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，用以说明交一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上电压坯为 上（+）、下G）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压坯为上（-）、 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尤就等于两组变流器的切换频率，而输出电压坯大小则决定于晶 闸管的触发角匚。%（C）图 6-13 三相输入单相输出交交变频器原理图交一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口恒定不变，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 讨论正弦型交一交变频电路。2. 工作状态三相一单相正弦型交一交变频电路如图6-14所示，它由两个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，如从口 =90逐渐减小 到，然后再逐渐增大到口 =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一交变频器。图 6-14 三相一单相交一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）角为评。图6-15 （b）给出了一个周期内负载电压坯、负载 电流波形，正、反两组变流器的电压加以及正、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、正处于整流状态。在（）区间，电流方向不变，仍组变流器被封锁，负载电压、电流均为负，故反组变流器为反组导通，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一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叫=，平均电压最大。随 着幻的增大，匕值减小，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，但触发图&応正弦型交一交变频器输出电压波形角幻在间变化，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。如果改变匚”畅的变化范围（调制深 0 CE 度），使它们在范围内调节，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、反两组变流器的口角要不断加以调制， 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口，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 、叫*六种线电压，它们在相位上互差60 。如用来表示时，则有珂=sin皿込-J2Z7gin.皿-凭息込=win（凶一家4 -忑U SLIL（曲-jt） 込=口 min（凶蜕-返口 si n.皿-亍相比较，如设%=品入池唤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 醯一心 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；如盘盘一两=盘2 一盘盘宓一心，则应及时切换至下一个管子导通。因此的换相至処的条件为6-9）同理由码换相到碍+1的条件应为6-10）图 6-17 余弦交点控制法波形原理当的和吋都为正弦波时,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碍+1波上相当于触发角口 = 的位置上，故此波即为码+1波触发角的条件，的余弦函数，常称为碍+1的同步波。由于换相点应满足故应在丘和旳的交点上发出触发脉冲导通相应晶闸管元件，从而使交一交变频电路输出 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。电流波形约 20Hz。图 6-18 正弦型交交变频电路输出电压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(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。IW300 JL2 U.4 D.b U.H t h 机黑也h fl.4 U.2 柿 4负典功率因戰 十1级戟加率因教 Hvr-Lo关系图 6-20 输入、输出功率因数间关系图6-19不同下,在正弦波交一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 叫=忑比sm呼，每次触发时该触发角込下输出电压为叫=%代处，为込二时整流电压。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因素。图6-19给出了不同尸下，交一交变频电路输出电压在哄=% 的一个周期内移相 触发角口的变化规律，它反映了输入功率因数的变化。尸越小，输出电压越低，半周期内 口平均值越接近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且满电压输出印= ,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尸 的减小，输入功率因数将会更低。(3) 输出电压谐波交一交变频电路输出电压谐波成分非常复杂，和输入频率怎、输出频率尤、电路脉波 数均有关。采用三相桥式变流器的单相交一交变频电路输出电压中主要谐波频率为土尤，5土吃L ； 12启土尤，12启3尤，L ；等等 包含有3次谐波，它们在构成三相输出时会被抵消。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5 了尤等次谐波。(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)6-13)尙=|(漲1皿皈|和式中疋=123丄；心0丄2丄。6.2.2 三相输入三相输出交交变频电路三相输出交一交变频电路由三个输出电压相位互差120的单相输出交一交变频电路按 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一交变频电路有两种主要接线方式，如图6-21 (a)、(b)所示。H图 6-21 三相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的单相输出交一交变频电路构成，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一交变频电路Y接，中点为0；三相交流电动机绕组亦为Y接，中点为 0。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。其谐波频率为尙=|佩1皿皈|，一八6-15)式中疋= 123,L ； U2L。更以当正、反组变换器采用三相桥式电路时，输出电流谐波频率为启土也必 巧土嗽，7儿 心土洗11, 1口土零，13几1跖土零剧1织等。其中 弘次