三相输入型阻塞斩波交交变频技术研究

李玉东 连海山 胡晓丹

摘  要： 为使交-交变频调速系统的优势得到发挥，以三相电源作为输入，依据电压拼接的思想，使用阻塞控制与连续变脉宽斩波控制相结合的策略，提出一种三相输入型的阻塞斩波交交变频控制方案，拓宽了输出频率的范围。通过Matlab/Simulink仿真验证，该方案具有输出电压波形正弦度好、带载能力强等特点。仿真结果和理论分析一致，验证了三相输入型阻塞斩波交交变频调速控制系统的正确性与可行性。

关键词： 阻塞斩波控制; 三相输入型; 电机调速; Matlab仿真

中图分类号：TM343          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）10-32-04

Abstract： In order to make the AC-AC variable frequency speed regulation system act better， with three-phase power supply as input， according to the idea of voltage splicing， using the strategy of combining blocking control with continuous variable pulse width chopper control， the three-phase input blocking chopper AC variable frequency control scheme is proposed， which widens the range of output frequency. Through the Matlab/Simulink simulation， it has the advantages of well sinusoidal voltage， strong load capacity and so on. The simulation results are consistent with the theoretical analysis， which verifies the correctness and feasibility of the three-phase input blocking chopper AC variable frequency speed control system.

Key words： blocking chopper control; three-phase input; motor speed regulation; Matlab simulation

0 引言

我國作为人口大国，面临着严峻的能源问题，因此节能减排的重要性进一步凸显，变频技术是工业生产中实现低能耗、高清洁的发展模式的重要手段[1-2]。现阶段变频实现手段分为两大类：交直交变频与交交变频[3-4]。交直交变频系统以PWM逆变为基础，技术手段已发展的很成熟，在工农业生产中得到广泛应用[5-9]。但由于交直交变频存在滤波环节，成本较高[10-13]。交交变频技术无中间直流环节，功率可以双向流动，传统交交变频技术仍然以晶闸管等半控型器件为主，采用移相控制的策略，所需用到的功率器件偏多，存在功率因数较低与谐波污染等问题[14]。为了克服传统交交变频技术中存在的问题，郑诗程等[15-19]学者提出了交流斩波调压拓扑结构与高频阻塞斩波控制脉冲相结合的方案，降低了系统的成本，控制过程简单，但存在输出电压断续的问题。文献[20]虽然在此基础上采用了两相输入型控制策略，仍不能避免出现输出电压衰减至零的问题，且只能实现奇数次分频。基于此，本文设计出了一种三相输入型阻塞斩波交交变频调速控制方案，采用连续变脉宽斩波处理，拓宽了输出频率，提高了输出电压的正弦度，使之能很好的应用于变频调速系统，并有望在中小容量低速传动领域得到应用。

1 基本原理

单相输入型阻塞斩波交交变频原理如图1所示，采用单相交流调压拓扑，依据面积等效原则，控制全控型器件VT的导通与关断。先让[N]个工频输入电压的正半周通过，负半周阻塞;再让[N]个工频输入电压的负半周通过，正半周阻塞;并在此基础上进行高频斩波处理，最终得到频率与幅值同时可调的输出电压。

2 三相输入型阻塞斩波变频原理

2.1 阻塞变频控制

本文提出的三相输入型阻塞斩波交交变频控制方案，其单相输出时的拓扑结构和原理如图2所示。对图2（a）中的电路进行并联处理即可得到三相输出时的拓扑，由于三相输出互相对称，因此这里只对单相输出的原理进行说明。此时，对阻塞输出电压中的第一个和最后一个波头按照需要进行处理，其余的波头按照120°导通和240°阻塞的原则进行控制，再将输出电压进行拼接，即可实现变频功能。

2.2 斩波调压控制

依据面积等效原理，对图2（e）中的结果进行斩波处理，使得[N]个被高频控制信号斩控后的波头所包围的面积与期望输出电压半个周期内所包围的面积相等，即可实现调压的目的。为了使被斩控后的电压波形更接近于正弦波，本文采用连续变脉宽斩波控制。由于在三相输出时，三者的差别只是在相位上互错[2π/3]，因此在这里只分析[U]相输出的连续变脉宽斩波控制原理，如图3所示。

3 系统建模与仿真

根据上述的原理与控制规律，本文在Matlab2016b/Simulink环境下对三相输入型阻塞斩波交交变频技术带异步电机调速系统进行了仿真分析，仿真中所用的三相异步电机的参数如表1所示。

