现代电力电子学与交流传动
3.42 余弦交点控制
一个通用的可获得线性传输特性的控制方式是余弦交点方式。图3-40是该方式的单项桥式变流器的图解说明。将正弦输入电压Vab相位前移π/2生成余弦波；在每个下半周期将其取反，构造如图b所示的“余弦波”。每半个周期的控制电压Vc和余弦波形的焦点极为触发延迟角a，则 COSa= （3-74）
式中，Vp是余弦的峰值，将式（3-74）代入Vd=Vdo *COSa，则
Vd=Vc=KVc （3-75）
表明输入输出之间是增益为K的线性关系。这时变流器就相当于一个开关式线性放大器。注意，即使余弦波德幅值随输入电压变化，K不变。需注意，式（3-75）
只适用于连续导电模式。对于非线性，就像前面说的一样，K是非线性的，取决于a角和负载参数。
图3-41给出了三相桥式变流器的余弦交点控制方式；图3-42和图3-43说明了方式的工作原理。图中只给出了晶闸管q触发逻辑信号的生成，但该原理同样适用于其他晶闸管。输入线电压Vac为参考波，其相角从0～π对应于晶闸管Q1的触发延迟角的范围。相电压-Vb比Vac超前π/2，构成晶闸管Q1的余弦基准波。如图3-41所示，通过变压器将相电压和线电压降压后练到比较器，将控制电压Vc与相电压-Vb相比较，在触发延迟角a时输出进行逻辑与后，用其前沿触发双稳态触发器9，然后依次与脉冲列（未画出）相耦合送至Q1 的门极。当Q3触发时，其被复位，这样是门极脉冲持续限制在2π/3。通过相应的增大或减小Vc的值，可使Q1的触发延迟角前移或后移。如图3-41所示，超前限定负脉冲接至与门5，后限定脉冲接至或门7。
3.43 相振荡器原理
上节讨论的余弦交点片式是直接从输^电压中得到余弦基准波形。变流器产生的谐波流过电源阻抗，引起输入电压的畸变。类似的畸变和瞬态变化可纳入到本身或并联欲行的变流器
映入到系统中。而采用滤波器消除畸变的方法并非令人满意，原因是其相移对电网频率变化也很敏感。解决该问题的一个办法是采用锁相环PLL技术数字合成余弦波。图3-44阐明了单向桥式变流器带偏置余弦波的数字合成原理。频率合成器由60Hz的电网频率生成一个30.72kHz时钟。输出频率=Ⅳ，可通过选择分频器比率Ⅳ(=512)来设定，从而使工在一定的锁定范围内跟踪电f0=Nf可通过选择分频器比率N（=512）来设定，从而是f。在一定的锁定范围内跟中电网频率f0，PLL本质上个数字反馈系统，该系统将参考频率f与反馈频率送入鉴相器(PFD)进行比较，在环路滤波器的输人端产生一个与相位差成正比的模拟误差信号。放大的误差信号驱动电压控振荡器(VCO)产生所属的输出频率。当输出波的相位为达到要求时，误差电压将增大，校正VCO的输出，从而是输入与反馈锁定在一个小的相差值。
图3-45中，频率、相位与交流相电压同步的30、72KHe的输出时钟，通过计数器以及ROM查表，产生一个偏置的余弦波。计数器输出与60Hz波同步，并每隔半周期重复检索ROM的输出。可采用数字方式将控制电压与ROM的输出进行比较，或将ROM的输出经D/A转换后进行模拟方式的比较。该方法方便的延伸到三相桥式变流器的控制。
锁相振荡器原理可直接用于控制变流器的触发脉冲。变流器稳态工作时，需将触发脉冲等间隔地施加于相继的晶闸管。从而使任两个相邻触发信号的时间间隔等于输入电压的周期除以变流器的脉动数。图3-46为三相桥式变流器生成该类脉冲列的一种模拟锁相震荡器方法，该方法使控制器不再依赖电网输入电压波形，因而对于具有软件特性的交流电源更具有吸引力。如图3-46所示，交流器电流反馈控制可用反馈方式加以说明，在该方式中，误差信号通过PI控制器，输出驱动压控振荡器（VCO）由VCO得输出驱动一个6阶环形计数器，经相邻位或逻辑运算得晶闸管的触发逻辑信号。稳态时，误差为0，因而PI控制器锁定输出电压，从而使VCO准确工作在电网的6倍频，而触发脉冲的相角可变，当负载或给定电流发生变化时，VCO的频率将产生相应变化，但通过a角的变化可以补偿Id，使系统稳定在新的a角。由于锁相振荡器的响应比较缓慢，因而如果过渡过程如果较快，可能发生换相失败。 3.5 电磁干扰（EMI）及电网供电质量问题
