交-交变频电路的整流和逆变工作状态及波形分析

本节讲述采用晶闸管的交-交变频电路，这种电路也称为周波变流器（Cycloconvertor）。交-交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。

交-交变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交-交变频电路。单相输出交-交变频电路是其基础，本节只介绍单相交-交变频电路的构成、工作原理、控制方法及输入输出特性。

1.单相交-交变频电路构成和基本工作原理

图6-11是单相交-交变频电路的基本原理图和输出电压波形。电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流oi为正，N组工作时，oi为负。让两组变流器按照一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率 oω。改变变流电路工作时的触发延迟角α，就可以改变交流输出电压的幅值。

为了使输出电压uo的波形接近正弦波，可以按照正弦规律对触发延迟角α进行调制。如图6-11波形所示，可在半个周期内让正组变流器P的α按正弦从90°逐渐减小到0°或某个值，然后在逐渐增大到90°。这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐降低到零，如图中虚线所示。另外半个周期可对变流器N进行同样的控制。

图6-11 单相交-交变频电路原理图和输出电压波形

图6-11的波形是变流器P和N都为三相半波可控电路时的波形。可以看出，输出电压uo并不是平滑的正弦波，而是由若干电源电压拼接而成。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，交-交变频电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。本节在后面的论述中均以最常见的三相桥式电路为例进行分析。

2.整流与逆变工作状态

交-交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。这里以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变工作状态，这种分析也适用于交流电动机负载。

如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动分量，就可把电路等效成图6-12（a）所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路电流的单方向性。

假设负载阻抗角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外，为避免两组变流器之间产生环流（在两组变流器之间流动而不经过负载的电流），两组变流电路在工作时不同时施加触发脉冲，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲（这种方式称为无环流工作方式）。

图6-12（b）给出了一个周期内负载电压、电流波形及正反两组变流电路的电压、电流波形。由于变流电路的单向导电性，在t1～t3期间的负载电路正半周，只能是正组变流电路工作，反组电路被封锁。其中t1～t2阶段，输出电压和电流均为正，故正组变流电路工作在整流状态，输出功率为正。在t2～t3阶段，输出电压已反向，但输出电流仍为正，正组变流电路工作在逆变状态，输出功率为负。

图6-12 理想化交-交变频电路的整流和逆变工作状态

在t3～t5阶段，负载电流负半周，反组变流电路工作，正组电路被封锁。其中t3～t4阶段，输出电压和电流均为负，反组变流电路工作在整流状态。在t4～t5阶段，输出电流为负而电压为正，反组变流电路工作在逆变状态。

可以看出，在阻感负载的情况下，在一个输出电压周期内，交-交变频电路有4种工作状态。哪组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路工作在整流状态还是逆变状态，则是根据输出电压方向与输出电流方向是否相同来确定的。

图6-13是单相交-交变频电路输出电压和电流的波形图。如果考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可分6段，第一段io＜0、uo＞0，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段io＞0、uo＞0，为正组整流；第4段io＞0、uo ＜ 0，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段io＜0、uo＜0，为反组整流。

图6-13 单相交-交变频电路输出电压和电流波形

当输出电压和电流的相位差小于90° 时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态；当二者相位差大于90° 时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量，电动机工作在发电状态。

3.输出正弦波电压的调制方法

通过不断改变触发延迟角α，使交-交变频电路的输出电压波形基本为正弦波的调制方法有多种。这里主要介绍最基本的余弦交点法。

设Udo为α=0时整流电路的理想空载电压，则触发延迟角为α时变流电路的输出电压为

对交-交变频电路来说，每次控制时的α都不同，式（6-15）中的表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为

比较式（6-15）和式（6-16），应使

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式中，γ称为输出电压比，。

因此

上式就是用余弦交点法求交-交变频电路触发延迟角α的基本公式。

下面用图6-14对余弦交点法作进一步说明。图6-14中，电网线电压uab、uac、ubc、uba、uca 、ucb依次用u1、u2、u3、u4、 u5、 u6表示，它们在相位上相差60°。相邻两个线电压的交点对应于触发延迟角α=0°。

