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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、體積小等優點，在低頻傳動系統中將得到廣泛應用。

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電網電源交流電，通過整流變成直流電，再經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—交變頻器有以下優點：只用一次變流，無中間儲能元件；使用電網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，不存在強迫換流問題；可以方便地實現四象限工作，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角)按正弦規律變化，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電壓若干段“拼湊”起來的，輸出頻率受電網頻率和變流電路脈波數限制，輸出頻率較低（一般最高輸出頻率只能是電網頻率的1/3以下）；交—交變頻裝置雖然在結構上只有一個變換環節，省去了中間直流環節，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（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，減少對電網的危害。

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的兩個半橋組成，其中一組處于整流狀態，另一組則處于逆變狀態。兩組橋輸出的電壓相頂，可消除直流平均環流，防止短路。為了抑制瞬時脈動環流，串聯了環流電抗器。

    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  環流控制

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

    2.3  晶閘管觸發角的控制和調制

    為了使三相交—交變頻電源主回路的反并聯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?的變化規律適當(半周內控制角?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律變化。

    對觸發角進行調制的方法是余弦波交截法：用同步余弦波作調制波，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出時間。

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

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

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和保證其工作的性能指標，采用了MATLAB系統中的Simlink工具對整個系統進行了仿真。

    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、數字脈沖發生器、18個晶閘管、3對環流電抗器和電壓表、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)計算觸發時間時，調制系數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角可以很小，但在實際應用中為了防止晶閘管觸發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把這一約束條件考慮了進去。

    3.2 仿真結果

    經過各相關參數計算和調整，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方向，在具體設計開發過程中利用MATLAB軟件進行仿真設計，縮短了設計時間，降低了設計成本，保證了良好的系統性能指標，是整個三相交—交變頻電源裝置實現過程中非常重要的環節。

[參考文獻]

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