交交变频完成

交-交变频调速装置的设计
1.概论
大功率交交变频调速是本世纪70-80年代发展起来的新技术，正在逐步取代传统的大功率直流调速。

本设计详细介绍了交交变频调速技术的原理，主电路和控制电路，以及它们的设计计算方法。

本设计先概述交交变频调速的特点、应用范围，然后分别介绍单相交交变频器的电路构成和原理、及控制方法；最后介绍三相交交变频器的组成，接线方式以及输入输出特性。

交流电动机比直流电动机结构简单，成本低，维修方便，但由于变频装置昂贵及交流调速性能差，长期以来在调速领域；里一直是直流传动占统治地位。

近年来，随着电力电子技术的发展，情况有了变化，与直流调速相比，交流调速用变频装置增加的成本已能被采用交流电动机而节约的成本所补偿，采用矢量控制后，交流调速的性能也能做到和直流一样，因此在许多直流调速的领域出现了以交流调速取代直流调速的趋势。

1.1交流调速传动的特点
1）交流调速结构简单，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产品，大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。

2）成本方面，交流调速的功率装置（变频器与电网补偿装置）和控制装置比直流调速的功率装置（整流器与补偿装置）和控制装置贵，但它的电动机便宜。

3）减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。

4）减小电机的转动惯量，提高系统动态性能。

5）可以突破直流电动机的功率，速度极限，为设备提供更大的动力，从而提高产量。

6）交流电动机比直流电动机减少损耗和了冷却水约50%，所以更节能节水。

1.2交流调速传动的应用范围
交流调速用的变频器种类很多，按使用的电力电子器件及其关断方式分为如下三类：
1）自关断类使用全控型电力电子器件，例如大功率晶闸管，可关断晶闸管，功率场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管等。

2）强制关断类使用半控型电力电子器件——普通晶闸管，靠换相电容的充放电来关断已导通器件。

3）自然换相类使用半控型电力电子器件——普通晶闸管，利用电源或负载的交流电压来关断已导通器件。

自关断类受器件限制，目前功率还不能做的太大，强制关断类功率受换相电容的换相能力限制，对于大功率变频器来说，只有自然换相类适用，因为普通晶闸管功率大，价格便宜，自然换相工作可靠。

自然换相的大功率变频器又可分为两类:交交直接变频器和交直交间接变频器。

本设计研究的即为交交直接变频器。

2.交交直接变频调速传动的基本内容
交交直接变频器由三组可逆整流器组成，若三个移相信号是一组频率和幅值可调的三相正弦信号，则变频器输出相应的三相交流电压，实现变频。

该变频器的特点是：
1)原理基于可逆整流，工作可靠，可以直接套用成熟的直流可逆调速的
技术、经验和装置。

2)流过电动机的电流近似于三相正弦，附加损耗小，脉动转矩小，电动
机属普通交流电机类，价格较便宜。

3)当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz，电动机最高转速小于
600r/min。

4)主回路较复杂，器件多（桥式线路需36个晶闸管），小容量时不合算。

交交变频调速用于大功率（500kW以上或1000kW7以上），低速（600r/min
以下）场合。

交交变频调速用电动机属普通电动机类，因为定子电流波形接近正弦，变频装置对定子电感无特殊要求，但与标准的系列电动机相比仍有区别。

3. 单相交交变频器基础
3.1单相交交变频器原理
单相输出的交交变频器电路原理图如图1。

图1 单相交交变频电路原理图
它实际上是一套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置。

装置中工作晶闸管的关断通过电源交流电压的自然换相实现，如果处罚装置的控制型号st U 是直流信号，变频器的输出电压也是直流；若st U 是交流信号，相应变频器的输出电压也是交流，实现变频。

由于这种变频器无中间直流环节，故称为交交直接变频。

电路有P 组和N 组反并联的晶闸管变流电路构成。

变流器P 和N 都是相控整流电路，P 组工作时，负载电流o i 为正，N 组工作时，o i 为负。

让两组变流器按一定评论交替工作，负载就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o 。

改变变流电路工作时的触发延迟角
L1
L2
L3
α，就可以改变交流输出电压的幅值。

为了使输出电压o u 的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发延迟角α进行调制。

如图2，波形所示，可在半个周期内让正组变流器P 的α按正弦规律从90°逐渐减小到0°或某个值，然后再逐渐增大到90°。

这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，在逐渐降低到零，如图2中虚线所示。

另外半个周期可对变流器N 进行同样的控制。

图2 单相交交变频电路输出电压波形
图2的波形图是变流器P 和N 都是三相半波可控电路时波形。

可以看
出，输出电压o u 并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。

在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

因此，交交变频电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。

3.2单相交交变频电路工作状态
如果考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，
一周期的波形可分为6段，第一段o i <0、o u >0,为反组逆变；第二段电流过零，为切换死区；第三段o i >0、o u >0，为正组整流；第四段o i >0、o u <0，为正组逆变；第五段又是切换死区；第六段o i <0、o u <0，为反组整流。

