交-直-交變頻電路設計與仿真分析

鄧 碩

（海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913）

0 引言

隨著現代電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的迅速發展，交流傳動與控制技術成為目前發展最為迅速的技術之一[1]。變頻調速以其優異性能，被公認為最有發展前途的高效調速方式[2]，而交-直-交變頻電路則是應用的最為廣泛的一種變頻方式[3]。因此，對交-直-交變頻系統的工作原理和特性的研究是十分有意義的。

本文研究了變頻調速系統的基本組成，設計了交-直-交變頻調速電路，基于MATLAB/Simulink仿真工具，搭建了交-直-交變頻調速系統的仿真模型，對仿真結果進行了分析研究。

1 交直交變頻器結構與原理

交-直-交變頻器的基本結構如圖1 所示，先采用AC/DC 整流電路將電網提供的三相交流電源整流為直流電，然后采用DC/AC 逆變電路將直流電逆變為電壓、頻率可調的三相交流電，最終達到變壓變頻的目的。由于DC/AC 逆變器的輸出頻率可以是任意值，電壓、頻率可獨立或協調控制，采用SPWM 控制的變換器輸出交流電壓波形畸變率較小，直流電源中諧波電流也不嚴重且易于濾波。相比于交-交變頻器存在的只能降低頻率、同時輸出電壓波形中含有較大的諧波、輸入電流諧波嚴重且功率因數低等問題，交-直-交 變頻器的交流輸出頻率不再受到交流電源頻率的限制，控制電路相對簡單，且在功率因數、諧波控制等方面也有更好的表現[4]。

本文中設計的交直交變頻器，AC/DC 整流電路采用三相橋式不控整流電路，DC/AC 逆變電路采用SPWM 控制的三相橋式逆變電路。三相橋式不控整流有輸出電壓高、脈動頻率易于濾波、交流電源電流中不含直流分量等特點。SPWM 控制的三相橋式逆變電路因其優良的控制效果得到廣泛應用。

圖1 交直交變頻器結構圖

2 電路設計及器件選型

本文設計的交-直-交變頻電路如圖2 所示，整流電路部分采用二極管，逆變電路部分采用IGBT，在電路設計過程中，需要對所使用的電力電子器件上承受的電壓、電流等參數進行計算，以選擇合適參數的器件。

圖2 交直交變頻器電路原理圖

2.1 整流電路設計及器件選型

三相橋式不控整流電路如圖1 所示，在一個電源周期內，輸出電壓VD由6個相同的脈波組成，每個脈寬60°，其直流側平均值VD為

式中：VS為線電壓有效值，V；V1為相電壓有效值，V。

整流電路在工作時，同一時刻只有部分二極管導通，剩余二極管承受反向電壓，單個二極管所承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，即S2V 。在對二極管選型時，考慮到安全裕量，二極管器件的額定電壓一般應選擇最大反向電壓值的2 倍～3 倍，額定電流一般為最大整流電流的2 倍。整流電路輸出電壓中除直流電壓VD外，還含有頻率為6 倍電源頻率的脈波，為此須在整流電路的輸出端接入LC 濾波器。

2.2 逆變電路設計及器件選型

三相橋式逆變電路采用雙極性正弦脈寬調制，由參考信號發生器提供一組三相對稱的正弦參考電壓信號，其頻率和幅值決定了逆變器輸出的基波頻率和幅值，在所要求的輸出范圍內可調。三角載波信號分別與每相參考電壓比較后，產生SPWM 脈沖序列波，作為逆變器功率開關器件的驅動控制信號，由控制電路輸出給IGBT 控制器件通斷，實現調壓調頻輸出。輸出交流線電壓基波有效值VAB為

式中：M 為調制比。

三相橋式逆變電路工作時，IGBT 所承受的最大電壓為直流側電壓VD。考慮到器件通斷及尖峰電壓等因素，一般認為IGBT 承受的峰值電壓為1.1VD。考慮到安全裕量，IGBT 器件額定電壓應選擇承受電壓值的2 倍～3 倍。

3 交直交變頻器MATLAB 仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真工具，建立了輸入端為380 V、50 Hz、66 kW 的三相交流電源，輸出端為100 V～400 V、20 Hz～100 Hz 的調壓調頻三相交流電源仿真模型，如圖3 所示。模型中IGBT 接收的SPWM 控制信號通過門電路模塊產生。

利用MATLAB/Simulink 中的FFT 分析工具對變頻器最終得到波形進行分析，分析結果如圖7 所示，輸出端電壓諧波含量為0.51%，品質較好。

圖7 輸出電壓波形FFT 分析圖

4 結論

本文分析了交-直-交變頻電路的基本原理和結構，設計了整流電路采用三相橋式不控整流電路，DC/AC 逆變電路采用SPWM 控制的三相橋式逆變電路的交-直-交變頻電路，通過器件承受的峰值電壓分析了器件選型方法，利用MATLAB/Simulink 仿真工具建立了變頻電路仿真模型。經仿真驗證，該電路具有較好的變頻效果，對于變頻系統的實際應用具有參考價值。