基于脉冲阻塞原理的波头连续型三相交-交变频系统研究

郑诗程 邓荣军 陈 玲

（安徽工业大学电力电子与运动控制重点实验室 马鞍山 243032）

1 引言

随着社会的进步和发展，当今世界能源问题日趋严重，节能降耗已经成为各国共同追求的目标。其中，变频技术是非常重要的节能技术，受到了日益关注。现有的变频调速系统中，功率变换模式分为交流变直流再变交流（AC-DC-AC）的间接变频方式和交流变交流（AC-AC）直接变频方式两大类。其中，交直交变频系统以PWM 逆变机理为基础[1-3]，可以实现基频以上变频，发展非常迅速，已形成了多种类型。但交直交间接变频方式需要设置中间整流滤波环节，并且电解电容的价格和寿命指标均不是很理想；尤其是在可逆运行时，需要设置两套PWM 逆变装置，因而成本和控制复杂度相应上升；同时，随着工作频率的降低，其输出波形变差。而现有的交交直接变频器尽管无中间整流滤波环节，能方便地实现功率双向流动和四象限运行，但不论Matrix Converter 还是Cycloconverter 也都有功率器件偏多和谐波污染性问题[4,5]。其中，Matrix Converter的换流控制难度偏大；而Cycloconverter 由于采用SCR 工频移相控制，还兼有低压低频段的功率因数偏低问题，这使得交-交变频原理优于交直交变频原理的方面难于得到充分的发挥[6-8]。基于此，本课题对传统的交-交变频技术进行了新控制原理探索和研究，提出了一种新型AC-AC 直接变频技术，即利用MOSFET 功率器件施加于传统的三相交流调压电路，对其功能改进，获得了输出电压幅值和频率分别或同时可调的三相交交变频（Cycloconverter）电路。最后，设计了以FPGA 为控制核心的三相AC-AC系统，和传统晶闸管移相控制的三相AC-AC 系统相比，本装置具有成本低、体积小、质量轻、控制简单、功率因数高等优点[9,10]。

2 交-交变频技术现状

2.1 传统的交-交变频技术

传统的三相交-交变频电路原理如图1 所示[1]。三相交-交变频电路是由三相彼此独立的、输出电压相位相差120°的单相交-交变频电路组成。交交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：线路复杂，如图1 所示的三相交-交变频电路至少要用36 只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；由于采用移相控制，故输入功率因数较低，输入电流谐波含量大。

图1 输出星形联结方式的三相交-交变频电路Fig.1 Three phases AC-AC circuit with the output of star connection

2.2 矩阵式变换器

近年来，随着电力电子技术的发展，针对传统交-交变频电路的缺点，很多科技人员又进行了矩阵式交-交变换器的研究。图2 是矩阵式交-交变频电路的原理图。

图2 矩阵式变换器原理图Fig.2 Principle of martrix converter

矩阵式变频电路的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量能够双向流动，可用于交流异步电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。但是，矩阵式变频电路中所用的开关器件为双向功率器件，因此，整个电路至少需要为18 个器件，电路结构复杂，成本较高，控制复杂，控制方法还不算成熟。此外，采用SPWM控制时，输出输入最大电压比只有0.866。

3 脉冲阻塞式斩波控制交-交变频基本原理

众所周知，交流调压电路是利用可控的电力电子器件组成双向开关，把输入到负载的正弦交流电能按一定规则周期性地接通和关断，通过控制一个周期中通断时间的占空比，即可控制输出到负载的电压有效值。其控制方式一般有三种：整周波通断控制、相位控制和斩波控制[11]。其中，斩波控制就是利用PWM 控制技术，将交流电压波形斩控成一系列脉冲波，改变脉冲的占空比即可调节输出电压的大小。和整周波通断控制与相位控制相比，斩波控制能够容易获得连续的输出电压，并且波形中只含有高次谐波分量。

基于斩波控制的交流调压电路虽然具有一些优点，但仅仅是获得幅值可调的输出电压而不能实现输出频率可调，基于此，本文对传统的三相斩波调压电路进行了改进，提出了一种新的三相 AC-AC系统拓扑结构见图3a 所示。同时，提出了脉冲阻塞式斩波控制方法并施加于该电路，使其功能变性为电压、频率分别或同时可调的Cycloconverter，相关原理如图3b 和图3c 所示。

图3 波头连续的脉冲阻塞式斩波控制 三相交-交变频原理Fig.3 Three phases AC-AC principle of chopping control with continuous wave head based on plugged pulse fashion

如果连续先让N个电网电压的正半波头通过，负半波头阻塞，再连续让N个电网电压的负半波头通过，正半波头阻塞，即给功率器件G1～G6施加以如图3b 和图3c 所示的高频控制信号S1～S6，那么图3a 所示电路中的输出电压波形将分别如图3b 和图3c 中的Voa、Vob和Voc所示。改变连续通过功率器件的电网电压的正负半波波头的个数N，就可以改变输出基波电压的频率。同时，改变高频控制信号S1～S6的占空比即可以改变输出电压的幅值。这样，就实现了输出电压的频率和幅值分别或同时可调节，即传统的交流调压电路变性为Cycoloconverter。