当输出电压和电流的相位差小于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态；当二者香
味差大于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量，电动机工作在发电状态。

在每个输出周期中有两次电流过零，无环流死区时间的长短对输出波
形影响很大，例如输出频率为20Hz ，一个周期长50ms,若使用通常用于可逆直流传动的无环流控制线路，死区时间约6ms ，两次过零总死区时间12ms ，在20Hz 中所占的比例太大，使得输出电流谐波及转矩脉动大，变频器出力下降。

对于输出频率接近20Hz 的交交变频去，要求无环流死区时间小于2ms ，需采用快速无环流控制线路。

若使用有环流可逆控制线路，将死区时间降至零，可提高交交变频器最高输出频率一倍左右，但主回路设备增加。

3.3 输出正弦波电压的调制方法
通过不断改变触发延迟角α，使交交变频电路的输出电压波形基本为正弦波的调制方法有多种。

这里主要介绍最基本的余弦交点法。

设0d U 为α=0时整流电路的另想空载电压，则触发延迟角为α时变流电路的输出电压为 α=cos U u 0d o (3-1) 对交交变频电路来说，每次控制时α都是不同的，式(1)中o u 的表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为
t cos U u o om o ω= (3-2) 比较式（1）和式（2），应使 t sin t sin U U cos o o 0
d om ωγ=ω=α (3-3) 式中，γ称为出书电压比，0d om U U =
γ (10≤γ≤)。

因此
)t sin arccos(o ωγ=α (3-4) 上式就是用余弦交点法求交交变频电路触发延迟角α的基本公式。

3.4 输入输出特性
3.4.1 输出上限频率
交交变频电路的输出电压是有许多段电网电压拼接而成的。

输出电压一个周期内拼接的电网电压段数越多，就可使输出电压波形越接近正弦波。

每段电网电压的平均持续时间是有变流电路的脉波数决定的。

因此，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。

电压波形畸变以及由此产生的电流波形畸变和电动机转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。

就输出波形畸变和输出上线频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。

当然，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上线频率就越高。

就常用的6脉波三相桥式电路而言，一般认为，输出上线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 。

3.4.2 输入功率因数
交交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。

在输出电压的一个周期内，α是以90°为中心而前后变化的。

输出电压比γ越小，半周期内α的平均值越靠近90°，位移因数越低。

另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。

而且不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。

3.4.3 输出电压谐波
交交变频电路输出电压的谐波频谱是非常复杂的，它既和电网频率f 以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f 有关。

对于采用三相桥式电路的交交变频电路来说，输出电压中所含主要谐波的频率为
o i f f 6±，o i f 3f 6±，o i f 5f 6±，…
o i f 2f 1±，o i f 32f 1±，o i f 52f 1±，…
另外，采用无环流控制方式时，由于电流方式改变时死区得影响，将使输出电压中增加o f 5,o f 7等次谐波。

3.4.4 输入电流谐波
单相交交变频电路的输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但是其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为 o i in f l 2f )1k 6(f ±±= (3-5) 和 o i in kf 2f f ±= (3-6) 式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。

和可控整流电路输入电流的谐波相比，交交变频电路输入电流的频谱要复杂得多，但各次谐波的幅值要比可控整流电路的谐波幅值小。

4.三相交交变频器设计
4.1三相交交变频器原理及接线方式
三相输出的交交变频器由三套输出电压彼此差
120°的单相输出交交变频器组成。

主回路有两种联结方式：公共交流母线进线方式和输出
星形联结方式，分别见图3和图4 图4-24
图3 公共交流母线进线三相交交变频电路简图
图4-25
a)
图4 输出星形联结方式三相交交变频电路原理图
4.1.1公共交流母线进线方式
它由三组批次独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交
交变频电路构成，它们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。

因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路的输出端必须隔离。

为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。

这种电路主要用于中等容量的交流调速系统。

4.1.2 输出星形联结方式
三组单相交交变频电路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。

因为三组单相交交变频电路的输出连接在一起，其电源进线就必须隔离，因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。

