第六章交流交流(ACAC)变换

第六章 交流—交流（AC—AC）变换

AC—AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流—交流电力变换技术。只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电路、或交流无触点开关。从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交—交变频器，它有别于交—直—交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。为了解决相控式晶闸管型交—交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上目前正在研究一种所谓的矩阵式变换器，它是一种具有十分优良输入、输出特性的特殊形式交—交变频器。本章将分节介绍交流调压（交流调功或交流无触点开关）、交—交变频及矩阵式变换器的相关内容。

6.1 交流调压电路

交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1(a)）或双向晶闸（图6-1（b）），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。

图6-1 交流调压电路

交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图6-2所示。

图6-2 交流调压电路控制方式

（1）通断控制

通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。

通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。

（2）相位控制

与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。

相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等。

（3）斩波控制

斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。

斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。

实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及三相交流调压电路。

6.1.1 单相交流调压电路

单相交流调压电路原理图如图6-1所示，其工作情况与负载性质密切相关。

1．电阻性负载

纯电阻负载时交流调压电路输出电压 、输出电流 波形如图6-3所示。电路工作过程是：在电源电压 正半周、移相控制角 时刻，触发导通晶闸管VT1，使正半周的交流电压施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。当电压过零时，VT1因电流为零而关断。在控制角为 时触发导通VT2， 负半周交流电压施加在负载上，当电压再次过零时，VT2因电流为零而关断，完成一个周波的对称输出。

当 时，输出电压 最大；当 时 。改变控制角 大小可获得大小可调的交流电压输出，其波形为“缺块”正弦波。正因为电压波形有缺损，才改变了输出电压有效值，达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了谐波问题。

交流输出电压 有效值U与控制角 的关系为

（6-1）

式中 为输入交流电压 的有效值。

负载电流 有效值为 ，则交流调压电路输入功率因数为

（6-2）

对图6-3所示电阻负载下输出电压 进行谐波分析。由于正、负半波对称，频谱中将不含直流及偶次谐波，其富里叶级数表示为

（6-3）

式中

基波和各次谐波电压有效值为

（6-4）

根据式（6-4），可以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角 的变化曲线，其电压基值取为 。可以看出，随 增大，波形畸变严重，谐波含量增大。由于电阻负载下电流、电压同相位，图6-4关系也适合于电流谐波分析。

综上所述，单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角 移相范围为 ，晶闸管导通角 ，输出电压有效值调节范围为 ，可以采用单窄脉冲实现有效控制。

2.电感—电阻性负载

单相交流调压电路带电感—电阻性负载及各处波形如图6-5所示。

由于电感的储能作用，负载电流 会在电源电压 过零后再延迟一段时间后才能降为零，延迟的时间与负载的功率因数角 有关。晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通时间 不仅与触发控制角 有关，还与负载功率因数角 有关，必须根据 与 的关系分别讨论。

为分析方便，将VT1导通时刻取作时间坐标 的原点，这样电源电压可以表达为

（6-5）

在VT1导通的 角范围内，可写出电路方程

（6-6）

在初始条件 下，方程解为

（6-7）

式中， 是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角 ； 为以时间常数 衰减的自由分量，其初始值与 有关； 波形如图6-5中所示。

由于 时 ，代入这个边界条件可得

（6-8）

这是一个关于 的超越方程，表达了导通角 的关系。由于 时意味负载电流 连续， 时意味 断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。根据 大小关系， 角或电路运行状态不同。

1)当 时，利用 作参变量，可得不同负载特性下 曲线族；如图6-6所示。对于任一阻抗角 的负载，当 时 ；当 至 逐步减小时（不包括 这个点）， 逐步从零增大到接近 ，负载上电压有效值 也从零增大到接近 ，负载电流 断续，输出电压 为缺块正弦波，电路有调压功能，如图6-7（a）所示。

2）当 时， 电流中只有稳态分量 ，电流正弦、连续， 。电路一工作便进入稳态， ，输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。此时 关系如图6-6中 的孤立点所示，波形如图6-7（b）所示。

