承受峰值電壓為。適用于調(diào)壓范圍不大，小容量場(chǎng)合.

6.1.3其他交流電力控制電路

當(dāng)交流調(diào)壓電路采用通斷控制時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功和交流無觸類開關(guān)的功能。1。交流調(diào)功電路采用交流調(diào)壓電路，在交流電壓過零時(shí)刻將負(fù)載與電源接通幾個(gè)周波再斷開幾個(gè)周波,實(shí)現(xiàn)交流電壓的整周波通斷控制。通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比例，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平均功率的調(diào)節(jié),稱為交流調(diào)功電路，其控制思想如圖6—2（a）所示.由于晶閘管導(dǎo)通都在電源電壓過零時(shí)刻，這樣負(fù)載電壓、電流均為完整正弦波，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高、低次諧波的污染.但是可以以導(dǎo)通與關(guān)斷總時(shí)間為周期分解出分?jǐn)?shù)次諧波來，因而從嚴(yán)格意義上講還是有一定的諧波干擾，如圖6—11為圖6-2（a)通、斷周波數(shù)下（通二個(gè)周波、斷一個(gè)周波)電阻性負(fù)載中電流頻譜，圖中為次諧波有效值，為導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電流幅值?？梢钥闯觯娏髦胁缓麛?shù)倍電源頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率諧波，且在電源頻率附近非整數(shù)倍頻率諧波含量較大。如前所敘，這種調(diào)功電路主要用于電爐的溫度控制。2.交流無觸點(diǎn)開關(guān)如果將反并聯(lián)的兩單向晶閘管或單只雙向晶閘管串入交流電路，代替機(jī)械開關(guān)起接通和關(guān)斷電路的作用，就構(gòu)成了交流無觸點(diǎn)開關(guān)。這種電力電子開關(guān)無觸點(diǎn)，無開關(guān)過程的電弧，響應(yīng)快，其工作頻率比機(jī)械開關(guān)高,有很多優(yōu)點(diǎn).但由于導(dǎo)通時(shí)有管壓降，關(guān)斷時(shí)有陽極漏電流,因而還不是一種理想的開關(guān),但已顯示出其廣泛的應(yīng)用前景.交流無觸點(diǎn)開關(guān)主電路與交流調(diào)壓電路相同,但其開通與關(guān)斷是隨機(jī)的,可以分為任意接通模式和過零接通模式。前者可在任何時(shí)刻使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，后者只能在交流電源電壓過零時(shí)才能觸發(fā)晶閘管，因而有一定開通時(shí)延,如50Hz交流電網(wǎng)中，最大開通時(shí)延約10ms。關(guān)斷時(shí)，由于晶閘管的掣住特性,不能在觸發(fā)脈沖封鎖時(shí)立即關(guān)斷；感性負(fù)載又要等到電流過零時(shí)才能關(guān)斷,均有一定關(guān)斷時(shí)延.圖6-12（a)是一種簡(jiǎn)單交流無觸點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)控制開關(guān)K閉合時(shí)，電源正、負(fù)半周分別通過二極管VD1、VD2和K接通晶閘管VT1、VT2的門極，使相應(yīng)晶閘管交替導(dǎo)通.如果K斷開,晶閘管因門極開路而不能導(dǎo)通，相當(dāng)交流電路關(guān)斷。

圖6-12晶閘管交流電力開關(guān)

