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21方波型交交变频器(1)单相方波型交交变频器 单相交交变频器的主电路如图2.63(a)所示，图中负载R由正组与反组晶闸管整流电路轮流供电，各组所供电压的高低由移相抑制角 控制。当正组供电时，R获得正向电压；当反组供电时，R上获得负向电压。如果在各组开放期间 不变，则输出电压 为矩形波交流电压，如图2.63(b)所示。改变正反组切换频率以调节输出交流电的频率，而改变的 大小即可调节矩形波的幅度从而调节输出交流电压的大小。单相方波型三相方波型0U0U2.正弦波型交交变频器 正弦波型交交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但正弦波型交交变频器可以输出平均值按正弦规律变化的电压，克服了方波型交交变频器输出波形高次谐波成分太大的缺点，故作为低频变频器比前一种更为实用。10(1)输出正弦波形的获得方法。由上述可知，方波型交交变频器的某一整流组工作时，只要输出电压不需要调节，控制角 就是一个稳定值，该整流组的输出电压平均值就维持恒定，如图2.68所示。图2.68 方波型交交变频器的整流组输出电压波形11 现在设法使控制角 在某个正组整流工作时，由大到小再变大，如从 ，必然引起整流输出平均电压由低到高再到低的变化，如图2.69所示。而在正组逆变工作时，使控制角 由小变大再变小，如从 ，就可以获得如图2.69(b)所示的平均值可变的负向逆变电压。但 按什么规律去控制，才能使输出电压平均值的变化规律成为正弦型呢?202222.69图角控制的输出波形示意图下面讲述如何实现输出电压平均值为正弦波。 在前面讨论的三相交交变频器中，分离出a相电路如图2.70所示。图2.70 三相交交变频器的一相电路13设希望的a相负载输出电压为sinaauUt11cosdmUUcosIVdmIVUU （2.37）则该电压应由整流组与整流组切换提供，各组供电电压为式(2.39)中， 为整流组所能输出的最高直流电压。dmU（2.38）（2.39）14IIsincosaadmIutU当 组开放时，u即UIVIVsincosaadmIVutU 当组开放时，u即UIarccossinarccossinadmaUUtKt于是IVarccossinarccossinadmaIUUtKt式（2.41）中， ，为要求整流组输出的峰值电压与整流组所能输出的最大直流电压之比，称为输出电压比。aadmKUU（2.40）（2.41）150120IIIVIVII、 b、c两相负载的希望输出电压应与a相负载的正弦输出电压大小相同，相位上互差 。因此，各整流组的控制角 必须按照本相输出电的要求运算获得。实际控制中一般由微处理机产生三相对称的调频调幅正弦波给定信号，并通过查表运算找出对应的 角，配合必要的逻辑电路进行实时控制。(2)无环流交交变频器的正反组切换 无环流分交变频器的正反组切换逻辑与无环流晶闸管直流可逆调速系统的正反组切换逻辑类似，都是在正组工作时封锁反组，而在反组工作时封锁正组，正反组间不存在环流通路。图2.71无环流交交变频器180a602.71以 相负阻抗为例，其工作过程如图所示。12IIVat在t期间，负载电流i 为正， 组工作，组封锁，0,IIua电压u故 组处于整流状态。23IIV0,IaItua在t期间，负载电流i 仍为正，仍为 组工作，组封锁，但电压u故 组处于逆变状态。34IVI0,IVaItua在t期间，负载电流i 变为负，因此组工作， 组封锁，电压u故组处于整流状态。45IVI0,IVaItua在t期间，负载电流i 仍为负，因此仍组工作， 组封锁，但电压u故组处于逆变状态。 总之，对a相来说，当其输出电流为正时组开放，若输出正电压则组处于整流状态，而输出负电压则组进入有源逆变。当a相输出电流过零变负时组开放，若输出负电压则组处与整流状态。若输出正电压则组进入有源逆变。