正如前面讨论的，二极管和晶闸管变流器实质上是公共点电网系统的一种非线性负载，而且该类负载近年来得到快速发展。这些变流器照成电网波形与理想正弦波形相距甚远，结果导致严重的电磁干扰（EMI）和谐波问题。
3.5.1 EMI问题
EMI问题起源于电压波形或电流波形的突变（dv/dt或di/dt）。例如，二极管整流器的输入电流有可能为窄脉冲，而二极管恢复电流脉冲在电源电感上将产生电压尖脉冲。同样，晶闸管在换相重叠期间也会产生恢复电流顺便，电网电压尖脉冲，以及快速换相时在输入电流中产生的高电流变化率di/dt。实际上，任何快速通断的电力半导体器件都将产生类似的dv/dt或di/dt。传导高dv/dt波的导线就像一根天线，若高频辐射波传至灵敏信号电路，则表现为噪声（辐射EMI）;或由寄生耦合电容将该噪声传至地线（传导EMI），同样高di/dt电流波通过寄生而合电感也将产生传导EMI。EMI将对通信线路造成干扰，并引起高灵敏电子电路的故障。EMI问题可通过适当的屏蔽、噪声滤波，并注意设备的布局以及接地等措施加以解决。目前已制定了各种电磁兼容（EMC）性标准，用以控制ENI问题。
3.5.2 电网谐波问题
变流器产生的谐波电流通过公用电网系统造成了多种供电质量问题。畸变的电流通过两侧电感造成反馈电母线的失真。非正弦母线电压可能对同一母线上的敏感负载造成影响。此外，谐波电流将在电网中产生额外的负载，并使供电设施产生附加损耗。该类设备有：发
电机、传输及配电线、变压器、以及断路器等。采用二极管整流器及电容滤波器供电的家用设备即为一个简单例子，器尖峰电流波形将严重的限制电源插座输出功率。当然，在相空变流器中，由于低位移功率因素DPF造成的附加无功伏安也将加载到用电设备中。谐波还将引起电表读数错误，保护继电器故障，并由分布电感和电流参量引起线路的寄生震荡。
随着电力系统中非线性电力电子负载的增多，IEEE和IEC制定了各种标准以保护供电质量。例如，IEEE—519标准（1992年修订）根据短路电流比（Isc／IL），将电网各次谐波及电流总谐波畸变率（THD）限定在不同的值上，如表3-1所示。短路电流较小的母线意味着较高的戴维南阻抗，因而对一定的负载电流IL将产生更大的母线电压的失真。这意味着对于一定的母线线电压畸变，其允许承载的谐波电流将更小。例如，Ibc/IL<20时，标准允许的THD为基波的5%，该值以及各奇次谐波的允许值如图3-1所示。注意，该谐波标准适用于PCC，如图3-47所示。以带有线性负载补偿非线性负载。IEC-1000标准更严格，并适用于单个设备的谐波辐射。电网的谐波问题可通过无源滤波器、有源滤波器、或通过变流器自身的波形整形来得以缓解。同样，滞后的无功伏安补偿也可以通过变流器自身有效德尔波形整形来得以缓解。同样，滞后的无功伏安补偿也可通过变流器自身，或通过另外的
无源和有源漏功装置进行补偿。有源滤波和无功补偿在第5章讨论。
该表是针对负载情况最恶劣，并且运行时间超过一个小时而定的，如果存在二次谐波，则被限定在上述奇次谐波限制的25%。不论实际的Isc/Il是多少，所有发电设备的电流失真都被限制在这些值上。
3.6 小结
