适用于机械控制领域的交-交变频器

交-交变频器的主电路如图6-6所示。从图中可以看出，它实质是由三套晶闸管可逆整流桥构成，每个整流桥的输出电压相差120°电角度。所以它的原理和直流整流电路相同，只不过直流整流器的控制信号u_k是直流信号，而交-交变频器的u_k是频率较低的交流信号。交-交变频器最大输出频率为1/2工频以下，对于50Hz的工频电源，一般情况下最大输出频率为16～20Hz的程度。因为大多数电动机的绕组是星形联结，所以必须使用独立的三套电源变压器向各个整流桥供电；如果电动机采用独立的三相绕组，则可使用一套变压器副边。

交-交变频器的晶闸管是自然换流，不需要强制关断，可靠性很高，加之没有中间直流环节，效率高、过载能力强，所以在低速大功率电气传动领域，最能发挥它的作用。目前交-交变频器—同步电动机的单机功率，最大可达10MW的数量级，超过直流电动机一倍之多。

图6-6 交-交变频器—交流电动机变频调速的主电路

交-交变频器主电路使用的器件大部分和直流传动的器件相同，在制造方面可以减少很多开发工作。交-交变频器也是采用相控原理，触发脉冲发生原理和装置也与直流传动相同，可以方便地移植过来。凸极的同步电动机也完全国产化，国内的大型电机厂都能生产这类同步电动机。基于这些有利条件，我国的交-交变频器—同步电动机电气传动系统在工业中的应用已经达到百套以上，具有很强的竞争力。需要努力的是核心控制的数字系统，依然依赖进口，希望早日开发出自己的核心控制系统来。

交-交变频器中单相的输出电压、电流波形如图6-7所示，在三相输出的场合各相电压、电流波形相同，相位上互差120°。

图6-7 单相交-交变频器的输出电压和电流

余弦交叉法

交-交变频器的一相就相当于一组晶闸管可逆整流电路，输出的相电压是由各段电源线电压依次相连而成的分段相连的包络线，它的平均值就是低频正弦波电压。按照怎样的移相触发规律才能得到正弦波的包络线呢？结论是采用余弦交叉法得到的电压波形最接近正弦波。

余弦交叉法就是把移相控制电压u_k与余弦形的同步电压相比较，二者相等时产生触发脉冲，对于交-交变频器来说，脉冲的间隔是不相等的。当u_k是一个频率为ω_k的低频正弦波，其表达式为

同步电压u_T是工频的余弦波

当u_k=u_T时产生触发脉冲，这时触发角为

可逆整流桥的输出电压平均值U_d为

式（6-16）表明，把一个频率为ω_k的正弦电压u_k作为移相控制电压u_k，代替直流系统中的直流移相控制电压，整流桥输出的平均电压就是放大了的正弦电压u_k。+A相的晶闸管用滞后其120°的B相作为同步电压，从而保证u_k=0时，触发角α=90°。晶闸管导通的顺序依然是1—2—3—4—5—6，但是每个晶闸管导通角各不相同，有长有短，频率越高，差异越大。这就是余弦交叉法的基本原理。

全关断检测器

交-交变频器工作时正反两组整流桥交替工作，每个周期切换两次，假设输出频率为25Hz，每秒钟就要切换50次，每小时就是18万次，切换非常频繁。其次切换的死区时间不能过大，否则严重影响输出波形。传统直流整流装置的死区时间约为5ms，这对于直流传动是无关紧要的。但是这对于一个25HZ的交-交变频器来说，两次切换的死区时间居然占到整个周期的1/4，导致波形变坏，控制失控。解决死区时间过长的办法就是使用全关断检测器代替电流互感器检测零电流信号。晶闸管上的电压波形如图6-8b所示，晶闸管导通时管压降很小（2V左右），不导通时它承受电源电压。全关断检测电路能够区分这两种情况，当6个晶闸管都关断时，用与门把信号综合，输出全关断信号。

在图6-9所示的电路中，R₁是为适应不同电压等级而设；C₁是为晶闸管关断时恢复正向阻断能力而设，相当于关断延时，时间取100μs。由于采用了全关断检测，无环流逻辑中的导通延时也缩短为0.35ms，大大降低了死区时间，从原来的5ms降低到为抗干扰而设置的0.5ms左右，明显改善了输出波形。

另外，当晶闸管不导通时，它承受的是交流的电源电压，而交流的电源电压的过零点会产生一个误判的关断信号。在最终形成的全关断信号中，要用逻辑电路把这个误判的关断信号剔除。(www.xing528.com)

图6-8 交-交变频器输出相电压波形和晶闸管上的电压波形

图6-9 全关断检测器电路图

为了使交-交变频器的输出电压波形不失真，输出频率的上限一般应小于1/2工频。交-交变频器可以实现整流和逆变两种工况，可以把制动能量回馈到电网。

交-交变频器的主要优点是晶闸管形成自然换相效果，无需用采用强制关断措施。实际使用的交-交变频器的晶闸管主柜就是利用三组直流可逆调速所用的晶闸管主柜，在技术上没有过多的难点。而交-直-交变频器需要强制关断阀组元器件，只能采用可关断的半导体元器件。

梯形波电压输出

实现梯形波电压输出的好处是

（1）可以使变频器输出能力提高15%；

（2）触发角α较长时间工作在较小值，变频器很少深控，平均功率因数随之提高15%；

（3）虽然加到电动机上的相电压是梯形波，但是线电压是正弦波，增加基波分量。

改变变频器控制电压u_k为梯形波就可实现梯形波电压输出。梯形波电压输出的波形图如图6-10所示。

图6-10 梯形波输出电压及其线电压波形

交-交变频器的功率因数和谐波

在第5章已经介绍过，考虑到波形畸变的因素，晶闸管整流器的功率因数等于基波的功率因数乘以畸变系数（见式（5-19）），三相桥式整流器的畸变系数等于0.955，基波的功率因数约等于cosα，这个结论也适用于交-交变频器。

对于交-交变频器，还要考虑负载的功率因数对于电源侧功率因数的影响。如果交-交变频器带的是容性电动机——例如过励磁的同步电动机——变频器输入侧仍然是感性。阀侧的超前的无功功率不能通过变频器送到网侧，反而只会增加变频器的无功负担。所以，最好使同步电动机工作在功率因数等于1的状态。

交-交变频器的谐波也和直流整流器相似，三相桥式交-交变频器主要的谐波次数为5、7、11、13、17、19…等；各序次的谐波有效值与基波有效值之比，是谐波序次的倒数。

值得提出的是交-交变频器要比直流整流器的“旁频谐波分量”要丰富很多，其原因是稳态时直流整流器的触发角α处于基本不变状态，只在改变整流电压的时刻α角处于变动状态；而交-交变频器的触发角α总是处在变动状态，所带来的谐波就不仅仅是5、7、11、13、17、19…等特征序次的谐波分量，还带来许多非整数倍的谐波分量，这就是分数次谐波或旁频分量。交-交变频器的快速傅里叶分析的谐波分量如图6-11所示，这张图是西门子公司在铝板轧机交-交变频器—同步电动机定子实测电流值的快速傅里叶分析结果，横轴频率是对数坐标。在治理谐波时要充分考虑这些旁频分量，比较有效的措施就是降低各次滤波器的Q值，使串联谐振曲线变得更加平缓，频带更宽些。更为先进的办法是采用SVG谐波发生器，发出与电网畸变波形互补的波形，达到谐波补偿的作用。

图6-11 交-交变频器的谐波分量分布图