交流直接变频电路的应用与优势

将交流电整流成直流电，再将直流电逆变为另一种频率的交流电称为间接变频。将交流电直接变为另一频率和电压的交流电，称为直接变频。若用晶闸管做开关器件，利用交流电源电压瞬时值变负后的反向电压关断已处于导通状态的晶闸管，晶闸管按相控方式工作，可实现晶闸管相控的交流-交流直接变频、变压，其特点是输出电压的频率只能低于输入交流电源的频率，实现降频、降压变换，这种直接变频器又称为周波变换器（Cyclo-converter）。若采用全控型开关器件，则可构成电路结构较为简单的矩阵型交流-交流变流电路，实现交流-交流直接变频。

图2-14 三相交流-交流直接变频器电路

图2-14a中两组三相桥晶闸管相控变流器正组P和反组N的“直流”侧反并联后再接上交流感性负载Z，正组P通过相控可输出平均值为正值或负值的电压V_P，但只能向负载输出正方向电流i_P；反组N可以相控输出平均值为正值或负值的直流电压V_N，但只能向负载输出反方向电流i_N。若交流电源线电压为V，频率为f_S，角频率ω_S=2πf_S，周期T_S=1/f_S，正组变流器触发延迟角为α_P，反组变流器触发延迟为α_N，α_N=180°-α_P，则其输出电压瞬时值v_P（v_AB）、v_N（v_CD）在一个输出电压脉波周期T_m中的直流平均值V_P（V_AB）、V_N（V_CD）为

变流器输出的负载电压为

V₀=V_P=V_N=V_AB=V_CD=V_d0 cosαP

式中，V_d0为α_P=0时输出电压最大的平均值，V（V为三相桥电路线电压有效值）。

图2-14a中只要对正、反两组变流器的控制角α_P、α_N=180°-α_P进行相控，就可使负载两端电压v_O在一个脉波周期T_m中的平均电压V_O可正，可负，且大小可控。负载电流i_O也可正（正组P供电），可负（反组N供电）。如果电源频率f_S=50Hz，在电流频率的一个周期T_S=1/f_S=20ms中，三相桥电路可相控输出6个脉波V_O，每个V_O脉波持续时间T_m=T_S/6=3.34ms，如果要求输出电压频率f₀小3倍，f₀=f_S/3=16.67Hz，周期T₀=3×T_S=60ms。若如图2-14b所示，在输出电压v_O（t）的一个周期T₀（相角360°）中，将有18个脉宽T_m（20°）的电压脉波V_D=V_d0 cosα_P。如果这18个脉波的触发延迟角α_P在0°～180°之间交变（最小触发延迟角α_min=0）。当0<α_P<90°时，V_O为正值；当90°<α_P<180°时，V_O为负值；当α_P在0°→180°→0°以频率f₀周期性地变化时，输出电压v₀（t）=V_O=V_d0 cosα_P就成为一个频率为f₀、幅值为V_0m的交流电压。

v₀（t）=V_O=V_d0 cosα_P≈V_0msinω₀t=V_0msin（2πf₀t） （2-29A）

图2-14a实现了三相桥电路相控直接变频。为此图2-14中18个脉波的触发延迟角α_P随时间t的变化应按下式确定：(www.xing528.com)

式中，是α_min=0时三相桥变频电路的变压比。

由图2-14b和式（2-29A）可知，输出电压v₀（t）是18个不同的相位（ω₀t）时间段，对应18个触发延迟角α_P的18个不等高的脉波电压组成的交流电压。如果变频器运行中18个α_P的最小值为α_min≠0，当α_P=α_min时，V_O=V_d0 cosα_min有最大正值V_0m，它应是式（2-29A）中时间相位ω₀t=90°的时间段的脉波电压V_0m，V_d0 cosα_min=V_0m，可得到α_min≠0时的变压比K为

K=V_0m/V_d0=cosα_min<1（V_0m<V_d0） （2-30）

式（2-29B）可变为

α_P=arccos[cosα_min sin（ω₀t）]=arccos[cosα_min sin（2πf₀t）] （2-29C）

如果要求变频器能输出最大的交流电压，则应选定α_min=0，这时变压比K=V_0m/V_d0=cosα_min=1.0，V_0m=V_d0，此时即图2^-14b中对应相位角ω₀t=90°时间段脉波5的电压，也就是输出正弦基波电压的幅值V_0m。18脉波每个脉波中心点相差360°/18=20°，因此图2-14b中从第一个脉波开始，中心点依次为ω₀t=10°、30°、50°、70°、90°、110°、…、330°、350°。由式（2-29B）即可得到各脉波所对应的触发延迟角α_P=80°、60°、40°、20°、0°、20°、40°、…、180°、160°、…、80°，得到各脉波电压V_O=V_d0 cosα_P=V_0m cosα_P，V_O/V_d0=V_O/V_0m=cosα_P，如图2-14b所示。

如果要求V_0m<V_d0，即要求K=V_0m/V_d0=cosα_min<1，α_min>0，则可由所需的V_0m值按式（2-30）求得变压比K=cosα_min，再由式（2-29C）求得不同ω₀t时各脉波的触发延迟角α_P，得到各脉波电压V_O=V_d0 cosα_P。

输出基波交流电压v₁（t）、基波电流i₁（t）如图2-14c所示。在图2-14c中，负载为感性，在v₁为正、i₁为负期间反组逆变运行；在v₁为正、i₁为正期间正组整流运行；在v₁为负、i₁为正期间正组逆变运行；在v₁为负、i₁为负期间反组整流运行。因此在v₁、i₁同相期间（Ⅱ、Ⅳ），变流器将交流电源有功功率送至负载；在v₁、i₁反相期间（Ⅰ、Ⅲ），感性负载向交流电源回馈功率。图2-14a就成为一个三相输入、单相输出的晶闸管相控直接变频器。图2-14d为三相输入、三相输出的直接变频器电路。

与晶闸管相控整流、相控有源逆变、相控交流调压一样，晶闸管相控交-交直接变频最大的缺点也是变流器的交流输入电源电流中含有大量低次谐波（图2-14d三相桥时6k±1次，k=1，2，3…），输出电压中含有大量低次电压谐波（6k次），因而需要配置滤波器。此外相控变流器的输入功率因数cosφ近似等于触发延迟角α的cosα（cosφ=cosα），因此输出电压越低，即cosα越小，所需无功功率也越大，常常又需配置无功补偿装置，所以晶闸管相控交-交变频仅适用于大功率、低速交流变速传动。对于功率不太大的交流变速传动控制，可选用全控型开关器件，常采用AC-DC、DC-AC两级间接AC-AC变频器。