3) 当 且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解出 ，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。由于反并联的两晶闸管触发脉冲 相位严格互差180º，故在 到来时VT1仍在导通，其管压降构成对VT2的反向阳极电压，VT2不能导通。而当VT1关断后虽使VT2反偏电压消失，但 的窄脉冲也已消失，VT2仍不能导通，造成各个周期内只有同一个晶闸管VT1导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，含有很大直流分量，如图6-7（c）所示。这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。

图6-6 时 关系 图6-7 不同 时 波形

4）当 且采用宽脉冲触发时，特别是采用后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180º的脉冲列触发时，可以保证反并联的两晶闸管均可靠导通，电流波形连续，如图6-7（d）所示。与 时不同的是无论触发角 多大，晶闸管均在 处导通。由于电流连续， 无电压调节功能，也处于“失控”状态。

综上所述，交流调压器带电感—电阻负载时，为使电路工作正常，需保证：

1） ；

2）采用宽度大于60º的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180º的脉冲列触发。

[例]一个交流单相晶闸管调压电路，用以控制送至电阻 、电抗 的阻-感负载上的功率。设电源电压有效值 ，晶闸管电流有效值标么值 和移相触发角 、负载功率因数角 之间关系如图6-8所示。试求

1）移相控制范围；

2）负载电流最大有效值；

3）最大功率和功率因数；

4）当 时，晶闸管的有效值、导通角 及电源侧功率因数 。

解

1）移相控制范围

当输出电压为零时，

当输出最大电压时，

故

2）负载电流最大有效值

当 时，电流连续，为正弦波，则

3）最大功率和功率因数

4）当 ，查图6-8得晶闸管电流有效值标么值 ；

晶闸管电流有效值基值为

故晶闸管电流有效值为

当 时，查图6-6得

输出电流有效值为

电源输入有功功率

电源侧功率因数

6.1.2 三相交流调压电路

工业中交流电源多为三相系统，交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现调压。三相交流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相Y接调压方式最为普遍。

1.Y型三相交流调压电路

图6-9为Y型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它的正常工作须满足：

1）三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；

2）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于60º的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发；

3）从VT1到VT6相邻触发脉冲相位应互差60º。

为简单起见，仅分析该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角 ）时，不同触发控制角 下负载上的相电压、电流波形，如图6-10所示。

图6-10 Y接三相交流调压电路输出电压、电流波形（电阻负载）

1） 时的波形如图6-10(a)所示。当 时触发导通VT1，以后每隔60º依次触发导通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。在 区间内， 为正， 为负，VT5、VT6、VT2同时导通；在 区间内，VT6、VT1、VT2同时导通，……。由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放，负载上获得全电压。各相电压、电流波形正弦、三相平衡。

2） 时波形如图6-10（b）所示。此时情况复杂，须分子区间分析。

① ： 时， 变正，VT4关断，但 未到位，VT1无法导通，A相负载电压 。

② ： 时，触发导通VT1；B相VT6、C相VT5均仍承受正向阳极电压保持导通。由于VT5、VT6、VT1同时导通，三相均有电流，此子区间内A相负载电压 （电源相电压）。

③ ： 时， 过零，VT5关断；VT2无触发脉冲不导通，三相中仅VT6、VT1导通。此时线电压 施加在RA、RB上，故此子区间内A相负载电压 。

④ ： 时，VT2触发导通，此时VT6、VT1、VT2同时导通，此子区间内A相负载电压 。

⑤ ： 时， 过零，VT6关断；仅VT1、VT2导通，此子区间内A相电压 。

⑥ ： 时，VT3触发导通，此时VT1、VT2、VT3同时导通，此子区间内A相电压 。

负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的A相负载电压 波形。A相电流波形与电压波形成比例。

3）用同样分析法可得 、 、 时A相电压波形，如图6-10（c）、（d）、（e）所示。 时，因 ，虽VT6、VT1有触发脉冲但仍无法导通，交流调压器不工作，故控制角移相范围为（0~150º）。

当三相调压电路接电感负载时，波形分析很复杂。由于输出电压与电流间存在相位差，电压过零瞬间电流不为零，晶闸管仍导通，其导通角 不仅与控制角 有关，还和负载功率因数角 有关。如果负载是异步电动机，其功率因数角还随运行工况而变化。

