1.3 直接變換方式（交-交變頻）

交-交中、高壓變頻器是一種可直接將恒壓恒頻（CVCF）的交流電（如工頻）直接變換成為電壓及頻率可調的交流電的系統，而無需中間的直流環節。因此，又稱其為直接式變頻器。有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconverter）。

1.3.1 交-交變頻器的基本電路

常用的交-交變頻器輸出的每一相都是一個由正（VF）、反（VR）兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路。也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調速系統的反并聯的晶閘管可逆線路，如圖1-2所示。兩組變流電路接在同一個交流電源上，實際使用的交-交變頻器為三相輸入、三相輸出電路。

圖1-2 單相輸出交-交變頻器的可逆電路

1.3.2 交-交變頻器的控制方式

1.整半周控制方式

正、反兩組晶閘管可控整流裝置按一定周期相互切換，在負載兩端就可獲得交變的輸出電壓u_o，u_o的幅值取決于各組可控整流裝置的觸發延遲角α，u_o的頻率取決于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果觸發延遲角一直不變，則平均輸出電壓波形為方波，如圖1-3所示。

圖1-3 方波型平均輸出電壓波形

2.觸發延遲角α調制控制方式

要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間按正弦規律不斷地改變其觸發延遲角。例如，在正向組導通的半個周期中，使觸發延遲角α由π/2（對應于平均電壓u_o=0）逐漸減小到0（對應于u_o最大），然后再逐漸增大到π/2（u_o再變為0），如圖1-4所示。

當α按正弦規律變化時，半周內的平均輸出電壓即為圖1-4中虛線所示的正弦波。反向組負半周的控制也是這樣。

圖1-4 單相輸出交-交變頻器的正弦波電壓波形

1.3.3 三相交-交變頻器

三相交-交變頻器電路由三組輸出電壓相位各差120°的單相交-交變頻器組成，電路接線方式主要有如下幾種。

1.公共交流母線進線方式

公共交流母線進線方式如圖1-5所示，此電路由三相彼此獨立、輸出電壓相位互差120°的單相交-交變頻電路組成。電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上。因為電源進線端公用，所以三組輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開。此種接線方式主要用于中等容量的交流調速系統。

圖1-5 公共交流母線進線方式（三相交-交變頻電路簡圖）

2.輸出星形聯結方式

輸出星形聯結方式如圖1-6所示，三組輸出端為星形聯結，電動機的三個繞組也是星形聯結，電動機中性點不和變頻器中性點接在一起，電動機只引出三根線。因為三組輸出連接在一起，其電源進線必須隔離，所以分別用三個變壓器供電。

綜上所述：交-交變頻器雖然在結構上只有一個變換環節，省去了中間直流環節，看似簡單，但所用的元器件數量卻很多，總體設備相當龐大。

交-交變頻器主電路開關器件處于自然關斷狀態，不存在強迫換流問題，所以第1代電力電子器件——晶閘管就能完全滿足它的要求。這些設備都是直流調速系統中常用的可逆整流裝置，在技術和制造工藝上都很成熟，目前國內有些企業已有可靠產品。

這類交-交變頻器的缺點是輸入功率因數較低、諧波電流含量大、頻譜復雜，因此必須配置諧波濾波和無功補償設備。其最高輸出頻率不超過電網頻率的1/3～1/2，使其應用受到限制。一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，供電給低速電動機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。

圖1-6 輸出星形聯結方式（三相交-交變頻電路）

1.3.4 矩陣式交-交變頻器

第1代脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）變頻器已經廣泛應用于交流變頻調速系統。但是，近幾年隨著PWM變頻器的普及，它對周邊設備所造成的影響也日益突出，如電源的高次諧波引起的誤動作，電源干擾引起的誤動作和射頻干擾引起的誤動作等。同時，其還易造成電動機性能的劣化，如電動機沖擊電壓引起的絕緣老化，電動機軸電壓引起的電動機軸承損壞等，這些問題都使人們去尋求一種真正的環保型變頻器，使全控型開關器件的矩陣式交-交變頻器是這樣一種變頻器，它沒有中間直流環節，類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數可調，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，最大輸出輸入電壓比只有0.811。

由于矩陣式交-交變頻器沒有中間直流環節，不但省去了體積大、價格貴的電解電容，也不像交-直-交變頻器必須在一定年限更換鋁電解電容（如5～8年更換一次鋁電解電容），可使交-交變頻器能長時間可靠工作。它能實現功率因數為1、輸入電流為正弦以及四象限運行，系統的功率密度大，并能實現輕量化。目前，這類變頻器尚處于開發研究階段，其發展前景非常好，幾個主要的傳動供應商（羅克韋爾、西門子等公司）都在研究該項技術。