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0  引言

    近十幾年來，變頻電源的理論研究和實踐應用研究已越來越受到重視，并正在形成一門新興的學科。變頻電源技術涉及到多種應用科技，如應用電力電子半導體器件、綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術等，是一種多學科邊緣交叉的應用技術，在眾多高質(zhì)量、高效率、高可靠性的變頻電源應用中起關鍵作用。
針對某煤礦的300kW 礦井提升機研制的交—交變頻式低頻電源裝置，容量為400kVA，額定輸出頻率4.18Hz，額定輸出線電壓800V，最大輸出線電流220A。我們現(xiàn)采用晶閘管組成的靜止變頻器，將交流工頻電源送入交—交變頻器得到礦井提升機在減速和爬行階段所需的低頻電源，它具有低頻特性好、效率高、體積小等優(yōu)點，在低頻傳動系統(tǒng)中將得到廣泛應用。

1  交—交變頻技術

    變頻電源技術是這樣一種技術：應用功率半導體器件，對電能進行變換，包括電壓和電流的幅值、頻率和波形等方面的變換，使電能更好地符合各種不同用電設備的要求。

    變頻器的種類很多，按調(diào)制方式分有：交—交變頻器（又叫直接變頻）和交—直—交變頻器（又叫間接變頻）。交—直—交變頻器就是將恒定的50HZ電網(wǎng)電源交流電，通過整流變成直流電，再經(jīng)過逆變器變成另一種頻率的交流電。交—交變頻器就是把交流電直接變成另一種頻率的交流電。

    和交—直—交變頻器相比，交—交變頻器有以下優(yōu)點：只用一次變流，無中間儲能元件；使用電網(wǎng)電壓過零點自然換相，主電路的開關器件（晶閘管）處于自然關斷的狀態(tài)，不存在強迫換流問題；可以方便地實現(xiàn)四象限工作，低頻時只要使其功率元件的控制信號(對應于晶閘管的觸發(fā)角)按正弦規(guī)律變化，就可以得到近似正弦波的輸出波形。由于直接變頻電路實際上就是可逆整流線路，且利用電網(wǎng)電壓來換流，因此不能在任意時間換流。它的輸出電壓是由電網(wǎng)電壓若干段“拼湊”起來的，輸出頻率受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)限制，輸出頻率較低（一般最高輸出頻率只能是電網(wǎng)頻率的1/3以下）；交—交變頻裝置雖然在結構上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用晶閘管多，設備龐大，接線復雜，維護工作量大；直接變頻采用移相控制方式，功率因數(shù)較低（一般僅為0.7左右），含有諧波成分，可改用梯形波輸出控制方式來減少諧波含量，提高輸出電壓幅值（約提高15%），提高功率因數(shù)（約提高15%）；此外還可通過無功功率補償和濾波裝置來提高功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的危害。

2  交—交變頻電源的設計

    2.1 主回路的拓撲結構

    變頻電源的主回路采用了3脈沖零式電路結構，如圖2.1所示。一個輸出相由反并聯(lián)的兩個半橋組成，其中一組處于整流狀態(tài)，另一組則處于逆變狀態(tài)。兩組橋輸出的電壓相頂，可消除直流平均環(huán)流，防止短路。為了抑制瞬時脈動環(huán)流，串聯(lián)了環(huán)流電抗器。

    電路中主變壓器的二次繞組有三個,每個二次繞組單獨向一個輸出相的主回路供電。這樣,三個輸出相之間可以采用星形或三角形連接,而不至于產(chǎn)生相間短路,對負載有利。