2.其他型式三相交流调压电路

表6-1以列表形式集中地描述了几种典型三相及交流调压电路形式及其特征。

表6-1 几种典型的三相交流调压器比较

6.1.3 其他交流电力控制电路

当交流调压电路采用通断控制时，还可以实现交流调功和交流无触类开关的功能。

1.交流调功电路

采用交流调压电路，在交流电压过零时刻将负载与电源接通几个周波再断开几个周波，实现交流电压的整周波通断控制。通过改变接通周波数与断开周波数的比例，实现负载平均功率的调节，称为交流调功电路，其控制思想如图6-2（a）所示。

由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻，这样负载电压、电流均为完整正弦波，不会对电网产生高、低次谐波的污染。但是可以以导通与关断总时间为周期分解出分数次谐波来，因而从严格意义上讲还是有一定的谐波干扰，如图6-11为图6-2（a）通、断周波数下（通二个周波、断一个周波）电阻性负载中电流频谱，图中 为 次谐波有效值， 为导通时负载电流幅值。可以看出，电流中不含整数倍电源频率的谐波，但含有非整数倍频率谐波，且在电源频率附近非整数倍频率谐波含量较大。

如前所叙，这种调功电路主要用于电炉的温度控制。

2.交流无触点开关

如果将反并联的两单向晶闸管或单只双向晶闸管串入交流电路，代替机械开关起接通和关断电路的作用，就构成了交流无触点开关。这种电力电子开关无触点，无开关过程的电弧，响应快，其工作频率比机械开关高，有很多优点。但由于导通时有管压降，关断时有阳极漏电流，因而还不是一种理想的开关，但已显示出其广泛的应用前景。

交流无触点开关主电路与交流调压电路相同，但其开通与关断是随机的，可以分为任意接通模式和过零接通模式。前者可在任何时刻使晶闸管触发导通，后者只能在交流电源电压过零时才能触发晶闸管，因而有一定开通时延，如50Hz交流电网中，最大开通时延约10ms。关断时，由于晶闸管的掣住特性，不能在触发脉冲封锁时立即关断；感性负载又要等到电流过零时才能关断，均有一定关断时延。

图6-12（a）是一种简单交流无触点开关。当控制开关K闭合时，电源 正、负半周分别通过二极管VD1、VD2和K接通晶闸管VT1、VT2的门极，使相应晶闸管交替导通。如果K断开，晶闸管因门极开路而不能导通，相当交流电路关断。

图6-12 晶闸管交流电力开关

采用双向晶闸管作交流无触点开关电路如图6-12（b）所示。在控制开关K闭合时，电源 正半周双向晶闸管VT以Ⅰ+方式触发导通，电源负半周时以Ⅲ－方式触发导通，负载上因此而获得交流电能。如果K断开，VT因门极开路而不能导通，负载上电压为零，相当交流开关断开。

6.2 交—交变频电路

交—交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路，无需中间直流环节。与交—直—交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。

交—交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速转动，交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的交—交变频器多为三相输入—三相输出电路，但其基础是三相输入—单相输出电路，因此本节首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、四象限运行特性，输入、输出特性等；然后介绍三相输出电路结构、输入、输出特性及其改善措施；最后对于一种新型的绿色变频电路——矩阵式交—交变换器作出介绍，使读者了解交—交变频技术的最新发展动向。

6.2.1 三相输入—单相输出交—交变频电路

1.基本工作原理

三相输入—单相输出交—交变频器原理如图6-13所示，它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成。其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流型电路；图（b）则为电压型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。图（c）为图（b）电路输出的矩形波电压，用以说明交—交变频电路的工作原理。当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压 为上（+）、下（-）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压 为上（-）、下（+），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率 就等于两组变流器的切换频率，而输出电压 大小则决定于晶闸管的触发角 。

图6-13 三相输入—单相输出交—交变频器原理图

交—交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波型。方波型控制简单，正、反两桥工作时维持晶闸管触发角 恒定不变，但其输出波形不好，低次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。因此以下仅讨论正弦型交—交变频电路。