在图3a中，采用三相六器件构成了三相四线制型的AC-AC电路，其输入电压为三相电网电压，频率通常为fi=50Hz，周期Ti=20ms。功率器件可采用全控型器件如MOSFET、IGBT等，R1、C1构成关断缓冲电路，用于吸收器件换向过电流和关断过电压，抑制du/dt，以减小关断损耗。Ls、R3和二极管VD构成开通缓冲电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，从而减小器件的开通损耗。此外，图3a中采用了π型的CLC结构，通过合理配置CLC参数，可以实现器件开通和关断时的滤波、续流和缓冲兼顾的统一功能，且使开关的电压、电流在占空比变化较大的范围内均得到缓冲[10]。

为了满足输出电压的三相对称关系，图3a 所示的波头连续型三相交-交变频电路输出电压的基波频率f0和输入电网电压频率fi的关系为

式中，N为输出电压半周期内的网频波头个数。

4 控制规律

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，即输出响应波形基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。该原理可以称之为面积等效原理。

根据面积等效原理，若要使输出电压波形与期望的工作电压波形等效，则半个输出电压周期内包含的N个经过高频脉冲信号斩控后的网频正弦半波包围的面积之和必须与期望工作电压波形包围的面积相等。

脉冲阻塞式斩波控制交交变频系统具有两种控制规律，一种是等脉宽斩波控制，另一种是变脉宽斩波控制[12,13]。图3b 所示的是等脉宽斩波控制型脉冲阻塞式交-交变频原理。由图3b 可知，所谓的等脉宽斩波控制就是指对每个通过功率器件的输入电压的正弦半波（即半个输出电压周期内包含的N个网频正弦半波）采用相等脉宽（相同的占空比）的高频脉冲信号进行斩控，那么，输出电压的每个网频正弦半波峰值都相等。采用这种等脉宽斩波控制的优点是控制规律简单，但输出电压波形的谐波含量较大。

为了得到正弦度更好的输出电压，可将半个输出电压周期内包含的N个网频正弦半波之间由原先等脉宽高频脉冲信号斩控改为按期望工作频率的正弦规律的变脉宽高频脉冲信号斩控。这样就可以得到正弦度较好的输出电压波形，如图3c 所示。

基于此，本文分别推导出了等脉宽和变脉宽斩波控制方式下的占空比表达式。

4.1 等脉宽斩波控制

图4 是等脉宽斩波控制的面积等效原理图。

设期望工作电压的峰值为Uom，频率为fo，周期为To，角频率为ωo，则期望工作电压波形可表达为

那么，期望工作电压波形半个周期内包围的面积So为

图4 等脉宽斩波控制的面积等效原理图Fig.4 Area equivalent scheme of equal pulse width chopping control

由于采用等脉宽控制，期望工作电压波形半个周期内包含的N个经过高频脉冲信号斩控后的网频正弦半波的形状是相同的，即

所以，其包围的面积为

其中

故根据面积等效原理，有

将式（3）、式（4）和式（5）代入式（6）可得

由式（7）可得

将式（1）及ω=2πf代入式（9）可得

由式（10）可以看出，当期望工作电压波形的峰值和其半个周期中包含的网频波头个数N已知时，就可求出高频斩控脉冲信号的占空比D。

4.2 变脉宽斩波控制

图5 是变脉宽斩波控制的面积等效原理图。

图5 变脉宽斩波控制的面积等效原理图Fig.5 Area equivalent scheme of variable pulse width chopping control

由图5 可知，输出电压波形的第p个子单元面积Sop可以表示为

其中，p=1，2，3，…，N；q=0，1，2，3，…，N-1。

由式（11）可得

由输出规律可知

式中，N为波头数。并且有

根据子单元面积等效可得

即

故可得占空比表达式如下

其中

综上可知，在期望工作电压波形的半个周期内，各个网频正弦半波的高频斩控脉冲信号的占空比与期望工作电压波形的峰值成正比。此外，调节输出电压波形的半个周期内包含网频正弦半波的个数N和高频斩控脉冲信号的占空比，就可实现对输出电压的调频和调压，从而满足各种负载的需求。

5 仿真与实验结果

根据上述原理和控制规律，本文在Pspice 环境下进行了三相交-交变频系统的理论仿真；同时，设计了基于FPGA的系统硬件电路，采用Verilog语言完成了系统的软件设计，并以风扇作为负载分别进行了等脉宽控制和变脉宽控制实验，完成了相应的实验验证。由实验可知，采用上述两种控制方式时，负载均能稳定运转；只是采用等脉宽控制方式时的输出电压波形的谐波含量较多。图6 和图7分别是采用等脉宽和变脉宽斩波控制时的仿真和实验波形。

图6 和图7 是取波头数N=10 即输出电压频率为f0=7.14Hz 时的输出电压波形。由图6 和图7 可知，仿真波形和实验波形基本一致，并且与理论分析的结果相同，从而验证了本文提出的变频原理的正确性和可行性。

图6 等脉宽斩波控制时的输出电压波形Fig.6 Waveforms of output voltage applying equal pulse width chopping control

图7 变脉宽斩波控制时的输出电压波形Fig.7 Waveforms of output voltage applying variable pulse width chopping control

6 结论

根据仿真和实验结果可知，本文提出的基于脉冲阻塞原理的波头连续型三相交-交变频系统是可行的，并且，采用变脉宽斩波控制时获得的输出电压波形质量明显高于等脉宽斩波控制。此外，随着输出频率的降低，输出电压的波形更加接近于理想正弦波。本系统可以用于低速运行的场合，且功率因数较高，所需的功率器件也比传统的交-交变频电路要少，控制规律简单，适合于中小容量低速变频传动应用领域。

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