变频器的选择

变频器的选择

摘要：交-交变频电路广泛应用与大功率交流电动机调速传动系统，实际上

使用的主要是三相输出交-交变频电路。而近年来出现一种新颖的斩控式交-交变频电路。这种电路也是一种直接变频电路，但所用的开关器件都是全控型的，控制方式不是相控方式而是斩控方式。相较于相控型的电路，斩控型又有何优势和不足。

关键字：单相、三相相控式；斩控式变频电路；矩阵变频器的发展方向

单相交交变频电路

1）基本工作原理

下图为单相交交变频电路的基本原理图和输出电压波形图。

个周期内让正组变流器的角按正弦规律从90逐渐减小到0或某个值，然后在逐渐增大到90。这样，在每个控制间隔内的平均输出就按正弦规律从零逐渐增大到最大值，再从最大值减小到最小值，另外半个周期可对N在每个控制间隔内的平均输出就按正弦规律从零逐渐增大到最大值，再从最大值减小到最小值，另外半个周期可对Nuo由若干段电源电压拼接而成，而在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，七波形就越接近正弦波。 2）整流与逆变工作状态

下图为理想化交交变频电路的整流逆变工作状态图

ooo

电路由P组合N组整流器反并联组成。P组和N组都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正io，N组工作时io为负。让两组整流器按一定频率交替工作，负载就能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fo。改变交流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。为使输出电压uo的波形接近正弦波，可以按规律对角进行调制。在正半

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它是由两个三相桥式可控整流电路组构成。

组感负载为例，也适用于交流电动机负

载。把交交变频电路理想化，忽略交流电路换向时变频uo的脉动分量，就可把电路等效成图中所示的正弦波交流电源和二极管串联。设负载阻抗角，则输出电流滞后输出电压角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流工作方式，封锁另一组变流电路的触发脉冲。 工作状态

t1-t3期间：io正半周，正组工作，反组。t1-t2：uo和io均为正组整流，输出功率为正。t2-t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。t3-t5：io负半周，反组工作，正组。t3-t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4-t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。哪一组工作由的io方向决定，与uo极性无关，工作在整流还是逆变则根据uo方向和io方向是否相同决定。

当uo和io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，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的能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。

设期望的正弦波输出电压为uouom sinot(2)比较（1）（2）应使 cos=

UomUomsinot=γsinot，γ= UdoUdo(0≦γ≦1) 余弦交点法基本公式

cos1(sinot)

余弦交点法图解，线电压

uab,uac,ubc,uba,uca和ucb依次用u1-u6表示。相邻两线电压的交点对应于0。u1-u6所对应的同步信号分别用us1-us6表示，us1-us6比相应的u1-u6超前30°，us1-us6的最大值和相应线电压=0的时刻对应。以0为零时刻，则us1-us6为余弦信号。希望输出电压为uo,则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降段的uo的交点来决定。

不同γ时，在uo一周期内，随ot变化

3）输出正弦波电压的调制方法

介绍最基本的，广泛使用的余弦交点法。udo为0时整流电路的理想空载电压，则有uo＝udocos(1)。每次控制时角不同，uo表示每次控制间隔内uo的平均值。

cos-1(sin0t)的情况。下图中， 1sin(sinot)2 2

向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。（4）输入电流谐波

输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，胆气幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率fin=|（6±1）fi±2fo|和fin=fi±2fo式中=1,2,3„；=0,1,2，„。

三相交交变频电路

交交变频电路主要应用于大功率交流

不同γ时

和ot的关系

γ较小，即输出电压较低时，只在离90°很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。

4）输入输出特性 （1）输出上线频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是输出频率提高的主要因数。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。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3-1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。 （2）输入功率因数

输入电流相位之后于输入电压，需要电网提供无功功率。一周期内，角以90°为中心变化。输出电压比γ越小，半周期内的平均值越靠近90°。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。不论负载功率因数是滞后还是超前的，输入的无功电流总是滞后。

（3）输出电压谐波

输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fo有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo„，12fi±fo，12fi±3fo,12fi±5fo„采用无环流控制方式时，由于电流方

