交-交变频工作原理及运行方式

    交-交变频器是指无直流中间环节、直接将交流电网频率(f1)的电压变换为频率( f0)，比电网频率低可调，输出电压可调，其特点为：

   (1)因为是直接变换，故比一般的变频器有更高的效率。

   (2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压形成，因而其输出频率比输入的频率低得多，输出波形较好，最高输出频率仅为电网的1/3左右。

   (3)变频器按电网电压过零自然换相，可采用普通晶闸管。

   (4)用晶闸管元件数量较多。

   (5)功率因数较低，特别在低速运行时功率因数更低，需要补偿。

   (6)谐波分量大，对电源污染严重。

    鉴于以上特点，交-交变频器特别适合于大容量的低速传动，在轧钢、水泥、牵引等方面有着广阔的应用前景。

    将两组极性相反的相控整流器并联，如图5-1所示，直流有两种电压极性和两个电流方向的电路称为反并联变换器，就是三套三相桥式反并联的可逆整流装置。如果对反并联变换器的触发角连续进行交变的相位调制，可使反并联变换器的输出端产生一个连续变化的平均电压，它直接将输入电源较高频率( f1)的输入电压变换为频率( f0)可变的电压输出，该反并联变换器称为交-交变频器。

    图5-1    单相输出交-交变频器电路及输出波形

   (a)电路图；(b)输出电压和电流波形(k=1，f1/f0=6)；

   (c)输出电压和电流波形（k=0.5，f1/f0=6）

    从图5-1可见，正组整流器提供交流输出的正半周电流，负组整流器提供负半周电流。为了使输出电压的谐波减到最小，正、负两组整流器的触发延迟角可按余弦定律进行控制。图中所示波形为无环流运行时的情况，输出电压是由输入电压波形上截取的片段所组成。交一交变频器完成变频过程必需有换流过程和换组（桥）过程。前者是电网换相，后者是利用输出过零信号进行。

    输出电压的基波为正弦u1=U1msinω1t，可以使正、负组的触发延迟角αp和αn按下列规律变化

    或简化为

式中ω1-输出电压基波的角频率；

   U1m-输出电压基波的幅值；

   Udo-正、负组整流器的理想空载直流电压；

   k-调制系统，k=U1m/Udo。

    从上式可见：改变输出电压的频率，只需改变正、负两组整流器触发角变化的调制频率即可。改变输出电压值，只需改变调制系数k值即可，当k=1时，输出电压为最大；当k=0时，输出电压为零。

    用图5-2电压和电流（忽略输出电压高次谐波）的关系来说明正、负两组整流器在交流输出的一个周期内的工作状态。图5-2说明：由哪组整流器导通和该组输出电压的极性无关，与电流方向有关；导通的那一组是处于整流还是逆变，根据该组电压和电流的极性来决定。

    图5-2    忽略输出电压高次谐波后的理想化电压和电流的关系

    在实际整流器的工作中，虽然可以使αp+αn=π，以保证两组输出的平均电压始终相等，但仍存在瞬时值不同的环流。如采用电抗器抑制环流，则在交-交变频器可逆直流整流器中存在自然环流现象。因此，交-交变频器中两组交替工作的方式有无环流运行方式、有环流运行方式及局部环流运行方式三种。