2.工作状态

三相—单相正弦型交—交变频电路如图6-14所示，它由两个三相桥式可控整流电路构成。如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如从 =90º逐渐减小到 ，然后再逐渐增大到 =90º，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从零变到最大、再减小至零，形成平均意义上的正弦波电压波形输出，如图6-16中所示。可以看出，输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波，而是由片段电源电压波形拼接而成。在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常要采用六脉波的三相桥式电路或十二脉波变流电路来构成交—交变频器。

图6-14 三相—单相交—交变频电路

在无环流工作方式时，变频电路正、反两组变流器轮流向负载供电。为了分析两组变流器的工作状态，忽略输出电压、电流中的高次谐波，因此可将图6-14电路等效成图6-15（a）所示理想形式，其中交流电源表示变流器输出的基波正弦电压，二极管体现电流的单向流动特征，负载Z为感性，负载阻抗（功率因数）角为 。

图6-15（b）给出了一个周期内负载电压 、负载电流 波形，正、反两组变流器的电压 和电流 以及正、反两组变流器的工作状态。如图所示，在负载电流的正半周 区间，正组变流器导通，反组变流器被封锁。在（ ）区间，正组变流器导通后输出电压、电流均为正，故正组变流器向外输出功率，工作于整流状态；在（ ）区间，负载电流方向不变，仍是正组变流器导通，输出电压却反了向，因此负载向正组变流器反馈功率，正组变流器工作于逆变状态。在（ ）区间，负载电流反向，反组变流器导通、正组变流器被封锁，负载电压、电流均为负，故反组变流器处于整流状态。在（ ）区间，电流方向不变，仍为反组导通，但输出电压反向，反组变流器工作在逆变状态。

从以上分析可知，交—交变频电路中，正、反组变流器的导通由电流方向来决定，与电压极性无关；每组变流器的工作状态（整流或逆变），则是由输出电压与电流是否同极性来决定。

3.输出电压波形

正弦型交—交变频电路实际输出电压波形如图6-16所示，图（a）～（d）分别表示了正、反组变流器不同工作状态。

图（a）表示正组变流器工作，A点处其晶闸管触发角 ，平均电压 最大。随着 的增大， 值减小，当 时， 。半周内平均输出电压如图中虚线所示，为一正弦波。由于整流电压波形上部包围的面积比下部面积大，总的功率为正，从电源供向负载，此时正组变流器工作在整流状态。

图（b）仍为正组变流器工作，但触发角 在 间变化，变流器输出平均电压为负值。由于整流电压波形下部包围的面积比上部大，总的功率为负，从负载流向电源，此时正组变流器工作在逆变状态。

图（c）、（d）为反组变流器工作。当其触发角 时，反组变流器处于整流状态，总的功率由电源输向负载；当 时，反组变流器处于逆变状态，负载将向电源反馈功率。

如果改变 的变化范围（调制深度），使它们在 范围内调节，输出平均电压正弦波幅值也会改变，从而达到调压目的。

由此得出结论：正弦波交—交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行中正、反两组变流器的 角要不断加以调制，使输出电压为正弦波；同时，正、反组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出频率可变交流。

4.余弦交点控制法

要实现交—交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的触发角 ，其方法很多，但应用最为广泛的是余弦交点控制法。该方法的基本思想是使构成交—交变频器的各可控整流器输出电压尽可能接近理想正弦波形，使实际输出电压波形与理想正弦波之间的偏差最小。

图6-17为余弦交点法波形控制原理图。交—交变频电路中任一相负载在任一时刻都要经过一个正组和一个反组的整流器接至三相电源，根据导通晶闸管的不同，加在负载上的瞬时电压可能是 六种线电压，它们在相位上互差60º。如用 来表示时，则有

设 为期望输出的理想正弦电压波形。为使输出实际正弦电压波形的偏差尽可能小，应随时将第一个晶闸管导通时的电压偏差 与让下一个管子导通时的偏差 相比较，如 ，则第一个管子继续导通；如 ，则应及时切换至下一个管子导通。因此 换相至 的条件为

即 （6-9）

同理由 换相到 的条件应为

（6-10）

图6-17 余弦交点控制法波形原理

当 和 都为正弦波时， 也应为正弦波，如图6-17各虚线所示。这些正弦波的峰值正好处于 波上相当于触发角 的位置上，故此波即为 波触发角 的余弦函数，常称为 的同步波。由于换相点应满足 的条件，故应在 和 的交点上发出触发脉冲导通相应晶闸管元件，从而使交—交变频电路输出接近于正弦波的瞬时电压波形，如图6-18 中粗实线波形所示，相应阻一感性负载下的输出电流波形 则相当接近正弦形。