为b、c两相负载供电的正反组切换逻辑同于a相，不再详述。 正弦波交交变频器的输出频率可以通过改变正反组的切换频率进行调整，而其输出电压幅度则可以通过改变控制角的调节深度进行调整。 因为负载电压由晶闸管整流或逆变获得，其波形并不是平滑的正弦波，实际的无环流三相桥式交交变频器的一相输出波形如图2.72所示。图2.72无环流交交变频器的输出波形(3)有环流交交变频器的正反组切换为何要引入环流呢？ 因为无环流交交变频器在实际运行中的主要问题是过零点附近的电流断续，造成正反组切换过渡过程慢，且难以准确检测电流过零点，选组控制困难。如在正反组之间引入环流，使正反组一直工作在电流连续区，就可以避免电流断续时的非线性现象对静动态性能的影响，使电流无间断换向，加速切换过程。 在无环流交交变频器的主电路基础上，各相正反组之间加环流限制电抗器L即构成有环流交交变频器的主电路如图2.73所示。图2.73 三相桥式连接的有环流交交变频器自然环流运行方式。自然环流运行方式下，当组工作时，不封锁组，而将组开放，处于等待状态；而IV组工作时，又将组开放，处于等待状态，只要使 ，正反组的电压平均值变化趋势就是一致的。IIV 与有环流直流可逆调速系统一样，有环流交交变频器有自然环流、可控环流两种运行方式。 就平均值来说，正反组电压是平衡的，等待组并不影响工作组对负载供电。但由于正反组电压瞬时值不等，与直流可逆调速系统一样，在正反组之间有交变的环流流过，环流电抗器L就是为了限制这个无功电流的大小。 优点：有环流交交变频器中，控制电路给正组和反组同时提供连续的触发信号，环流将沿着符合其极性的晶闸管元件自由流动，没有电流过零死区，除检测与控制更容易外，输出电压谐波成分也有所减少。实际的有环流三相桥式交交变频器输出波形如图2.74所示。图2.74有环流三相桥式交交变频器输出波形 局部环流运行方式。在自然环流运行方式下，环流平均值最大可达总电流平均值的0.57倍，变频器除了负担负载电流外，还要提供环流电流。在输出负载电流较大时，能允许的环流也较大，但在负载本身较小时，环流占用无功能量的问题就十分突出，有必要对环流加以限制。工作机理：当负载电流较大时必然连续，这时控制电路只开放各相的工作组，另一组封锁，按无环流方式工作；而当负载电流较小(低于设定的电流界线)，即电流有不连续趋向时，才将工作组与另一组同时开放，按有环流方式工作。这种局部环流运打方式下正反组只在交替的较短时间内有环流出现，其他时间则没有必要存在环流，既保证了电流连续，又限制了环流大小，使系统达到最佳运行状态。图2.75 局部环流运行方式下的正反组工作状态2.6.2 交交变频器的特点 交交变频器优点： 由于其直接变换的特点，效率较高，可方便地进行可逆运行。 主要缺点是： 功率因数低； 主电路使用品间管元件数日多，控制电路较复杂； 变频器输出频率受到电网频率的限制，最大变频范围在电网频率二分之一以下。 因此，交交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量的拖动场合。2.6.3 交交变频器的发展优势 各种交直交变频器，包括VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频等，其共同的缺点是直流回路需要大的储能元件(电感或电容)，输入功率因数低，谐波电流大，且再生能量又不能回馈回电网(即不能进行四象限运行)。为此，矩阵式交文变频应运而生。矩阵式交交变频没有中间直流环节，直接把一种频率的交流电源变换成另一种频率的交流电源，从而省去了大笨重而昂贵的储能元件。 矩阵式交交变压变频器类似于PWM控制方式，它的优点是：输入电流可控制为正弦波，且和电压同相，功率因数为1，也可控制为所需要的功率因数；其输出电压也为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；能量可双向流动，适合于交流电动机四象限运行，系统功率密度大。
