高效三相交-交变频器技术

三相输出交-交变频电路由三组输出电压相位互差120°的单相输出交-交变频电路按照一定方式连接而成，主要用于低速、大功率交流电动机变频调速传动系统中。

1.三相输出接线方式

三相输出交-交变频电路有两种主要接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式，如图5-19a、b所示。

图5-19 三相输出交-交变频电路连接方式

a）公共交流母线进线方式 b）输出星形联结方式

1）公共交流母线进线方式：它是由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相输出交-交变频电路构成，它们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组单相输出交-交变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流电动机调速系统。

2）输出星形联结方式：三组单相输出交-交变频电路的输出端是星形联结，中性点为O，三相交流电动机的绕组亦为星形联结，中性点为O′。由于三组单相输出交-交变频电路的输出连接在一起，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电动机调速系统。

由于变频器输出端中性点不和负载中性点相连接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通，而两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。

2.输入输出特性

从电路结构和工作原理可以看出，三相输出交-交变频电路的输出上限频率和输出电压谐波成分和单相输出交-交变频电路相同。

三相输出交-交变频电路总的输入电流由三个单相输出交-交变频电路的同一相输入电流合成而得到，此时有些谐波会因相位关系相互削弱或抵消，因此谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低，其谐波频率为

和

式中，k=1，2，3，…；l=0，1，2，…。(www.xing528.com)

当变换电路采用三相桥式电路时，三相输出交-交变频电路输入谐波电流的主要频率为f_i±6f_o、5f_i、5f_i±6f_o、7f_i、7f_i±6f_o、11f_i、11f_i±6f_o、13f_i、13f_i±6f_o等。其中5f_i次谐波最大。

三相输出交-交变频电路的输入功率因数的计算公式为

三相电路总的有功功率为各相有功功率之和，但视在功率却不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压有效值之积来计算，由于三相电路输入电流谐波有所减少，三相总视在功率比三个单相输出视在功率之和小。因此，三相输出交-交变频电路的总输入功率因数要高于单相输出交-交变频电路。当然，这只是相对于单相电路而言，功率因数低仍是三相输出交-交变频电路的一个主要缺点。

3.改善输入功率因数和提高输出电压

在图5-19所示的输出星形联结的三相交-交变频电路中，各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。如果在各相电压中叠加同样的直流分量3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。

当负载电动机低速运行时，变频器输出电压幅值很低，各组桥式电路的α都在90°附近，因此输入功率因数很低。如果给各相的输出电压都叠加上同样的直流分量，触发延迟角α将减小，但变频器输出线电压并不改变。这样，既可以改善变频器的输入功率因数，又不影响电动机的运行。这种方法称为直流偏置。对于长期在低速下运行的电动机，用这种方法可明显改善输入功率因数。

另一种改善输入功率因数的方法是梯形波输出控制方式。图5-20所示为梯形波控制方式的理想输出电压波形，这种控制方式下，三组单相变频器的输出电压均为梯形波（也称准梯形波）。

因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中，因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（梯形波的平顶区），α较小，因此输入功率因数可提高15%左右。

图5-20 梯形波控制方式的理想输出电压波形

在图5-16的正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为三相桥式电路当α=0°时的直流输出电压值U_d0。这样的输出电压值有时难以满足负载的要求。和正弦波相比，在同样幅值的情况下，图5-20所示梯形波中的基波幅值可提高15%左右。这样，采用梯形波输出控制方式就可以使变频器的输出电压提高约15%。

采用梯形波输出控制方式相当于给相电压叠加了三次谐波。相对于直流偏置，这种方法也称为交流偏置。

本节介绍的交-交变频电路是把一种频率的交流直接变成可变频率的交流，是一种直接变频电路。这种电路的优点是：只用一次变换，效率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相输出交-交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变换电路脉波数的限制，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500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流电动机调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合获得了较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。