图6-18 正弦型交—交变频电路输出电压 、电流 波形

5.输入、输出特性

(1)输出频率上限

交—交变频电路输出电压是由多段电源电压片段“拼凑”而成。一个输出周期内拼接的电源电压段数越多，输出电压波形越接近正弦。当输出频率增高时，输出电压一周内所包含的电源电压段数减少，波形将严重偏离正弦，致使输出电力谐波增加，因而限制了最高输出频率。由于每段电源电压的平均持续时间决定于变流电路的脉波数，增加构成交—交变频电路的两组变流器脉波数可改善输出波形，提高输出频率上限。常用6脉波三相桥式变频电路的上限频率不能高于电网频率的 ，约20Hz。

(2)输入功率因数

由于交—交变频电路采用移相触发控制，晶闸管换流时需要从电网吸收感性无功，致使不论负载功率因数是领先还是滞后，输入功率因数总是滞后。

图6-19 不同 下， 关系 图6-20 输入、输出功率因数间关系

在正弦波交—交变频电路余弦交点法移相触发控制中，期望输出的理想正弦电压为 ，每次触发时该触发角 下输出电压为 ， 为 时整流电压。当 时可以确定出

（6-11）

其中

为输出电压比，它是一个影响输入功率因数的重要因素。

图6-19给出了不同 下，交—交变频电路输出电压在 的一个周期内移相触发角 的变化规律，它反映了输入功率因数的变化。 越小，输出电压越低，半周期内 平均值越接近90º，位移因数或功率因数就越低。

图6-20则给出输入功率因数与负载功率因数间关系。可以看出，即使负载功率因数为1且满电压输出 ，输入功率因数也低于1。随着负载功率因数的降低和输出电压比 的减小，输入功率因数将会更低。

(3)输出电压谐波

交—交变频电路输出电压谐波成分非常复杂，和输入频率 、输出频率 、电路脉波数均有关。采用三相桥式变流器的单相交—交变频电路输出电压中主要谐波频率为 ； ；等等，包含有3次谐波，它们在构成三相输出时会被抵消。如若采用无环流控制时，由于确保正、反两桥安全切换所需死区的影响，还将出现 等次谐波。

(4)输入电流谐波

由于交—交变频电路输入电流波形及幅值均按正弦规律被调制，和可控整流电路相比，其输入电流频谱要复杂得多。采用三相桥式变换器的单相交—交变频电路的输入电流频率为

（6-12）

和

（6-13）

式中 。

6.2.2 三相输入—三相输出交—交变频电路

三相输出交—交变频电路由三个输出电压相位互差120º的单相输出交—交变频电路按照一定方式联接而成，主要用于低速、大功率交流电机变频调速传动。

1.三相输出联接方式

三相输出交—交变频电路有两种主要接线方式，如图6-21（a）、（b）所示。

图6-21 三相输出交—交变频电路联接方式

(1)公共交流母线进线方式

它是由三组彼此独立、输出电压互差120º的单相输出交—交变频电路构成，其电源进线经交流进线电抗器接至公用电源。因电源进线端公用，三组单相输出必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调速系统。

(2)输出Y接方式

三组单相输出交—交变频电路Y接，中点为O；三相交流电动机绕组亦为Y接，中点为Oˊ。由于三组输出联接在一起，电源进线必须采用变压器隔离。这种接法可用于较大容量交流调速系统。

2.输入、输出特性

三组输出交—交变频电路的输出频率上限和输出电压谐波成分与单相输出交—交变频电路相同。

三相输出交—交变频电路总的输入电流是由三个单相输出交—交变频电路同一相输入电流合成得到，此时有的谐波会因相位关系相互削弱或抵消，因此谐波种类将有所减少，总谐波幅值也有所下降。其谐波频率为