由于变频器输出端中点和负载中点相连接，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，形成电流。

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。

而两组桥之间则是靠鸽子的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。

这种接线方式主要用于大容量交流调速系统。

简图
4.2 输入输出特性
从电路结构和工作原理可以看出，三相交交变频电路和单相交交变频电路的输出上限频率和输出电压谐波是一致的，但输入电流和输入功率因数则有一些差别。

4.2.1 输入电流谐波
对于三相输出时的情况，总的输入电流是由3个单相交交变频电路的同一相输入电流合成而得到的，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。

其谐波频率为 o i in f l 6f )1k 6(f ±±= (4-1) 和 o i in kf 6f f ±= (4-2) 式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。

4.2.2 输入功率因数
总输入功率因数应为 S
P P P S P c b a ++==λ (4-3) 从上式可以看出，三相电路总的有功功率为各项有功功率之和，但是在功率却不能简单相加，而应该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。

因此，三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。

5.交交变频器主回路参数计算
5.1 整流变压器计算
在空载，最小移相角α=0，交交变频器输出最大可能的交流电压有效值 20b 20b omax U K 65.1U K 23
35.1U =⨯= (5-1)
式中 20U ——整流变压器二次线电压有效值
1.35——三相整流桥整流系数
b K ——交流偏置提高输出电压的系数，采用交流偏置时，
b K =1.15；不采用时，b K =1.0。

电动机额定电压(线电压有效值)
max o p r g u n m U K K K K K U = (5-2) 式中n K ——电网侧（包括整流变压器）线路阻抗引起的压降系数； u K ——电动机侧线路压降及晶闸管压降系数；
g K ——min g cos K α=，通常5min =α°—10°； r K ——调节裕量系数，通常r K =0.95，有5%的调节裕量； p K ——电网压降系数，如果调节系统弱磁点用不稳压整流电源
设定电网电压降低。

弱磁点提前，p K =1。

电网侧线路阻抗引起的压降系数 Ai Vcu m max m k s KT m max m n P P *I I 2)S P 100u (5.0I I 21K -+⨯-= (5-3) m 20A i I U 35.13K ⨯= (5-4) 20m 20m s U I 26.43U I 82.03P =⨯⨯= (5-5)
式中 m I ，max m I ——电动机额定电流及最大电流（有效值）； KT u ——整流变压器短路比（%）；
k S ——电网短路容量；
Vcu P ——变压器铜损；
Ai P ——电动机侧理想输出功率；
0.5——三相桥线路系数；
s P ——估计的变压器容量；
0.82——120°方波电流幅值到有效值的换算系数。

电动机侧线路及晶闸管压降系数 20
V L u U U U 1K +-= (5-6) max m L I A
L 2U ρ= (5-7)
式中 V U ——两个晶闸管压降（桥式线路，电流流过两个臂的
晶闸管），V U =3V ；
L U ——电动机侧线路压降；
L ——导线长度(m)；
A ——导线截面积(2mm )
ρ ——电导率，铜的ρ=58m/2mm ⋅Ω。

计算步骤：
（1）估算20U
b
m 20K 65.1U 25.1U = (5-8) 式中，1.25是压降系数，为1/(p r g u n K K K K K )的估计值。

（2）将U 估值带入式(5-4),(5-5),(5-6),计算n K 和u K ；
（3）计算20U b
m p r g u n 20K 65.1U *K K K K K 1U = (5-9) 如果计算值和估算值相差不大，计算结束；若相差较大，修改
估算值再算。

（4）带入20U 计算结果。

按式(5-5)计算整流变压器容量。

5.2 晶闸管电压、电流计算
晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值
电压U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。

晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。

在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为22U ，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压
的2-3倍。

6.过电压保护电路的设计
对于过电压保护本设计采用RC 过电压抑制电路，该装置置于供电变
压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5所示。

对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路
图5 过压保护电路
7.控制及驱动电路设计
晶闸管整流电路是通过控制触发角α的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。

为保证整流电路的正常工作，应确保触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器KCZ6作为晶闸管触发电路主要元器件。

KCZ6是由6个单脉冲锯齿波触发器组合成的。

锯齿波触发电路原理图如图6所示。

分为3个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。

图6触发器原理图
a)同步信号与主回路的相位关系
同步是指触发脉冲与主回路电源相序同步。

同步变压器PT一次侧和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有相同频率；主回路整流变压器为Yo/Y-12连接组，晶闸管T1的同步电压为-Uta,晶闸管T2-T6 的同
步电压相序如表1所示。

