交直交晶闸管变频器与异步电动机变频调速系统

利用晶闸管制作的交-直-交变频器电压等级较高、功率范围较大，可以驱动数MW的交流异步电动机，在可关断元件功率较小的历史时期，交-直-交晶闸管变频器占据了大部分应用市场，随着可关断元件功率的不断增大，这种变频器的市场逐渐缩小。但是，在2000kW以上异步电动机的场合，这种变频器还是有应用的机会，加之这种变频器的功率单元、控制单元均和直流调速相近，制造技术适于国产化，价格具有优势，因此在一些特定的设备上还是有用武之地，例如驱动高速线材的精轧机的主传动电动机。

交-直-交晶闸管变频器也是由整流单元、直流环节、逆变单元构成（见图6-15）。整流单元多采用可控整流方式，可以控制直流环节的电压（或电流）值，逆变单元控制输出电压的频率。

直流环节中有一个重要的环节就是滤波器。通常把采用电抗器滤波的变频器叫做电流型变频器；把采用电容器滤波的变频器叫做电压型滤波器。滤波器的作用有两个：一是对整流后的脉动电压（或电流）进行平滑滤波；二是储存和释放能量，以保证电动机绕组和滤波器之间的无功功率流动。由于交-直-交变频器的具有中间直流环节，电动机绕组和电网之间无法实现无功功率流动。

交-直-交晶闸管变频器的输出频率范围比同是晶闸管的交-交变频器宽的多，电气传动所用的交-直-交变频器的频率范围为0.2Hz到数百Hz。限制输出频率上限的因素是逆变器中半导体元件的开关频率；限制输出频率下限的因素是输出电压的波形失真。在频率很低的情况下，非正弦波电压将使电动机非匀速转动，出现转速脉动或转速跳变。

电流型逆变器控制异步电动机的框图如图6-25所示。电流型逆变器的显著特点是在直流环节中有一个滤波电感L。在逆变器的每个桥臂上串有隔离二极管。为了在换流时强制关断晶闸管，在电路中使用了换流电容器C。晶闸管换流的顺序是从VS1到VS6。假定VS1和VS2导通，电流流过电动机的A相和C相绕组，电容C₁₃充电，上极板为正。如果这时向晶闸管VS3发出触发脉冲，并使之导通。这时就会形成C₁₃—VS1—VS3—C₁₃的短路通道，电容C₁₃实现反向充电。在C₁₃的反向充电的作用下，晶闸管VS1关断，VS3导通。电流流过电动机的B相和C相绕组，电容继续C₁₃反向充电。然后触发的是晶闸管VS4，电流流过B相和A相绕组。在指定频率的一个周期内，晶闸管换流6次，电动机定子绕组流过指定频率的电流。

图6-25 电流型逆变器控制异步电动机的结构框图

电流调节器根据设定电流和实际电流的信号调节整流器晶闸管的触发角，使得整流器输出电压调节到适当的值。逆变器的频率设定值是f_set，由逆变脉冲分配器发出触发脉冲，使逆变器的输出频率等于设定值。

电流型逆变器的优点是结构简单，可以采用常见的晶闸管制造大功率和高电压的逆变电路。在电气传动领域，可以利用电流型逆变器实现再生回馈制动，因为直流环节的电流方向不可改变，只能把整流器的触发角调节到逆变区，即α＞90°。

电流型逆变器的缺点是输出的电流波形是非正弦波，也不能用一台逆变器为几台电动机供电。低于5Hz的非正弦波的电流会使得电动机的转速发生脉动，限制了调速范围。

电压型逆变器的克服了上述缺点，不但可以驱动大中功率异步电动机，而且可以驱动多台电动机。典型的电压型晶闸管逆变器的主回路如图6-26所示，在直流回路中接有滤波电容器，直流电压比较稳定且输出阻抗较低，类似一个电压源。因为在直流电压作用下，主晶闸管VT₁～VT₆无法自行关断，需要采用辅助晶闸管VS₁～VS₆和电感L₁～L₃、电容C₁～C₃构成的强制关断电路。当需要某个晶闸管换流时，触发相应辅助晶闸管，借助于电感和电容的谐振电压，强制关断正在导通的晶闸管，实现正常顺序的换流。例如需要关断VT₁时，触发辅助晶闸管VS₁，在L₁和C₁的谐振电压将主晶闸管VT₁强制关断。在电压型逆变器中，每一时刻总是有3只晶闸管器件导通，一只在正极侧，另外两只在负极侧；或者相反。在这种情况下，每只晶体管开关元件的导通时间为180°电角度，输出电压为矩形波或阶梯波，输出电流近似正弦波。

图6-26 电压型晶闸管逆变器的主回路

普通的电压型逆变器无法将制动能留回馈到电网，解决的办法是加设制动单元和制动电阻，或者采用可逆方式的整流器。

使用可关断开关元件可以省去强制换流的器件，简化了电路。(www.xing528.com)

当电动机为同步电动机时可以采用负载反电势换向的方式，它是同步电动机的一种变频调速的特殊形式，通常称之为晶闸管电动机或无换向器电动机，简称为LCI（Load Commutated Inverter）。LCI本质上属于电流型变频器，功率范围大，调速范围宽，原理简单可靠，性价比高。由于晶闸管没有自关断能力，故通常利用同步电动机的反电动势进行换流。根据理论分析，要顺利完成换流，必须保证电动机的输入相电流超前于相电压，这只有在同步电动机里才有可能实现。当电动机起动和低速运行时，电动机的反电动势很小，无法利用反电动势换流。为解决低速运行时的换流问题，一般采用电流断续法。所谓电流断续法换流，就是每当晶闸管需要换流的时刻，先设法把逆变器的输入电流下降到零，使逆变器的所有晶闸管均暂时关断，然后再给待机导通的晶闸管加上触发脉冲。在断流后重新通电时，电流将流过这个待机导通的晶闸管，实现从一相到另一相的换流。

有关无换向器电动机的知识还可参考6.6～6.7节。

逆变器的输出频率取决于开关元件的切换频率，输出电压的调节可采用下列的两种方法：

（1）在逆变器的输入侧采用可控整流器以控制直流电压U_d，功率因数稍低；

（2）采用脉宽调制（PWM）的逆变方法，在这种情况下可以采用不可控整流器。

目前比较流行的办法是采用PWM逆变的第二种方法。因为这种方法不仅可以调节输出电压的平均值，而且还可以修正输出电压的波形。电压型PWM正弦波逆变器的输出电压U_n和输出电流i_n的波形如图6-27所示。

图6-27 电压型PWM正弦波逆变器的输出电压和电流波形

对于双极型PWM逆变器有

所以，只要按照正弦规律连续调节占空比，即，就可以得到正弦变化的平均相电压。在控制系统中同时改变电压幅值U₁^∗和角频率ω₁^∗=2πf_1j^∗的值，就可调节逆变器输出电压的频率和幅值。

为了使异步电动机实现再生回馈制动，必须在变频器的整流部分安装两套阀组，形成可逆整流。这样做的结果是增加系统的复杂性和降低了系统可靠性。所以经常在直流环节使用制动单元和制动电阻把制动的动能消耗掉。

电压型和电流型晶闸管逆变器的种类多种多样，在此不能一一介绍，对于这方面技术感兴趣的读者可以查阅相关的文献。