作者：www.nenghua.com.cn 发布日期：2014-12-24 22:28 信息来源：http://www.lp1995.com
0 引言
近十几年来，变频电源的理论研究和实践应用研究已越来越受到重视，并正在形成一门新兴的学科。变频电源技术涉及到多种应用科技，如应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术等，是一种多学科边缘交叉的应用技术，在众多高质量、高效率、高可靠性的变频电源应用中起关键作用。
针对某煤矿的300kW 矿井提升机研制的交—交变频式低频电源装置，容量为400kVA，额定输出频率4.18Hz，额定输出线电压800V，最大输出线电流220A。我们现采用晶闸管组成的静止变频器，将交流工频电源送入交—交变频器得到矿井提升机在减速和爬行阶段所需的低频电源，它具有低频特性好、效率高、体积小等优点，在低频传动系统中将得到广泛应用。
1 交—交变频技术
变频电源技术是这样一种技术：应用功率半导体器件，对电能进行变换，包括电压和电流的幅值、频率和波形等方面的变换，使电能更好地符合各种不同用电设备的要求。
变频器的种类很多，按调制方式分有：交—交变频器（又叫直接变频）和交—直—交变频器（又叫间接变频）。交—直—交变频器就是将恒定的50HZ电网电源交流电，通过整流变成直流电，再经过逆变器变成另一种频率的交流电。交—交变频器就是把交流电直接变成另一种频率的交流电。
和交—直—交变频器相比，交—交变频器有以下优点：只用一次变流，无中间储能元件；使用电网电压过零点自然换相，主电路的开关器件（晶闸管）处于自然关断的状态，不存在强迫换流问题；可以方便地实现四象限工作，低频时只要使其功率元件的控制信号(对应于晶闸管的触发角)按正弦规律变化，就可以得到近似正弦波的输出波形。由于直接变频电路实际上就是可逆整流线路，且利用电网电压来换流，因此不能在任意时间换流。它的输出电压是由电网电压若干段“拼凑”起来的，输出频率受电网频率和变流电路脉波数限制，输出频率较低（一般最高输出频率只能是电网频率的1/3以下）；交—交变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用晶闸管多，设备庞大，接线复杂，维护工作量大；直接变频采用移相控制方式，功率因数较低（一般仅为0.7左右），含有谐波成分，可改用梯形波输出控制方式来减少谐波含量，提高输出电压幅值（约提高15%），提高功率因数（约提高15%）；此外还可通过无功功率补偿和滤波装置来提高功率因数，减少对电网的危害。
2 交—交变频电源的设计
2.1 主回路的拓扑结构
变频电源的主回路采用了3脉冲零式电路结构，如图2.1所示。一个输出相由反并联的两个半桥组成，其中一组处于整流状态，另一组则处于逆变状态。两组桥输出的电压相顶，可消除直流平均环流，防止短路。为了抑制瞬时脉动环流，串联了环流电抗器。
电路中主变压器的二次绕组有三个,每个二次绕组单独向一个输出相的主回路供电。这样,三个输出相之间可以采用星形或三角形连接,而不至于产生相间短路,对负载有利。
2.2 环流控制
在自然环流工作方式下，环流的大小取决于环流电压的大小和环流电抗器的阻抗值。当环流电抗器的电感量足够大时， 即使在轻载情况下，也能维持负载电流的连续， 但环流电抗器体积大，损耗增加。
无环流工作方式不需要环流电抗器， 但在轻载情况下不能维持负载电流的连续， 使电机的特性变坏。
低频电源装置采用可控环流工作方式， 这种方式结合了上面两种方式的优点，在轻载情况下采用自然环流工作方式。在负载电流连续时采用无环流工作方式。虽然控制复杂些，但环流电抗器的体积和损耗大大降低。
2.3 晶闸管触发角的控制和调制
为了使三相交—交变频电源主回路的反并联的两个半桥能得到平均值相等而方向相反的电压，消除直流脉动环流，一组的整流角?和另一组的逆变角?必须满足下面的等式：
在整流电路中，当触发脉冲的相位变化时，其输出直流电压也随之变化：
式中U2—— 变压器二次侧相电压有效值。
如果?的变化规律适当(半周内控制角?从90 减到0 ,然后再增大到90 )，就可以使直流电压的平均值按正弦规律变化。
对触发角进行调制的方法是余弦波交截法：用同步余弦波作调制波，用所期望的输出电压波作基准波，两个波形的交点作为脉冲的发出时间。
用解析法推导出触发时间的近似解为：
[2.3]
式中：
可用S函数编程进行计算，发脉冲给相应晶闸管。也可先用高级语言Delphi先计算在不同调制系数M 下的a值，再控制离散脉冲发生器发出脉冲。
3 交—交变频电源设计的仿真
为了使上面设计的三相交一交变频电源能够选择合适的电路参数和保证其工作的性能指标，采用了MATLAB系统中的Simlink工具对整个系统进行了仿真。
3.1 仿真过程
用MATLAB软件中的Simlink仿真工具，即用其电力系统模块Power System Blockset来仿真三相交一交变频电源，其仿真模型由三相工频交流电源、数字脉冲发生器、18个晶闸管、3对环流电抗器和电压表、电流表、示波器组成, 如图3.1所示。
在仿真过程中用三个单相RLC负载代替三相异步电机，星形连接，其标称频率为50Hz，电阻有功功率P=lOOkW ， 电感无功功率QL=500Var， 电容无功功率Q =200Var； 输入频率／输出频率比为12；使用式(2.3)计算触发时间时，调制系数M 分为16个电压等级(0-F)，所得到的最后仿真波形采用的是最高电压等级(F级)，其他等级也同样可以得到满足要求的仿真波形结果。另外，从理论上讲最小的触发角可以很小，但在实际应用中为了防止晶闸管触发不可靠形成短路而致使换流失败，式(2.1)中正组的整流角?和反组的逆变角?都必须大于20度，在仿真过程中也已经把这一约束条件考虑了进去。
3.2 仿真结果
经过各相关参数计算和调整，所仿真的三相交—交变频电源装置的输出波形非常接近正弦波，见图3.2。
4 结束语
通过晶闸管设计静止式变频电源， 目前己成为一个重要的研究开发方向，在具体设计开发过程中利用MATLAB软件进行仿真设计，缩短了设计时间，降低了设计成本，保证了良好的系统性能指标，是整个三相交—交变频电源装置实现过程中非常重要的环节。