表1 晶闸管三相全控桥中晶闸管的同步信号电压
b)同步电压形成
如图7所示，同步变压器二次侧正弦波电压Utp 经D1间接地加在
T2的基极上，由Dz 1、R2、R4、Rp 1及T1组成恒流源电路，利用C1充放电时间常数的不一致，恒流源使C2两端形成底宽240°左右的正弦锯齿电压。

c)移相控制环节
控制信号Uk 经R7,偏移信号经R8，锯齿波同步信号经R6，3个信号
在T4基极进行叠加，并对锯齿波同步信号进行垂直控制。

改变控制电压Uk 即能改变控制角α的大小，达到触发移相的目的。

d)脉冲形成于放大
当T4由截止变为导通时，电容C3放电产生负脉冲，使T5截止，
同时T6导通并产生触发脉冲经脉冲变压器输出。

图中X 作为后一个晶闸管的补充触发信号输出，Y 为接收前一个晶闸管补充触发信号端，这样每一个触发电路输出均为双窄脉冲。

8.三相交交变频电路的控制方法
变频器的控制分为电压控制型和电流控制型。

电压控制型变频器的输
出是电压源，其输出电压跟随给定信号变化，受负载电流变化影响小。

电流控制型变频器的输出是电流源，器输出电流跟随给定信号变化，受负载电压变化影响小。

本设计要求采用恒定压频比方式进行调速，所以用电压控制型变频
器。

控制方法采用余弦交点法。

晶闸管整流装置的平均输出电压
α=cos U u omax o (8-1)
式中 max o U ——理想空载整流电压，max o U =1.3520U (20U 为整流变压器
二次线电压)；
α ——移相角。

欲获得正弦输出电压
t cos U u o om o ω=
将此式带入上式，得 t sin U U cos o max
o om ω=
α 则正反组的移相角分别为 )t sin U U arccos(o max
o om p ω=α )t sin U U arccos(o max o om n ω-=α 利用计算机在线计算或正弦波移相的触发装置可实现上述控制要求。

为完成无环流切换，还需换向逻辑及零电流检测环节。

微机控制余弦交点法与正弦波移相法框图见图8和图9，采用正弦波移相触发装置的优点是可以消除电网电压波动对输出 的影响。

余弦交点法的缺点是没有考虑电流断续的影响，输出电流过零不平滑。

9.交交变频装置发展概况
交交变频调速技术由德国西门子公司率先开发，以西门子公司的开发过程说明交交变频调速技术的发展：
1965年 交交变频器在牵引站投入运行
1969年 高性能交流调速矢量控制系统用于轧机传动
1972年 4900kW 水泥球磨机交交变频传动装置投产
1981年 8100kW 矿石破碎机交交变频传动装置投产
1981年 两套矿井卷扬机交交变频传动装置投产
1981年 4000kW 初轧机交交变频主传动装置投产，标志交交变频调速技术已成熟
1985年 10920kW单辊传动可逆轧板机交交变频主传动装置投产
1987年全数字交交变频传动装置投产
在80年代，德国，日本，法国，英国，美国等主要电气公司也都相继开发了交交变频调速装置，其中法国的2*56000kW交交变频船舶推进装置容量最大。

我国从1985年起引进交交变频设备，5套交交变频轧机主传动装置已投产，单机容量最大为9000kW，运行效果良好。

目前正在引进全数字交交变频矿井卷扬机传动装置。

我国许多单位也在开发交交变频技术，现已具有提供3000-4000kW带矢量控制的高性能交交变频调速装置的能力。

10.心得与体会
课程设计是学生综合学习的一个难得的机会，同时它也是检验对知识掌握程度的一个方法。

在设计中设计到的知识面很广，它需要我们查阅大量的资料，从中吸取对设计有帮助的东西达到目的。

在设计中肯定有我们以前没有学习到的新知识需要自学，这就需要刻苦专研和仔细推敲，以及对所得结论的验证。

通过这次课程设计，真正学到不少东西，特别是对于自己动脑思考问题，解决问题的能力五一是上了一个台阶，让自己知道从事技术方面学生必须更加扎实，认真和刻苦。

只在课堂上学习的东西是远远不够的。

通过自学使自己提高，能够将已掌握的知识和才学到的知识结合在一起才是学习的本质。

在此，对给过我帮助的同学和老师表示感谢。

有了你们的帮助，我才能明白和学习到更多的知识。

参考文献
[1] 电路电子装置及其系统.杨荫福,段善旭,朝泽云编.北京.清华大学出版社.2006
[2]电力电子技术(第五版).王兆安,刘进军编.北京.机械工业出版
社.2009
[3]电力电子学.佟纯厚编.南京.东南大学出版社.2000
[4]大功率交交变频调速及矢量控制技术(第二版).马小亮编.北京.机械工业出版社.1996。