采用雙向晶閘管作交流無觸點(diǎn)開關(guān)電路如圖6—12（b)所示.在控制開關(guān)K閉合時(shí)，電源正半周雙向晶閘管VT以Ⅰ+方式觸發(fā)導(dǎo)通，電源負(fù)半周時(shí)以Ⅲ－方式觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載上因此而獲得交流電能。如果K斷開，VT因門極開路而不能導(dǎo)通,負(fù)載上電壓為零,相當(dāng)交流開關(guān)斷開.6.2交—交變頻電路交—交變頻電路是一種可直接將某固定頻率交流交換成可調(diào)頻率交流的頻率變換電路,無需中間直流環(huán)節(jié)。與交—直-交間接變頻相比，提高了系統(tǒng)變換效率.又由于整個(gè)變頻電路直接與電網(wǎng)相連接，各晶閘管元件上承受的是交流電壓，故可采用電網(wǎng)電壓自然換流，無需強(qiáng)迫換流裝置，簡(jiǎn)化了變頻器主電路結(jié)構(gòu)，提高了換流能力。交—交變頻電路廣泛應(yīng)用于大功率低轉(zhuǎn)速的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)，交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源等。實(shí)際使用的交—交變頻器多為三相輸入—三相輸出電路，但其基礎(chǔ)是三相輸入—單相輸出電路，因此本節(jié)首先介紹單相輸出電路的工作原理、觸發(fā)控制、四象限運(yùn)行特性，輸入、輸出特性等；然后介紹三相輸出電路結(jié)構(gòu)、輸入、輸出特性及其改善措施；最后對(duì)于一種新型的綠色變頻電路--矩陣式交-交變換器作出介紹，使讀者了解交—交變頻技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向。6.2.1三相輸入—單相輸出交—交變頻電路

1.基本工作原理三相輸入—單相輸出交—交變頻器原理如圖6-13所示，它是由兩組反并聯(lián)的三相晶閘管可控整流橋和單相負(fù)載組成。其中圖（a）接入了足夠大的輸入濾波電感,輸入電流近似矩形波，稱電流型電路;圖（b）則為電壓型電路,其輸出電壓可為矩形波、亦可通過控制成為正弦波.圖(c)為圖（b）電路輸出的矩形波電壓，用以說明交—交變頻電路的工作原理。當(dāng)正組變流器工作在整流狀態(tài)時(shí)、反組封鎖,以實(shí)現(xiàn)無環(huán)流控制，負(fù)載Z上電壓為上（+)、下（—）；反之當(dāng)反組變流器處于整流狀態(tài)而正組封鎖時(shí)，負(fù)載電壓為上（—）、下(+）,負(fù)載電壓交變.若以一定頻率控制正、反兩組變流器交替工作（切換），則向負(fù)載輸出交流電壓的頻率就等于兩組變流器的切換頻率，而輸出電壓大小則決定于晶閘管的觸發(fā)角。

圖6-13三相輸入—單相輸出交-交變頻器原理圖

交-交變頻電路根據(jù)輸出電壓波形不同可分為方波型和正弦波型。方波型控制簡(jiǎn)單，正、反兩橋工作時(shí)維持晶閘管觸發(fā)角恒定不變,但其輸出波形不好，低次諧波大，用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)時(shí)會(huì)增大電機(jī)損耗，降低運(yùn)行效率，特別增大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，很少采用。因此以下僅討論正弦型交-交變頻電路。2。工作狀態(tài)三相—單相正弦型交-交變頻電路如圖6-14所示,它由兩個(gè)三相橋式可控整流電路構(gòu)成。如果輸出電壓的半周期內(nèi)使導(dǎo)通組變流器晶閘管的觸發(fā)角變化，如從=90o逐漸減小到，然后再逐漸增大到=90o,則相應(yīng)變流器輸出電壓的平均值就可以按正弦規(guī)律從零變到最大、再減小至零，形成平均意義上的正弦波電壓波形輸出，如圖6-16中所示?？梢钥闯?輸出電壓的瞬時(shí)值波形不是平滑的正弦波，而是由片段電源電壓波形拼接而成。在一個(gè)輸出周期中所包含的電源電壓片段數(shù)越多，波形就越接近正弦,通常要采用六脈波的三相橋式電路或十二脈波變流電路來構(gòu)成交—交變頻器。