为了验证本文所提方案的可行性，分别在9分频（5.56Hz）和12分频（4.17Hz）两种频率下，对三相输入型阻塞斩波变频调速系统进行了仿真，仿真结果如图4、图5所示。

从仿真的结果可以看出，在工频三相电源输入的情况下，输出电压的频率与所包络的工频三相电源的波头数成反比变化，输出电压幅值随输出电压频率成正比变化，电机三相定子电流变化合理，转速超调小，转速平滑。在2s突加负载之后，电机的转速出现了下降，随后保持稳定。

4 结束语

经过初步的理论和仿真分析后，证明本文所提的三相输入型阻塞斩波交交变频调速系统是可行的。该系统能实现工频以下的变频调压功能，由于每一相输出都由三相电源作为输入，再采用连续变脉宽的高频阻塞斩波脉冲进行控制，最后进行电压拼接，所以系统的输出波形正弦度更好，输出频率的范围也更宽，使得变频调速的过程更加致密。相较于传统交交变频需要大量晶闸管而言，本文所提拓扑结构在三相输出时只需9个功率器件，具有控制简单，体积小，性价比高等优点。虽然受限于周波控制，本文所提系统的输出频率不能像PWM交直交技术那样连续变化，但也能对50Hz进行任意整数的分频输出，而且成本较低，此综合考虑不失为中小容量电机低频调速、软启动的一种合理方案。

参考文献（References）：

[1] 王兵，刘光天. 节能减排与中国绿色经济增长——基于全要素生产率的视角[J].中国工业经济，2015.5：57-69

[2] 唐雄，李世祥，何通通.我国工业化中的能源问题解决措施研究[J].理论月刊，2013.1：124-128

[3] 王兆安等.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009.15：268

[4] 林渭勋.现代电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.

[5] 韦统振，吴理心，韩立博等.基于超级电容器储能的交直交变频驱动系统制动能量综合回收利用方法研究[J].中国电机工程学报，2014.34（24）：4076-4083

[6] 陈玲，朱虹，纪萍.脉冲阻塞式交交变频系统的动态性能研究[J].天津理工大学学报，2015.31（5）：10-15

[7] 孟彦京，张焕，马汇海等.基于恒压频比交直交无级变频调速方法研究[J].陕西科技大学学报，2017.35（3）：166-170

[8] 崔恒斌，冯晓云，林轩等.牵引网与交直交列车耦合系统谐波谐振特性仿真研究[J].中国电机工程学报，2014.34（16）： 2736-2745

[9] 韦统振，吴理心，韩立博等.基于超级电容器储能的交直交变频驱动系统制动能量综合回收利用方法研究[J].中国电机工程学报，2014.34（24）：4076-4083

[10] Yan Y，Zhao J，Xia C，et al. Direct torque control of matrix converter-fed permanent magnet synchronous motor drives based on master and slave vectors[J]. IET Power Electronics.2015，8;8（2;2）：288-296

[11] 夏長亮，阎彦.矩阵变换器-永磁同步电机系统[J].电工技术学报，2015.30（23）：1-9

[12] 权建洲，吴保芳，孙容磊，等.基于前馈补偿的SPWM矩阵变换器控制策略研究[J].中国电机工程学报，2006.5：88-94

[13] 李玉东，李传伟，王鹏.无速度传感器控制的全功率变流器风电系统研究[J].软件导刊，2019.18（2）：96-99

[14] 李玉东，韩亚，李凯存.三相连续型阻塞式交-交变频调速系统研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2018.37（6）：124-130

[15] 郑诗程，周谦之，曹小虎，等.脉冲阻塞式单相交-交变频原理及PWM控制[J].电工技术学报，2010.25（5）：136-141

[16] 郑诗程，周谦之，武卫华，等.一种新颖的单相交-交变频原理研究及实现[J].高电压技术，2009.35（10）：2503-2508

[17] Zhou Q， Lin J， Liu Y. Chopper-cycloconverters for energy saving in motor control[Z].2008602-607.

[18] 周谦之，武卫华，林建伟.脉冲阻塞式斩波交-交变频技术[J].电工技术学报，2008.23（12）：107-114

[19] Zhou Q，Wu W.AC-AC Conversion with Carrier Frequency of Electric Network And Application Prospect[Z]. 20071564-1568.

[20] 李玉东，李凯存，马星河.两相连续型阻塞式变频调速系统研究[J].测控技术，2017.36（11）：70-74