这一章对目前在工业中广泛应用的不同类型的二极管整流器和晶闸管相控变流器给予了全面的回顾。在二极管整流中，重点是带感性和容性负载的单相和三相桥式电路结构。类似的电路结构及负载同样也在相控变流器中进行了详细的说明。晶闸管变流器即可做整流器，又可作为逆变器。在零触发相角时，晶闸管变流器运行与二极管整流器相同。注意，这类变流器在零电流时开关，所以器件的开关损耗可忽略不计。由于软开关及地传导损耗，这种变流器效率较高。由于电路的非线性，本文将重点放在波形分析上，而不是放在严格的数学分析。二极管和晶闸管变流器构成了当前公共电力电子系统的主要负载，同时也造成了谐波畸变和无功伏安负载问题。目前正采用严格的电力质量标准，用以限制这类负载直接应用于公共电网系统。
4.1 引言
交交变频器是一种通过单级变换将输入的交流电从一个频率转换到另一个频率输出的频率变换装置，也称为周波变流器。第三章描述的相控晶闸管变流器可以很容易的扩展为交交变频器运行。通常基于IGRT的自控交流开关也可以用于高频链交交变频器在大功率工业应用中，晶闸管相控交交变频器的应用十分广泛。早在1930年，德国就出现了采用双极控制汞弧整流器的相控交交变频器，它将50Hz的三相电能转换为50/3Hz的单向电能，提供给铁路牵引用的交直流两用机。差不多在同一时间，美国出现了第一个交流变频提速系统，他使用充气闸流管交交变频器，用以控制一个400hp的同步电动机作为一个火电站的辅助机组。今天，兆瓦级电力晶闸管交交变频器在传动异步电动机和电磁式同步电机方面的应用已经十分普遍。实际上，交交变频器通常应用于以下几个方面：
1) 水泥磨机和球磨机的传动;
2) 轧钢机的传动；
3) 转差功率再生的Scherbius传动；
4) 用于飞行器400Hz电力供应的变速恒频发电。
在本章中，我们将会对相控交交变频器运行的基本原理、逆变器结构、谐波和功率因数情况，以及控制策略进行研究。为了完整起见，也对矩阵式变流器和高频链交交变频器做一个简要介绍。
4.2 相控交交变频器
4.2.1 基本运行原理
图4-1为交交变频器的结构框图。在一个以交交变频器驱动交流电机的工业系统中，输入的50/60Hz交流电被转化为不同频率、不同电压的电能输出，以此来控制电机的转速。输出频率可以从零（整流运行）变换到一个低于输入陪你率（对于降频交交变频器）的上限。同时功率可以双向流动来实现电机的四象限运行调速。在一个VSCF系统中，输入的电能通常由变速汽轮机带动一个同步机产生。如果同步机是电磁式的，则发出的电压可以调整，但输出频率总是同原动机转速成正比。交交变频器的作用是将输出频率调到一个定值（通
常为60Hz或400Hz）。图4-2给出了两种变频的结构，图4-2a是一种通常使用的结构，输入的交流电先经过整流成为直流，然后在通过逆变器逆变成不同频率的交流。图4-2b中，输入的交流电通过一个升频交交变频器转换成高频交交变频器转换成高频交流电，然后通过降频交交变频器转化成所需的频率。如果输入为直流，则用一个高频逆变器替代升频交交变频器。
图4-3升频所示的单相-单相交交变频器电路，可以用来研究交交变频器的基本原理。一个正极性中心抽头晶闸管变流器和一个同类型的负极性变流器反相并联，从而可以控制负载中笔筒极性的电压和电流。假设负载为纯阻性负载，得到波形如图4-4所示。图4-4a为一个完整半波输出波形，其基频为f0=（1/n）fi,试中n（在这里为3）输出每半周波对应的输入半周数。如图4-4b所示，可以通过调整晶闸管的触发延迟角来控制输出电压的基波分量。交交除了可以降频，用来升频也是可行的，如图c所示。这种情况下装置以一个较高的频率在正半波和负半波之间交替切换，产生载波频率的调制输出。这时，反向并联的一对晶闸管被一个高频交流开关代替，如图4-3的右侧所示。交流开关由两个反向并联的IGBT构成，每个IGBT有一个串联二极管，并且两个并联的桥臂中点相连，如图所示，这样可以封锁正负极性的电压，而电流可以双向流动。 它也可以是图中的IGBT加一个二极管桥结构。
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