圖6-14三相—單相交—交變頻電路在無環(huán)流工作方式時(shí)，變頻電路正、反兩組變流器輪流向負(fù)載供電。為了分析兩組變流器的工作狀態(tài)，忽略輸出電壓、電流中的高次諧波，因此可將圖6—14電路等效成圖6—15（a)所示理想形式，其中交流電源表示變流器輸出的基波正弦電壓，二極管體現(xiàn)電流的單向流動(dòng)特征,負(fù)載Z為感性,負(fù)載阻抗（功率因數(shù)）角為。圖6—15（b）給出了一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形，正、反兩組變流器的電壓和電流以及正、反兩組變流器的工作狀態(tài)。如圖所示，在負(fù)載電流的正半周區(qū)間，正組變流器導(dǎo)通，反組變流器被封鎖。在(）區(qū)間，正組變流器導(dǎo)通后輸出電壓、電流均為正，故正組變流器向外輸出功率,工作于整流狀態(tài)；在（）區(qū)間,負(fù)載電流方向不變，仍是正組變流器導(dǎo)通，輸出電壓卻反了向，因此負(fù)載向正組變流器反饋功率,正組變流器工作于逆變狀態(tài)。在(）區(qū)間，負(fù)載電流反向，反組變流器導(dǎo)通、正組變流器被封鎖，負(fù)載電壓、電流均為負(fù)，故反組變流器處于整流狀態(tài)。在（）區(qū)間,電流方向不變，仍為反組導(dǎo)通,但輸出電壓反向，反組變流器工作在逆變狀態(tài).從以上分析可知,交-交變頻電路中，正、反組變流器的導(dǎo)通由電流方向來決定，與電壓極性無關(guān)；每組變流器的工作狀態(tài)（整流或逆變),則是由輸出電壓與電流是否同極性來決定.3.輸出電壓波形正弦型交—交變頻電路實(shí)際輸出電壓波形如圖6-16所示，圖（a)～（d)分別表示了正、反組變流器不同工作狀態(tài)。圖（a)表示正組變流器工作，A點(diǎn)處其晶閘管觸發(fā)角,平均電壓最大。隨著的增大,值減小，當(dāng)時(shí),。半周內(nèi)平均輸出電壓如圖中虛線所示，為一正弦波。由于整流電壓波形上部包圍的面積比下部面積大，總的功率為正，從電源供向負(fù)載,此時(shí)正組變流器工作在整流狀態(tài)。圖6-16正弦型交—交變頻器輸出電壓波形圖(b）仍為正組變流器工作，但觸發(fā)角在間變化，變流器輸出平均電壓為負(fù)值。由于整流電壓波形下部包圍的面積比上部大，總的功率為負(fù),從負(fù)載流向電源，此時(shí)正組變流器工作在逆變狀態(tài).圖（c）、（d)為反組變流器工作。當(dāng)其觸發(fā)角時(shí)，反組變流器處于整流狀態(tài)，總的功率由電源輸向負(fù)載；當(dāng)時(shí)，反組變流器處于逆變狀態(tài)，負(fù)載將向電源反饋功率。如果改變的變化范圍（調(diào)制深度），使它們?cè)诜秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)，輸出平均電壓正弦波幅值也會(huì)改變,從而達(dá)到調(diào)壓目的.由此得出結(jié)論：正弦波交—交變頻電路是由兩組反并聯(lián)的可控整流器組成，運(yùn)行中正、反兩組變流器的角要不斷加以調(diào)制，使輸出電壓為正弦波；同時(shí),正、反組變流器也需按規(guī)定頻率不停地進(jìn)行切換，以輸出頻率可變交流。4.余弦交點(diǎn)控制法要實(shí)現(xiàn)交—交變頻電路輸出電壓波形正弦化，必須不斷改變晶閘管的觸發(fā)角,其方法很多，但應(yīng)用最為廣泛的是余弦交點(diǎn)控制法.該方法的基本思想是使構(gòu)成交—交變頻器的各可控整流器輸出電壓盡可能接近理想正弦波形，使實(shí)際輸出電壓波形與理想正弦波之間的偏差最小。圖6-17為余弦交點(diǎn)法波形控制原理圖.交—交變頻電路中任一相負(fù)載在任一時(shí)刻都要經(jīng)過一個(gè)正組和一個(gè)反組的整流器接至三相電源,根據(jù)導(dǎo)通晶閘管的不同，加在負(fù)載上的瞬時(shí)電壓可能是六種線電壓，它們?cè)谙辔簧匣ゲ?0o。如用來表示時(shí)，則有設(shè)為期望輸出的理想正弦電壓波形.為使輸出實(shí)際正弦電壓波形的偏差盡可能小,應(yīng)隨時(shí)將第一個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電壓偏差與讓下一個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)的偏差相比較，如,則第一個(gè)管子繼續(xù)導(dǎo)通；如，則應(yīng)及時(shí)切換至下一個(gè)管子導(dǎo)通。因此換相至的條件為即（6—9）同理由換相到的條件應(yīng)為（6—10)圖6-17余弦交點(diǎn)控制法波形原理