圖2.1  三相交—交變頻電源的主回路

    2.2  環(huán)流控制

    在自然環(huán)流工作方式下，環(huán)流的大小取決于環(huán)流電壓的大小和環(huán)流電抗器的阻抗值。當環(huán)流電抗器的電感量足夠大時， 即使在輕載情況下，也能維持負載電流的連續(xù)， 但環(huán)流電抗器體積大，損耗增加。
無環(huán)流工作方式不需要環(huán)流電抗器， 但在輕載情況下不能維持負載電流的連續(xù)， 使電機的特性變壞。
低頻電源裝置采用可控環(huán)流工作方式， 這種方式結合了上面兩種方式的優(yōu)點，在輕載情況下采用自然環(huán)流工作方式。在負載電流連續(xù)時采用無環(huán)流工作方式。雖然控制復雜些，但環(huán)流電抗器的體積和損耗大大降低。

    2.3  晶閘管觸發(fā)角的控制和調(diào)制

    為了使三相交—交變頻電源主回路的反并聯(lián)的兩個半橋能得到平均值相等而方向相反的電壓，消除直流脈動環(huán)流，一組的整流角?和另一組的逆變角?必須滿足下面的等式： 

    在整流電路中，當觸發(fā)脈沖的相位變化時，其輸出直流電壓也隨之變化：

    式中U2—— 變壓器二次側相電壓有效值。

    如果?的變化規(guī)律適當(半周內(nèi)控制角?從90 減到0 ,然后再增大到90 )，就可以使直流電壓的平均值按正弦規(guī)律變化。

    對觸發(fā)角進行調(diào)制的方法是余弦波交截法：用同步余弦波作調(diào)制波，用所期望的輸出電壓波作基準波，兩個波形的交點作為脈沖的發(fā)出時間。

    用解析法推導出觸發(fā)時間的近似解為：
     [2.3]
    式中：

    可用S函數(shù)編程進行計算，發(fā)脈沖給相應晶閘管。也可先用高級語言Delphi先計算在不同調(diào)制系數(shù)M 下的a值，再控制離散脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖。

3  交—交變頻電源設計的仿真

    為了使上面設計的三相交一交變頻電源能夠選擇合適的電路參數(shù)和保證其工作的性能指標，采用了MATLAB系統(tǒng)中的Simlink工具對整個系統(tǒng)進行了仿真。

    3.1 仿真過程

    用MATLAB軟件中的Simlink仿真工具，即用其電力系統(tǒng)模塊Power System Blockset來仿真三相交一交變頻電源，其仿真模型由三相工頻交流電源、數(shù)字脈沖發(fā)生器、18個晶閘管、3對環(huán)流電抗器和電壓表、電流表、示波器組成, 如圖3.1所示。

圖3.1  三相交—交變頻電源仿真模型圖

    在仿真過程中用三個單相RLC負載代替三相異步電機，星形連接，其標稱頻率為50Hz，電阻有功功率P=lOOkW ， 電感無功功率QL=500Var， 電容無功功率Q =200Var； 輸入頻率／輸出頻率比為12；使用式(2.3)計算觸發(fā)時間時，調(diào)制系數(shù)M 分為16個電壓等級(0-F)，所得到的最后仿真波形采用的是最高電壓等級(F級)，其他等級也同樣可以得到滿足要求的仿真波形結果。另外，從理論上講最小的觸發(fā)角可以很小，但在實際應用中為了防止晶閘管觸發(fā)不可靠形成短路而致使換流失敗，式(2.1)中正組的整流角?和反組的逆變角?都必須大于20度，在仿真過程中也已經(jīng)把這一約束條件考慮了進去。

    3.2 仿真結果

    經(jīng)過各相關參數(shù)計算和調(diào)整，所仿真的三相交—交變頻電源裝置的輸出波形非常接近正弦波，見圖3.2。

圖3.2   相關仿真波形
從上至下依次為：輸出相電壓；輸出線電壓；輸出相電流；輸入相電壓；觸發(fā)脈沖

4  結束語

    通過晶閘管設計靜止式變頻電源， 目前己成為一個重要的研究開發(fā)方向，在具體設計開發(fā)過程中利用MATLAB軟件進行仿真設計，縮短了設計時間，降低了設計成本，保證了良好的系統(tǒng)性能指標，是整個三相交—交變頻電源裝置實現(xiàn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)。

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