电动机调速系统，使用的是三相交交变频电路。

由三相输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。

1）电路接线方式：公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。

（1）公共交流母线进线方式 由三组彼此的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗接在公共的交流母线上。因为电源进线端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等容量的交流调速系统。

公共交流母线进线三相交交变频电路

（2）输出星形联结方式

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交交变频电路的输入电流波形

谐波频率为fin=|（6±1)±6ιfo|(1)和fin=fi±6fo(2)式中=1,2,3,„ι=0,1,2,„。

采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi±6fo、5fi、5fi±6fo、7fi、7fi±6fo、11fi、11fi±6fo等。其中5fi次谐波的幅值最大。

三相的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组的输出联结在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。由于输出端中点不和负载中点相联接，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。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。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。 （3）输入输出特性

输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。 输入电流：总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。个晶闸管同时导通才能构成回路。

输入功率因数：三相总输入功率因数应为λ

=Ρ/s=(Ρa+Ρb+Ρc)/s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，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路。

（4）改善输入功率因数和提高输出电压 基本思路：各相输出的是相电压， 而加在负载上的是线电压。在各相电压叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，她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。

直流偏置：负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的角都在90°附近，因此输入功率因数很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角将减小，但变频器输出线电压并不改变。 交流偏置：梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均为梯形波（也称准梯形波），主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。因为桥式电路较长时间工作在高输出电

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压区域（即梯形波的平顶区），角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。

被称为矩阵式变频电路（Matrix Converter-MC）或矩阵变换器。④图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，上图b给出了应用较多的一种开关单元。

矩阵式变频电路的基本工作原理

单相输入：①对单相交流电压Us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压

uo=

梯形波控制方式的理想输出电压波形

tonus=us Tc②式中，Tc-开关周期；ton-一个开关周期内开关导通时间；s-占空比。

在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。

应用：主要用于500kv或1000kv以上的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧钢机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。

斩控式交交变频电路

简介：①是近年出现的一种新颖的变频电路②是直接变频电路，采用的开关器件是全控型的③控制方式时斩波控制。

拓扑结构：①三相输入电压为ua、ub和uc②三相输出电压为uu、uv和

uw

构造输出电压时刻利用的输入电压部分a)单相输入b）三相输入构造输出相电压c）三相输出构造输出线电压

③不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uo。④由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部 分只有如上图a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需

矩阵式变频器 输出波形。

利用三相相电压：①把输入改为三相，就可

③9个开关器件组成3×3矩阵，因此该电路利用上图b所示的三相相电压包络线中所有

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的阴影部分。②理论上所构造的uu的频率可不受。③但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍。

利用三相线电压：①用矩阵式变频器图a中的第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv。②可利用上图c中的6个线电压包络线中所有的阴影部分。③当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍。④正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。

以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制①利用对开关S11、S12和

uu11ua12ub13uc

的表达式。合写成矩阵的形式(式a)

uu111213uauv212223ub式a uw313233uc可缩写为uoui

⑥矩阵式变频电路确定后，输入电流和输出

电流的关系也确定了。(式b)

S13的控制构造输出电压uu。②为防止输入

电源短路，任何时刻只能有一个开关接通。③负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，在任一时刻必须有一个开关接通。

ia111213iuiib212223iv式b ic313233iwT缩写形式iio式中

iiiaibicTiiiuiviw

T⑦对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为

矩阵式变频器

④u相输出电压uu和各相输入电压的关系为uu11ua12ub13uc

式中S11、S12和S13-一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比

Uimcositua2ubUimcosit3uc4Uimcosit3式1 1112131

⑤用同样的方法控制图中第2,3行的各个开

关，得到类似于

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Iomcos(oto)iu2ivIomcosoo式23iwIomcoso4o3

式1和式2

式中Uim、Iom为输入电压和输出电流的幅值；i、o为输入电压和输出电流的角频率；为相应于输出频率的负载阻抗角。 变频电路希望的输出电压和输入电流分别为式3和式4

