交-直-交变频电路设计与仿真分析

邓 硕

（海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913）

0 引言

随着现代电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一[1]。变频调速以其优异性能，被公认为最有发展前途的高效调速方式[2]，而交-直-交变频电路则是应用的最为广泛的一种变频方式[3]。因此，对交-直-交变频系统的工作原理和特性的研究是十分有意义的。

本文研究了变频调速系统的基本组成，设计了交-直-交变频调速电路，基于MATLAB/Simulink仿真工具，搭建了交-直-交变频调速系统的仿真模型，对仿真结果进行了分析研究。

1 交直交变频器结构与原理

交-直-交变频器的基本结构如图1 所示，先采用AC/DC 整流电路将电网提供的三相交流电源整流为直流电，然后采用DC/AC 逆变电路将直流电逆变为电压、频率可调的三相交流电，最终达到变压变频的目的。由于DC/AC 逆变器的输出频率可以是任意值，电压、频率可独立或协调控制，采用SPWM 控制的变换器输出交流电压波形畸变率较小，直流电源中谐波电流也不严重且易于滤波。相比于交-交变频器存在的只能降低频率、同时输出电压波形中含有较大的谐波、输入电流谐波严重且功率因数低等问题，交-直-交 变频器的交流输出频率不再受到交流电源频率的限制，控制电路相对简单，且在功率因数、谐波控制等方面也有更好的表现[4]。

本文中设计的交直交变频器，AC/DC 整流电路采用三相桥式不控整流电路，DC/AC 逆变电路采用SPWM 控制的三相桥式逆变电路。三相桥式不控整流有输出电压高、脉动频率易于滤波、交流电源电流中不含直流分量等特点。SPWM 控制的三相桥式逆变电路因其优良的控制效果得到广泛应用。

图1 交直交变频器结构图

2 电路设计及器件选型

本文设计的交-直-交变频电路如图2 所示，整流电路部分采用二极管，逆变电路部分采用IGBT，在电路设计过程中，需要对所使用的电力电子器件上承受的电压、电流等参数进行计算，以选择合适参数的器件。

图2 交直交变频器电路原理图

2.1 整流电路设计及器件选型

三相桥式不控整流电路如图1 所示，在一个电源周期内，输出电压VD由6个相同的脉波组成，每个脉宽60°，其直流侧平均值VD为

式中：VS为线电压有效值，V；V1为相电压有效值，V。

整流电路在工作时，同一时刻只有部分二极管导通，剩余二极管承受反向电压，单个二极管所承受的最大反向电压为线电压的峰值，即S2V 。在对二极管选型时，考虑到安全裕量，二极管器件的额定电压一般应选择最大反向电压值的2 倍～3 倍，额定电流一般为最大整流电流的2 倍。整流电路输出电压中除直流电压VD外，还含有频率为6 倍电源频率的脉波，为此须在整流电路的输出端接入LC 滤波器。

2.2 逆变电路设计及器件选型

三相桥式逆变电路采用双极性正弦脉宽调制，由参考信号发生器提供一组三相对称的正弦参考电压信号，其频率和幅值决定了逆变器输出的基波频率和幅值，在所要求的输出范围内可调。三角载波信号分别与每相参考电压比较后，产生SPWM 脉冲序列波，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号，由控制电路输出给IGBT 控制器件通断，实现调压调频输出。输出交流线电压基波有效值VAB为

式中：M 为调制比。

三相桥式逆变电路工作时，IGBT 所承受的最大电压为直流侧电压VD。考虑到器件通断及尖峰电压等因素，一般认为IGBT 承受的峰值电压为1.1VD。考虑到安全裕量，IGBT 器件额定电压应选择承受电压值的2 倍～3 倍。

3 交直交变频器MATLAB 仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真工具，建立了输入端为380 V、50 Hz、66 kW 的三相交流电源，输出端为100 V～400 V、20 Hz～100 Hz 的调压调频三相交流电源仿真模型，如图3 所示。模型中IGBT 接收的SPWM 控制信号通过门电路模块产生。

利用MATLAB/Simulink 中的FFT 分析工具对变频器最终得到波形进行分析，分析结果如图7 所示，输出端电压谐波含量为0.51%，品质较好。

图7 输出电压波形FFT 分析图

4 结论

本文分析了交-直-交变频电路的基本原理和结构，设计了整流电路采用三相桥式不控整流电路，DC/AC 逆变电路采用SPWM 控制的三相桥式逆变电路的交-直-交变频电路，通过器件承受的峰值电压分析了器件选型方法，利用MATLAB/Simulink 仿真工具建立了变频电路仿真模型。经仿真验证，该电路具有较好的变频效果，对于变频系统的实际应用具有参考价值。