（6-14）

和

（6-15）

式中 。

当正、反组变换器采用三相桥式电路时，输出电流谐波频率为

等。其中更以 次谐波幅值最大。

三相输出交—交变频电路输入功率因数按以下定义式计算

（6-16）

即三相电路总有功功率可为每相电路有功功率之和，但视在功率不能简单相加，应由总输入电流、输入电压有效值之积来算。由于三相电路输入电流谐波有所减小，三相总视在功率比三个单相视在功率之和小，故三相输出交—交变频电路总输入功率因数比单相输出交—交变频电路有所改善。

3.改善输入功率因数和提高输出电压的措施

要改善三相输出交—交变频电路的输入功率因数和提高输出电压，其基本思想是在各相电压中迭加零序分量成分（如直流、3次谐波等），由于它们不会出现在线电压中，因此也不会加到Y接负载之上。具体措施有直、交流偏置方法。

(1)直流偏置法

当交—交变频电路驱动交流电机作变频调速运行时，根据电机运行理论，低频低速时必须相应降低机端电压，此时变频电路输出电压幅值很低，各组变流器触发角 都在90º附近，输入功率因数很低。此时如给各相输出电压上迭加相同大小的直流，可使 角减小，提高输入功率因数，但输出负载线电压并不改变。这种方法称直流偏置法，常用于长期低速运行的交流电动机供电。

(2)交流偏置法

如给各相输出电压上迭加3次为主的零序分量谐波，使输出电压波形呈梯形波，如图6-22所示。但线电压中三次谐波等互相抵消，负载上电压仍为正弦。这种控制方式下两变流器可长时间工作在高电压输出的梯形波平顶区， 角小，输入功率因数可提高15%左右。

表6-2 交—交变频电路与交—直—交变频电路比较

与此同时，正弦波输出控制时最大输出相电压幅值只能为 时的 ，而梯形波输出中的基波幅值可比 高15%，故采用梯形波输出控制方式可使交—交变频器输出电压提高15%。

由于梯形波输出控制相当于在相电压中加入三次等交流谐波，故称交流偏置法。

上一章中我们介绍了交—直—交变频电路，本章中介绍了交—交变频电路，两者的比较参见表6-2。

6.3 矩阵式变换电路

为解决传统晶闸管型相控方式的交—交变频电路输入、输出特性差，谐波成分大的缺陷，近年来出现了一种新颖的矩阵式交—交变频电路。这也是交—交直接变频方式，电路元件需采用双向全控型自关断器件，即正、反两个方向均可控制开通与关断的功率开关，控制方式为脉宽调制（PWM）。图6-23（a）为三相输入—三相输出变换电路，由于9个双向开关作3×3矩阵布置，故得其名。在目前没有商品化双向开关的条件下，可采用两单向开关器件进行组合，图（b）为采用IGBT及快速恢复二极管的一种组合方式。

图6-23 矩阵式变换器及组合双向开关

(a)矩阵式变换器；（b）组合双向开关

矩阵式变换电路的优点是输出电压正弦，输出频率不受输入频率限制；输入电流正弦、可与输入电压同相位，即输入功率因数为1，也可控制成所需功率因数；能量可双向流动，适合于交流电机的四象限运行驱动；直接实现变频，无中间直流环节及其滤波元件，变换效率高。因此这是一种电气性能十分优良、极具应用前景的频率变换电路，对它的研究、学习具有深远的学术意义。

6.3.1 矩阵式变换电路的等效交—直—交变换

6-23（a）所示矩阵式变换电路的运行控制机理，可以用图6-24所示的等效（虚拟）交—直—交结构来分析，采用这种等效结构可以充分利用成熟的交—直—交变换中的PWM控制技术，实现对矩阵式变换电路的有效控制。

为描述各开关的通、断状态，首先定义开关函数 ：开关导通时， ；开关断开时， 。

对于图6-24的等效交—直—交结构， 。按照输入电压不能被短路、输出感性负载电路不能突然开路的原则，虚拟整流器同一直流母线P或N上的开关，必须有一个、也只能有一个处于导通状态，即

