正弦电压波交-交变频器简介

    余弦交点法可求取触发角的给定信号和同步信号。用这个方法控制的交-交变频器输出的电压平均值是正弦函数，输出电流波形比较接近正弦波，具有较好的性能，广泛用于大型交-交变频器中。此法需要三个互差120°严格对称的给定信号，这种幅值和频率都需要调节的三相正弦给定信号，用模拟方法产生是相当困难的。进入20世纪80年代后，正弦波交-交变频器已多半采用微处理器产生这种给定信号。

    余弦交点法并不能提供完全正弦的输出电流，特别是当输出频率超过电网频率的一半时，还会产生危害很大的高次谐波。

    图5-18示出图5-3的三相全控桥反并联采用余弦交点法控制时得到的输出电压波形，这是一种理论曲线。在t0时，输出电压的平均值等于0，从t0～t3是输出电压的正半周，从t3～t6是输出电压的负半周。假定是感性负载，输出电流滞后于输出电压。电压型输出电压的平均值是按照给定的正弦函数连续变化的，但三相全控桥输出的电流却只是一个方向，于是输出电流为正的区域是正组P的工作区，反之，是负组N的工作区。在t0～t1区间，负组N在工作，但输出电压为正，输出电流为负，电压和电流反向，负载处于再生发电状态。按习惯把t0～t1区间定为第四象限区间。t1～t2区间，ia=0，属于工作死区，是负桥刚刚关闭、正桥还未导通的换桥死区，输出电压等于零。在t2～t3区间，电压和电流都为正，正组P处于整流状态，能量从电网流向负载，负载是电动状态，定为第一象限。到达t3时输出电压平均值跟随结合给定信号下降到零，输出电压完成正半周，相当于ωt=π，t3～t4区间，电流为正，电压为负，正组P进入逆变状态，能量由负载流入电网，负载是再生发电状态，定为第二象限。

    图5-18    余弦交点法的输出电压和电流波形

    在图5-18中，由负载功率因数角引起t0～t1区间的变化。电压型给定信号只控制电压波形，功率因数的大小由负载工作状态决定。对于异步电机，从电动状态到再生发电状态，功率因数角的变化范围在0～180°之间；对于同步电机，由于功率，因数可以超前，功率因数角的变化范围达到360°。但只要负载是稳定的，当输出频率较低时，负载电流的正半周和负半周还是比较对称的，即使选取较大的死区也不会发生困难。

    在图5-18中负载的功率因数角小于90°，第1象限大于第2象限，电能由电网送入负载的多于负载送回电网的，所以总的效果是电网向负载输送电能，电机处于电动状态。当功率因数角大于90°时，第1象限的时间小于第2象限的时间，总的效果是从负载送往电网的电能多于从电网返回的电能，所以电机处于再生发电状态。可见这种控制方法可以用于电机的4象限运行。对异步电机，当功率因数角小于90°时电机处于电动状态，当功率因数角大于90°时电机进入再生发电状态。

    当输出频率较高时情况就有所不同，图5-19示出50周的电网频率输出45周时的情况。U0是给定信号，由于ω0/ω=0.9，半个周期内能够截取到的电网电压片段最多也只是5段，而且正负半波严重不对称，所以负载电流ia远非正弦，而且由于正负半波不对称产生危害性很大的谐波。

    图5-19    输出频率45周时余弦交点珐得出的输出电压波形

    为了提高交-交变频器的输出频率，一个方法是提高电网电压的频率，例如电力机车中将电网电压的频率升为200周；另一方法是增多每个输出电压周期里截取的电网电压片段数，或者说增加整流器输出的波头数。三相零式是3个波头输出，三相桥是6个波头输出。为了改善高频下的输出电压波形，提高可以使用的最高输出频率，也有采用6相12波头或者9相18个波头。