关于交—交变频控制方式的讨论和分析

江友华，曹以龙，龚幼民

(上海大学，上海    200072）

1    引言

    交—交变频是不通过中间直流环节把工频交流电直接变换成不同频率的交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，非常适用于大功率的低速电力传动系统。近几年来，随着电力电子器件的迅猛发展，功率器件已经模块化，功率体积比逐渐提高，这使得交—交变频器在结构上越来越被人们接受，在中小功率传动上也被采用。本文针对交—交变频有环流和逻辑无环流的两种控制方式，进行了分析和讨论，比较了两种控制方式的优缺点，并通过实验加以验证。

2    原理

    图1为单相半波交—交变频调试主电路示意图，其中R，L为负载，R₁，R₂是限流电阻。

图1    单相半波交—交变频主电路

2．1    有环流控制方式

    所谓环流，是指不流过电动机或其他负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流的存在会显著地增加晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。但环流也并非一无是处，只要控制得好，保证晶闸管安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响。而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向时的过渡过程,从而使变频电路的输出特性得以改善，还可提高输出上限频率，所以在某些要求输出频率比较高的场合还是可以考虑这种方案。

    由于晶闸管变流装置输出的电压是脉动的，所以，正组整流电压和反组逆变电压的瞬时值并不相同，当整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时脉动环流，只要存在瞬时电压差，瞬时脉动环流就始终存在，必须加以拟制，不能让它太大，办法就是在环流回路中串入环流电抗器。

    尽管瞬时脉动环流始终存在，但直流平均环流可以用α=β配合控制消除。即当正组晶闸管V_f处于整流状态时，其整流电压U_dof=＋，这时让反组晶闸管V_r处于逆变状态，输出一个逆变电压把它顶住，即让U_dor=－，而且幅值与U_dof相等，即U_dof=－U_dor。由晶闸管输出电压公式可以得到

    U_dof=U_domaxcosα_f

    U_dor=U_domaxcosα_r    (1)

式中：α_f和α_r分别为正组晶闸管V_f和反组晶闸管V_r的控制角。

    由于两组装置都接在同一工频电源上，故U_dofmax=U_dormax=U_domax。由此可知，在上述要求下

    cosα_f=－cosα_r或α_f＋α_r=180°    （2）

    再根据逆变角的定义可得

        α_f=β_r    （3）

按照这样的条件来控制两组晶闸管，就可以消除直流平均环流。在这种α=β配合控制下，负载电流可以很方便地按正反两个方向平滑过渡，在任何时候，实际只有一组晶闸管装置在工作，另一组处于等待工作的状态。

2.2    逻辑无环流控制方式

    虽然有环流系统具有反向快、过渡平滑等特点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘，而且使设备成本增加。因此，当工艺过程对系统过渡特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，从运行可靠性要求出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。即当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。其优点是可省去环流电抗器，没有附加的环流损耗，从而可节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。同时与环流系统相比，因换流失败而造成的事故率大为降低。其缺点是由于延时造成了换流死区，影响了过渡过程的快速性。

    由于逻辑无环流主电路不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以，对工作时的可靠性要求特别高，为此，在软件编程时要考虑下面几点：

    1）电压信号极性和零电流检测信号共同发出换组指令，当电压信号改变极性时，查询零电流检测信号，只有当零电流检测板发出“零电流”信号，才允许封锁原工作组，开放另一组；

    2）换组指令发出后，须经过封锁延时才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时后，才能开放另一组脉冲；

    3）无论在任何情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被封锁住。

3    实验结果

3.1    逻辑无环流实验结果

    本实验采用的负载电阻为R=10Ω，电感为L=150mH，采用梯形波调制。

3.1.1    不同频率的相电压与相电流波形

    图2，图3给出了死区为10ms，频率分别是3Hz，8Hz的实验波形。

图2    3Hz相电压与相电流波形

图3    8Hz相电压与相电流波形

    从图2，图3可以看出，输出频率越高，波形质量越差。原因是因为交—交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加。通过实验装置进行变频可以得到0～10Hz连续可调的输出频率，最高频率做到10Hz，如果频率再高，则由于零电流检测比较困难，使得正反组切换失败。

