周波变换器的工作原理与控制方法

使用晶闸管构成的周波变换器（cycloconverter）如图7.4所示，这是由两个三相桥式可控整流器SDA-9反并联连接，构成具有四象限运行能力的单相交流电源。承担正方向电流的SDA-9称为P-CONV（正变换器），覆盖四象限中第1和第2象限的动作。另一方面，负方向电流由N-CONV（负变换器）承担，覆盖第3和第4象限。不过，为了方便说明，图中只表示了单相交流输出，实际的装置基本是三相构成的，负载是三相交流电动机。另外，图中还给出了持流电抗器，为了理解后述的输出电压波形，连续换流动作被执行，由于任何错误都可能导致动作失控，所以持流电抗器对稳定运行必不可少。周波变换器基本用于电动机的驱动，因此很多情况下由电动机的绕组代替持流电抗器^[4]。

图7.4 周波变换器基本电路的一相构成图

其次，对周波变换器的动作进行说明。在6.2.3节～6.2.5节中说明的可控整流电路的功能是本电路的基础。例如，通过使P-CONV的控制角α变化来输出正弦波形状的电压e_ac，图7.5所示为该输出电压波形e_ac，图中也显示了它的目标值。输出电压e_ac的角速度是ω_out，滞后相位角为θ的电流i_ac流动。由图可知，ω_out与电源角速度ω_source相比一定非常小。

由图7.5可知，当e_ac的目标值横穿零线时，P-CONV平滑地从变换器工作过程进入到逆变器工作过程，但是电流值i_ac在横穿零线时从P-CONV向N-CONV的转换过程中，连续操作可能会引起电源短路，所以此时一定要先切断P-CONV的门极脉冲，等待正在导通的晶闸管在电流零点自然关断，同时在一定的停顿时间后N-CONV才可以开始工作。大容量晶闸管的关断时间可达几百μs，所以电流停顿时间对变换器的动作有很大影响。

在这里，根据上述的动作说明，若对两个SDA的承担角色进行表示，则如图7.6所示，图中也显示了与所需控制延迟角α的关系。顺便说一下，可控整流器可能的最大输出电压幅值为3E_m/π，与输出电压e_ac的幅值比为A（=0～1），控制延迟角α由式（7.3）进行控制。

α=cos^-1[Asin（ω_outt+θ）] （7.3）

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图7.5 周波变换器的输出电压波形（A=0.9，ω_out=0.25ω_source）

图7.6 正负变换器工作角色区分与控制延迟角的变化

例7.1

将200V/50Hz的三相电源连接到如图7.4所示的周波变换器上，幅值系数A=0.9，输出频率为12.5Hz，对该周波变换器的工作过程进行仿真。其中，电流幅值为150A，滞后相位角为45°。

解 仿真波形如图7.5所示。因为周波变换器的输出电压波形含有很多谐波成分，所以对普通的LR电路进行仿真时，电流中也含有谐波成分，电流通过零点时易引起异常现象，本例中假设正弦电流来进行仿真。