當(dāng)和都為正弦波時(shí)，也應(yīng)為正弦波，如圖6-17各虛線所示。這些正弦波的峰值正好處于波上相當(dāng)于觸發(fā)角的位置上，故此波即為波觸發(fā)角的余弦函數(shù)，常稱為的同步波.由于換相點(diǎn)應(yīng)滿足的條件，故應(yīng)在和的交點(diǎn)上發(fā)出觸發(fā)脈沖導(dǎo)通相應(yīng)晶閘管元件,從而使交—交變頻電路輸出接近于正弦波的瞬時(shí)電壓波形，如圖6-18中粗實(shí)線波形所示，相應(yīng)阻一感性負(fù)載下的輸出電流波形則相當(dāng)接近正弦形。

圖6-18正弦型交—交變頻電路輸出電壓、電流波形5。輸入、輸出特性(1)輸出頻率上限交-交變頻電路輸出電壓是由多段電源電壓片段“拼湊”而成。一個(gè)輸出周期內(nèi)拼接的電源電壓段數(shù)越多，輸出電壓波形越接近正弦。當(dāng)輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周內(nèi)所包含的電源電壓段數(shù)減少，波形將嚴(yán)重偏離正弦，致使輸出電力諧波增加,因而限制了最高輸出頻率。由于每段電源電壓的平均持續(xù)時(shí)間決定于變流電路的脈波數(shù)，增加構(gòu)成交—交變頻電路的兩組變流器脈波數(shù)可改善輸出波形，提高輸出頻率上限。常用6脈波三相橋式變頻電路的上限頻率不能高于電網(wǎng)頻率的，約20Hz。(2）輸入功率因數(shù)由于交—交變頻電路采用移相觸發(fā)控制，晶閘管換流時(shí)需要從電網(wǎng)吸收感性無功，致使不論負(fù)載功率因數(shù)是領(lǐng)先還是滯后，輸入功率因數(shù)總是滯后。

圖6-19不同下,關(guān)系圖6-20輸入、輸出功率因數(shù)間關(guān)系

在正弦波交—交變頻電路余弦交點(diǎn)法移相觸發(fā)控制中，期望輸出的理想正弦電壓為,每次觸發(fā)時(shí)該觸發(fā)角下輸出電壓為，為時(shí)整流電壓。當(dāng)時(shí)可以確定出（6—11）其中為輸出電壓比，它是一個(gè)影響輸入功率因數(shù)的重要因素.圖6-19給出了不同下，交-交變頻電路輸出電壓在的一個(gè)周期內(nèi)移相觸發(fā)角的變化規(guī)律，它反映了輸入功率因數(shù)的變化。越小，輸出電壓越低，半周期內(nèi)平均值越接近90o,位移因數(shù)或功率因數(shù)就越低。圖6—20則給出輸入功率因數(shù)與負(fù)載功率因數(shù)間關(guān)系.可以看出，即使負(fù)載功率因數(shù)為1且滿電壓輸出,輸入功率因數(shù)也低于1。隨著負(fù)載功率因數(shù)的降低和輸出電壓比的減小，輸入功率因數(shù)將會(huì)更低。(3）輸出電壓諧波交-交變頻電路輸出電壓諧波成分非常復(fù)雜,和輸入頻率、輸出頻率、電路脈波數(shù)均有關(guān)。采用三相橋式變流器的單相交—交變頻電路輸出電壓中主要諧波頻率為；；等等，包含有3次諧波,它們?cè)跇?gòu)成三相輸出時(shí)會(huì)被抵消。如若采用無環(huán)流控制時(shí),由于確保正、反兩橋安全切換所需死區(qū)的影響,還將出現(xiàn)等次諧波。(4）輸入電流諧波由于交—交變頻電路輸入電流波形及幅值均按正弦規(guī)律被調(diào)制，和可控整流電路相比,其輸入電流頻譜要復(fù)雜得多。采用三相橋式變換器的單相交—交變頻電路的輸入電流頻率為（6-12）和（6-13）式中。

