3.2 交流变频系统的基本形式

从交流变频调速的系统结构上来分可以分为交-交直接变频系统和交-直-交间接变频系统。

3.2.1 交-交变频系统

交-交变频系统是一种可直接将某固定频率交流变换成可调频率交流的电路系统，无须中间直流环节。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，各晶闸管器件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无须强迫换流装置，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传动，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，因此首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、输入/输出特性等；然后介绍三相输出电路结构。

1.三相输入-单相输出的交-交变频电路

（1）基本工作原理。三相输入-单相输出的交-交变频器原理如图3-2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3-2a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3-2b则为电压型电路，其输出电压可为矩形波；图3-2c为图3-2b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u₀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u₀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f₀就等于两组变流器的切换频率，而负载电压u₀大小则决定于晶闸管的触发角α。

（2）工作状态。三相-单相正弦型交-交变频电路如图3-3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，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。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。

2.三相输入-三相输出的交-交变频电路

三相输出交-交变频电路由3个输出电压相位互差120°的单相输出交-交变频电路按照一定方式连接而成，主要用于低速、大功率交流电动机变频调速传动。

三相输出交-交变频电路有两种主要接线方式，如图3-4a、b所示。

图3-2 三相输入-单相输出交-交变频器原理图

a）电流源型 b）电压源型 c）输出电压u

图3-3 三相-单相交-交变频电路

图3-4 三相输出交-交变频电路连接方式

a）输出Y接方式 b）公共交流母线进线方式

1）输出Y接方式：3组单相输出交-交变频电路接成Y，中点为O；三相交流电动机绕组亦为接成Y，中点为O＇。由于3组输出连接在一起，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）公共交流母线进线方式：它是由3组彼此独立、输出电压相位互差120°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，3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。

3.2.2 交-直-交变频系统形式

在交-直-交变频调速系统中，变频器有4种主要结构形式。

①用可控整流器调压如图3-5a所示，这种装置结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多采用由功率开关器件组成的三相六拍逆变器（每周期换流6次），输出的谐波较大，这是该种调压控制方法的缺点。

②用不可控整流器整流，用斩波器调压如图3-5b所示，这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。这样显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。

③用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压如图3-5c所示，在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。因此成为当前被采用的一种调压控制方法。

④双PWM控制，这是最近的变频器结构形式，如图3-5d所示，当电动机处于电动状态运行时是电源经整流，再逆变至电动机，当电动机处于发电状态运行时是电动机的电流经整流再逆变返送回电源，该形式优点是可回收再生电源的能量。

图3-5 交-直-交变频器的各种结构