UomcosotUimcosit22Uomcosot-Uimcosit3344Uomcoso-Uimcosit33Iimcos(it)2Iimcosit34Iimcosit3Uomcosotuu2uvUomcosot3uw4Uomcosot3式3 Iomcos(oto)2Iomcoso3o4oIomcoso3

Iimcos(iti)ia2ibIimcosii式43icIimcosi4i3如能求得满足(式c)和(式d)的S，就可得到

希望的输出电压和输入电流。

要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题：①如何求取理想的调制矩阵。②开关切换时如何实现既无交叠又无死区。 综合比较

矩阵式变频电路，作为三相-三相交交变频器，其输入-输出特性比起相控式交交变频电路有很多优点。

a.输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的；

b.输入电流也可以控制为正弦波且和电压相同，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；

c.能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运动；

d.不通过中间的直流环节而直接实现变频，效率较高。因此这种电路的电气性能十分理想的。

矩阵式变频电路也有一些缺点



式中Uom、Iim为输出电压和输入电流的幅值；i为输入电流滞后电压的相位角。 当期望的输入功率因数为1时，i=0。把式1-式4带入(式a)和(式b)可得(式c)和(式d)

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a.电路结构控制算法比较复杂，所用的开关器件至少为18个全控功率模块（可控开关加快速二极管）或18个全控开关家18个快速二极管。

b.成本较高，控制方法还不算成熟。 c.输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电动机调速时输出电压偏低。

思考

矩阵变频器由于具有输入电流为正弦量、双向功率流动、输入功率因数可调等优越性能，其应用研究与前景可从几个方面来探讨：

（1）应用于转速较低的传动系统

矩阵变频器的电压传输比受到一定，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合；它不需要更换电解电容的，因而可以在低频大功率变频调速系统中长时间可靠工作。 （2）作为电源产品 与目前的电源产品相比，矩阵变频器有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长，在这方面，矩阵式变频器的研究有良好的市场前景。 （3）用于高压大功率变换 在需要高压的场合，可以将矩阵式变频器串联使用，达到高压大功率输出的目的。

（4）用于功率因数校正

由于矩阵式变频器的输入功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。由于它具有柔性变换能力，可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。

矩阵变频器在风力发电、热电机组直流电源、感应电动机调速、电力系统应用（如统一潮流控制器UPFC）以其优越的性能都可以做些可行的应用研究。

矩阵式交—交变频器作为一种具有优良控制性能和发展前途的新型变频电源。它

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的研究工作在国内外引起了广泛的重视，己

经取得了较大的成果。虽然矩阵式变频器依然存在很多的问题有待进一步解决如输出电压传输比低是矩阵式变频器存在的主要缺点；如IGBT成本较高、控制电路较复杂，适合用于大功率的应用场合。然而，矩阵变频器可以在变频调速中的应用研究既可产生节能的重大经济效益，又避免了因谐波污染带来电力系统环保问题，是一种“绿色”的变换器。随着研究的不断深入，电力电子器件和应用技术以及微机控制技术的发展，控制理论的日益完善，成本的不断降低，矩阵式变频器必将以其独特的优点在未来产品化方面形成优势，日益接近实用化。 总而言之，矩阵变频器使用了三相电压输入来控制输出电压，这就不仅能吸收任何电流杂波，也能提供一个清洁的输出电压，也就是说“可以有效地进行输入电源电流控制与输出电压控制”。这也是矩阵变频器吸引人们的一个重要点:能大大降低输入电流谐波的产生，只有大约传统交-直-交变频器的20％以下。而且矩阵变频器的电流几乎是正弦波，即使在带载情况下，也是如此。当有再生发电时，电流能以180°转换并反馈到电网中，而且也是以正弦波方式。在再生制动方式的工作中，矩阵变频器不需要制动电阻或特殊的变换器。反馈回的电亦无需额外的设备(如变压器等)进行处理。总之，传动能在四象限高效率地运行。另外一个吸引点就是矩阵变频器去掉了直流电容,作为有一定寿命地铝电解电容,交-直-交变频器就必须在一定年限更换电容,如5~8年,矩阵变频器就能长时间可靠工作。

[参考文献]

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