6.2.2三相輸入—三相輸出交-交變頻電路

三相輸出交-交變頻電路由三個(gè)輸出電壓相位互差120o的單相輸出交—交變頻電路按照一定方式聯(lián)接而成，主要用于低速、大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)。1.三相輸出聯(lián)接方式三相輸出交—交變頻電路有兩種主要接線方式，如圖6—21(a）、（b）所示。

圖6—21三相輸出交—交變頻電路聯(lián)接方式

(1）公共交流母線進(jìn)線方式它是由三組彼此獨(dú)立、輸出電壓互差120o的單相輸出交—交變頻電路構(gòu)成，其電源進(jìn)線經(jīng)交流進(jìn)線電抗器接至公用電源.因電源進(jìn)線端公用，三組單相輸出必須隔離.這種接法主要用于中等容量交流調(diào)速系統(tǒng)。（2）輸出Y接方式三組單相輸出交—交變頻電路Y接,中點(diǎn)為O；三相交流電動(dòng)機(jī)繞組亦為Y接，中點(diǎn)為Oˊ。由于三組輸出聯(lián)接在一起，電源進(jìn)線必須采用變壓器隔離.這種接法可用于較大容量交流調(diào)速系統(tǒng)。2.輸入、輸出特性三組輸出交—交變頻電路的輸出頻率上限和輸出電壓諧波成分與單相輸出交-交變頻電路相同。三相輸出交-交變頻電路總的輸入電流是由三個(gè)單相輸出交-交變頻電路同一相輸入電流合成得到，此時(shí)有的諧波會(huì)因相位關(guān)系相互削弱或抵消，因此諧波種類將有所減少,總諧波幅值也有所下降。其諧波頻率為（6-14)和（6—15）式中。當(dāng)正、反組變換器采用三相橋式電路時(shí),輸出電流諧波頻率為等。其中更以次諧波幅值最大。三相輸出交—交變頻電路輸入功率因數(shù)按以下定義式計(jì)算（6—16）即三相電路總有功功率可為每相電路有功功率之和，但視在功率不能簡(jiǎn)單相加，應(yīng)由總輸入電流、輸入電壓有效值之積來算。由于三相電路輸入電流諧波有所減小,三相總視在功率比三個(gè)單相視在功率之和小，故三相輸出交-交變頻電路總輸入功率因數(shù)比單相輸出交—交變頻電路有所改善。3.改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓的措施要改善三相輸出交-交變頻電路的輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓，其基本思想是在各相電壓中迭加零序分量成分（如直流、3次諧波等），由于它們不會(huì)出現(xiàn)在線電壓中，因此也不會(huì)加到Y(jié)接負(fù)載之上。具體措施有直、交流偏置方法。圖6-22交流偏置法控制下,理想輸出電壓波形(1）直流偏置法當(dāng)交—交變頻電路驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)作變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行理論，低頻低速時(shí)必須相應(yīng)降低機(jī)端電壓,此時(shí)變頻電路輸出電壓幅值很低，各組變流器觸發(fā)角都在90o附近,輸入功率因數(shù)很低.此時(shí)如給各相輸出電壓上迭加相同大小的直流，可使角減小，提高輸入功率因數(shù)，但輸出負(fù)載線電壓并不改變。這種方法稱直流偏置法，常用于長(zhǎng)期低速運(yùn)行的交流電動(dòng)機(jī)供電。(2）交流偏置法如給各相輸出電壓上迭加3次為主的零序分量諧波，使輸出電壓波形呈梯形波，如圖6-22所示。但線電壓中三次諧波等互相抵消，負(fù)載上電壓仍為正弦。這種控制方式下兩變流器可長(zhǎng)時(shí)間工作在高電壓輸出的梯形波平頂區(qū),角小，輸入功率因數(shù)可提高15%左右。表6-2交—交變頻電路與交—直-交變頻電路比較變頻電路類型比較內(nèi)容交-交型交-直—交型換能形式一次換能，效率高兩次換能，效率較低換流方式電網(wǎng)電壓自然換流強(qiáng)迫或負(fù)載換流，或自關(guān)斷器件使用器件數(shù)量多,利用率低較少，利用率高調(diào)頻范圍電網(wǎng)頻率無限制輸入功率因數(shù)較低一般相控調(diào)壓時(shí)，低頻低壓時(shí)低；不控整流時(shí)(PWM逆變）較高適用場(chǎng)合低速、大功率交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)各種交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)壓和不停電電源與此同時(shí),正弦波輸出控制時(shí)最大輸出相電壓幅值只能為時(shí)的,而梯形波輸出中的基波幅值可比高15％，故采用梯形波輸出控制方式可使交—交變頻器輸出電壓提高15%。由于梯形波輸出控制相當(dāng)于在相電壓中加入三次等交流諧波,故稱交流偏置法.上一章中我們介紹了交—直—交變頻電路，本章中介紹了交—交變頻電路，兩者的比較參見表6—2。6。3矩陣式變換電路為解決傳統(tǒng)晶閘管型相控方式的交—交變頻電路輸入、輸出特性差，諧波成分大的缺陷，近年來出現(xiàn)了一種新穎的矩陣式交—交變頻電路。這也是交-交直接變頻方式，電路元件需采用雙向全控型自關(guān)斷器件，即正、反兩個(gè)方向均可控制開通與關(guān)斷的功率開關(guān)，控制方式為脈寬調(diào)制（PWM）。圖6—23(a）為三相輸入—三相輸出變換電路，由于9個(gè)雙向開關(guān)作3×3矩陣布置，故得其名。在目前沒有商品化雙向開關(guān)的條件下,可采用兩單向開關(guān)器件進(jìn)行組合，圖（b）為采用IGBT及快速恢復(fù)二極管的一種組合方式。圖6-23矩陣式變換器及組合雙向開關(guān)（a）矩陣式變換器；（b)組合雙向開關(guān)