图6-14 余弦交点法原理

设要得到的正弦波输出电压为uo =Uom sin ω0t。为使输出的实际正弦电压波的偏差尽可能小，应随时将前一只晶闸管导通时的电压偏差ui与预定的下一只晶闸管导通时的偏差ui+1相比较，如 uo - ui ＜ ui+1 - uo ，则前一只晶闸管继续导通；如 uo - ui ＞ ui+1 - uo ，则应及时切换到下一只晶闸管导通。因此切换的条件为

ui 、ui+1均为正弦波，且ui+1滞后ui60°，则 (ui +ui+1 )/2也为正弦波，且超前ui+130°，用 us(i+1)表示，其峰值正好处于ui+1波上相当于触发延迟角α=0°的位置，故us(i+1)即为ui+1波触发延迟角α的余弦函数，常称为ui+1的同步余弦信号。u1～u6所对应的同步余弦信号分别用us1～us6来表示。如希望输出的电压为uo，则各晶闸管的触发时刻由相应的同步电压us(i+1)的下降段和uo交点来决定。

上述余弦交点法可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制。采用计算机控制时可方便地实现准确的运算，而且除计算α外，还可以实现各种复杂的控制计算，使整个系统获得很好的性能。

4.输入输出特性

1）输出上限频率

交-交变频电路的输出电压是由许多段电网电压拼接而成的。输出电压一个周期内拼接的电网电压段数越多，就可使输出电压波形越接近正弦波。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小，波形将严重偏离正弦。电压波形畸变及由此产生的电流波形畸变和由此带来的交流电机转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。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，构成交-交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。就常用的6脉波三相桥式变流电路而言，一般认为，输出上限频率不能高于电网频率的1/3～1/2，电网频率为50 Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20 Hz。

2）输入功率因数

由于交-交变频电路采用相位控制方式，其输入电流的相位总是滞后于输入电压，晶闸管换流时需要从电网吸收感性无功功率，致使无论负载功率因数是领先还是滞后，输入功率因数总是滞后的。

3）输出电压谐波

交-交变频电路输出电压的谐波成分非常复杂，和电网频率fi、输出频率fo、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

另外，若采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时正反组切换死区的影响，将使输出电压中增加5fo、7fo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，和可控整流电路的输入波形相比，交-交变频电路输入电流的频谱要复杂得多，但各次谐波的幅值要比可控整流电路的谐波幅值小。

采用三相桥式电路的单相交-交变频电路的输入电流谐波频率为

式中，k=1，2，3……

l=0，1，2……

前面的分析都是基于无环流控制方式进行的。在无环流控制方式下，由于负载电流反向时为保证无环流而必须留有一定的死区时间，就使得输出电压的波形畸变增大；另外，在负载电流断续时，输出电压被负载电动机反电动势抬高，也会造成输出波形畸变；电流死区和电流断续的影响也限制了输出频率的提高。采用有环流方式可以避免电流断续并消除电流死区，改善输出波形，还可提高交-交变频电路的输出上限频率。但是正反两组变流器之间需要设置环流电抗器，使设备成本增加，运行效率也因环流而有所降低。因此，目前应用较多的还是无环流控制方式。

本节介绍的交-交变频电路是把一种频率的交流电直接变换成可变频率的交流电，是一种直接的变频电路。而先把交流电变换成直流电，再把直流电逆变成可变频率的交流电，即交-直-交变频电路，是一种间接的变频电路。和间接的变频电路比较，直接的变频电路的优点是：只用一次变换，效率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出时波形接近正弦波。缺点是：接线复杂；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。由于以上优缺点，交-交变频电路主要用于500 kW或1 000 kW以上的大功率，低转速的交流调速电路中。它既可以用于异步电动机传动，也可以用于同步电动机传动。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、卷扬机等场合获得了较多的应用。