3.1.2    不同死区相同频率的相电流波形

    逻辑无环流为了防止正反组切换时短路，而存在切换死区。可是死区大了，会影响输出电流波形质量，死区小了，又不能保证可靠换组，图4，图5给出了相同频率，不同死区的实验波形以分析死区对输出性能的影响。

图4    6.5Hz死区6ms的相电流波形

图5    6.5Hz死区13ms的相电流波形

    从图4，图5可以看出，死区越大，输出电流波形交越失真也越大，一个周期内所包含的波头数就越少。所以在实际应用中，应在保证正反组能够可靠切换的情况下尽量减少死区切换时间，以便提高输出电流波形质量。

3.2    有环流实验结果

    做有环流实验时只要把图1中的两个电阻R₁，R₂换成环流电抗器即可。从上面介绍工作原理可知，采取有环流控制方式时，控制角必须满足α≥β的关系，否则会产生直流平均环流。为此在有环流实验中分别做了α=β和α>β两种实验，以便进行分析和比较。

3.2.1    控制角α=β

    从图6可以看出，采取α=β配合控制时，电流正反组很平滑切换，没有换向死区存在。但是在实际应用中，由于参数的变化，元器件的老化或其他干扰作用，控制角可能偏离α=β的关系。一旦形成α<β，此时整流电压大于逆变电压，即使这个电压差别小，但由于均衡电抗器对直流不起作用，仍将产生较大的直流平均环流，如果没有有效的控制作用，将是很危险的。

图6    5Hzα=β配合控制的相电流波形

3.2.2    控制角α≥β＋10°

    图7—图10给出了α>β时不同输出频率相电流的波形。

图7    3Hz相电流波形

图8    8Hz相电流波形

图9    15Hz相电流波形

图10    25Hz相电流波形

    为了避免α=β控制时由于各种原因使控制角偏离而造成直流平均环流的危险，在整定零位时留出一定的余量，使α略大于β，例如，采用α≥β＋10°进行控制。

    从图7可以看出，由于采用了α≥β＋10°进行控制，电流波形出现了一段死区，这是因为β_min是整定好的，而现在α_min必须大于β_min，所以α_min比原来更大了，使晶闸管的容量没有得到充分利用。从图8，图9，图10可以看出，输出频率越高，波形畸变越厉害，原因是频率越高，一个周期内所包含的电网电压段数就越少，这种波形畸变是限制输出频率提高的主要因素之一。本次实验输出频率最高做到了25Hz，频率再升高，则电流波形正半周只有1到2个波头，波形畸变很厉害。

3.3    逻辑无环流和有环流实验对照分析

    从图3，图8实验波形可以看出，在相同频率情况下，有环流控制方式得到的电流波形比无环流控制方式下得到的电流波形好，原因是逻辑无环流在正反组切换时存在切换死区。从实验波形还可以看出，采用有环流控制方式的输出频率可以做得比逻辑无环流方式的输出频率高，有环流可以做到工频的1/2，而本系统中逻辑无环流只能做到工频的1/5左右，其原因是逻辑无环流的零电流检测在频率较高时比较困难，容易造成正反组切换失败。但有环流需要环流电抗器，在工程上带来不便和增加成本。

4    结语

    由于交—交变频是采用相控方式，通过自然换相关断晶闸管，故存在一些固有缺点和不足，例如，当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加，但是，对于那些要求频率不是很高的低频拖动系统的应用场合，如矿井提升机、卷扬机，交—交变频技术则取得了很好的效果。至于采用有环流还是无环流控制方式，要看实际情况而定。如果要求系统运行可靠性比较高，则采用逻辑无环流方式较好；如果要求系统具有反向快，过渡平滑，输出频率较高等特点，则用有环流方式较好。