矩陣式變換電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓正弦，輸出頻率不受輸入頻率限制;輸入電流正弦、可與輸入電壓同相位，即輸入功率因數(shù)為1，也可控制成所需功率因數(shù)；能量可雙向流動(dòng)，適合于交流電機(jī)的四象限運(yùn)行驅(qū)動(dòng)；直接實(shí)現(xiàn)變頻，無中間直流環(huán)節(jié)及其濾波元件，變換效率高.因此這是一種電氣性能十分優(yōu)良、極具應(yīng)用前景的頻率變換電路，對(duì)它的研究、學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)意義。

6.3。1矩陣式變換電路的等效交—直—交變換

6—23（a）所示矩陣式變換電路的運(yùn)行控制機(jī)理，可以用圖6—24所示的等效（虛擬)交—直—交結(jié)構(gòu)來分析，采用這種等效結(jié)構(gòu)可以充分利用成熟的交—直—交變換中的PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣式變換電路的有效控制。為描述各開關(guān)的通、斷狀態(tài)，首先定義開關(guān)函數(shù)：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，；開關(guān)斷開時(shí),。對(duì)于圖6—24的等效交-直-交結(jié)構(gòu),。按照輸入電壓不能被短路、輸出感性負(fù)載電路不能突然開路的原則，虛擬整流器同一直流母線P或N上的開關(guān)，必須有一個(gè)、也只能有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即(6-17）圖6—24矩陣式變換電路的等效交-直—交結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖6-23(a）的矩陣式變換電路,，。按照輸入電壓不能被短路、輸出電路不能突然開路原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個(gè)輸入相，開關(guān)函數(shù)須滿足（6-18）等效交—直—交變換中，整流器部分變換關(guān)系有直流母線P、N電壓方程（6—19）（6—20)和輸入電流方程（6-21)等效交—直—交變換的逆變器部分變換關(guān)系有輸出電壓方程(6—22）和直線母線電流方程（6-23）（6—24)將式（6-19)、式（6—20）代入式(6-22），并根據(jù)線、相電壓關(guān)系，可得輸出線電壓表達(dá)式（6—25）將式(6—23)、式（6—24）代入式（6-21），可得輸入