（6-17）

图6-24 矩阵式变换电路的等效交—直—交结构

对于图6-23（a）的矩阵式变换电路， ， 。按照输入电压不能被短路、输出电路不能突然开路原则，每一输出相只能连至且必须连至一个输入相，开关函数须满足

（6-18）

等效交—直—交变换中，整流器部分变换关系有直流母线P、N电压方程

（6-19）

（6-20）

和输入电流方程

（6-21）

等效交—直—交变换的逆变器部分变换关系有输出电压方程

（6-22）

和直线母线电流方程

（6-23）

（6-24）

将式（6-19）、式（6-20）代入式（6-22），并根据线、相电压关系 ，可得输出线电压表达式

（6-25）

将式（6-23）、式（6-24）代入式（6-21），可得输入电流表达式

（6-26）

实际矩阵式变换电路实现的是交—交直接变换关系，即

（6-27）

和

（6-28）

通过式（6-27）与式（6-25）对比，以及式（6-28）与式（6-26）对比，可以导出实际矩阵式变换电路与等效交—直—交变换结构开关函数之间的对应关系

（6-29）

式中，

限定条件为

（6-30）

式中， ；且 ， 。

按照等效交—直—交结构的间接变换原则，这个限定条件意味着矩阵式变换电路的三根输出线只能连接到一根或两根输入线上，不能分别连接到三根不同的输入线上。

6.3.2 矩阵式变换电路的等效交—直—交空间矢量调制

由于矩阵式变换电路可以等效成虚拟交—直—交变换电路，因此可以采用成熟且性能优越的空间矢量调制来实现其控制。

针对虚拟逆变器部分的控制，为了获得频率可调的三相输出线电压，应定义一个输出线电压参考矢量 ，如图6-25所示。这是一个以 角速度围绕矢量中心连续旋转的空间矢量，可以采用六种有效电压空间矢量按三段逼近法来合成，从而获得所需输出频率 的三相正弦输出线电压。同理针对虚拟整流器部分，也可采用复空间表达方式定义输入相电流空间矢量，实现输入电流空间矢量调制。

经过对等效交—直—交变换的逆变部分采用输出线电压空间矢量调制、对整流部分采用输入相电流空间矢量调制后，根据开关函数的对应关系，可以综合出矩阵式变换电路交—交直接变换控制所需双空间矢量PWM调制策略。这种相互嵌套的双空间矢量PWM调制方式既可保证输出线电压的良好正弦性，又能保证输入相电流的良好正弦性，实现了矩阵式交—交变换的最终目标。更为详细的了解，可参见其他文献。

6.3.3 矩阵式变换电路输入、输出波形

图6-26给出了矩阵式变换电路作为变频电源驱动异步电动机负载时的输入相电压、相电流及输出线电压、线电流波形。可以看出，输入电压、电流正弦且基本同相位，输出线电压正弦脉宽调制、线电流波形正弦，输入电流和输出电压中基波占绝对主要成分，具有优良的输入、输出特性。

图6-26 矩阵式变换电路输入、输出电压、电流波形

(a)输入相电压Ua波形图；(a)输出线电压UAB波形图（f=60Hz）

(c)输入相电流Ia波形图；(d)输出线电流IA波形图（f=60Hz）

矩阵式交—交变换电路的主要问题是电压传输比低，最大输出线电压理论上只能达到输入线电压最大值的0.866倍。如何在保证良好输入、输出特性的前提下提高电压传输比一直是矩阵式变换电路研究中的一个理论与实践问题。

本章小结

本章介绍的是有关AC—AC变换的电路，包括不改变输出频率、只改变输出电压大小的交流调压电路和实现交流电路通、断控制的交流调动、无触点开关，以及实现频率直接变换的交—交变频电路及其改进电路——矩阵式变换器。

本章学习中要重点掌握内容是：

1）采用移相控制交流调压、交—交变频与采用通断控制的交流调功、无触开关在晶闸管触发控制上的差异；

2）单相、三相交流调压电路的构成和基本工作原理；

3）感性负载时交流调压电路对触发脉冲的要求；

4）交流调功与交流无触点开关的基本工作原理；

5）交—交变频电路的结构、工作原理和输入、输出特性，以及改善输出特性的措施；

6）矩阵式变换器的基本概念和所达到的优良输入、输出特性。

此外还要注意到上章的交—直—交间接变频和本章的交—交直接变频构成了一套完整的电力电子静止变频技术，要掌握两者的不同特性。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/4163a68bd0d233d4b14e69ff.html