基于脈沖阻塞原理的波頭連續(xù)型三相交-交變頻系統(tǒng)研究

鄭詩程 鄧榮軍 陳 玲

（安徽工業(yè)大學(xué)電力電子與運(yùn)動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 馬鞍山 243032）

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，當(dāng)今世界能源問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能降耗已經(jīng)成為各國共同追求的目標(biāo)。其中，變頻技術(shù)是非常重要的節(jié)能技術(shù)，受到了日益關(guān)注。現(xiàn)有的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，功率變換模式分為交流變直流再變交流（AC-DC-AC）的間接變頻方式和交流變交流（AC-AC）直接變頻方式兩大類。其中，交直交變頻系統(tǒng)以PWM 逆變機(jī)理為基礎(chǔ)[1-3]，可以實(shí)現(xiàn)基頻以上變頻，發(fā)展非常迅速，已形成了多種類型。但交直交間接變頻方式需要設(shè)置中間整流濾波環(huán)節(jié)，并且電解電容的價(jià)格和壽命指標(biāo)均不是很理想；尤其是在可逆運(yùn)行時(shí)，需要設(shè)置兩套PWM 逆變裝置，因而成本和控制復(fù)雜度相應(yīng)上升；同時(shí)，隨著工作頻率的降低，其輸出波形變差。而現(xiàn)有的交交直接變頻器盡管無中間整流濾波環(huán)節(jié)，能方便地實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)和四象限運(yùn)行，但不論Matrix Converter 還是Cycloconverter 也都有功率器件偏多和諧波污染性問題[4,5]。其中，Matrix Converter的換流控制難度偏大；而Cycloconverter 由于采用SCR 工頻移相控制，還兼有低壓低頻段的功率因數(shù)偏低問題，這使得交-交變頻原理優(yōu)于交直交變頻原理的方面難于得到充分的發(fā)揮[6-8]。基于此，本課題對傳統(tǒng)的交-交變頻技術(shù)進(jìn)行了新控制原理探索和研究，提出了一種新型AC-AC 直接變頻技術(shù)，即利用MOSFET 功率器件施加于傳統(tǒng)的三相交流調(diào)壓電路，對其功能改進(jìn)，獲得了輸出電壓幅值和頻率分別或同時(shí)可調(diào)的三相交交變頻（Cycloconverter）電路。最后，設(shè)計(jì)了以FPGA 為控制核心的三相AC-AC系統(tǒng)，和傳統(tǒng)晶閘管移相控制的三相AC-AC 系統(tǒng)相比，本裝置具有成本低、體積小、質(zhì)量輕、控制簡單、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[9,10]。

2 交-交變頻技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)的交-交變頻技術(shù)

傳統(tǒng)的三相交-交變頻電路原理如圖1 所示[1]。三相交-交變頻電路是由三相彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相差120°的單相交-交變頻電路組成。交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)是：只用一次變流，效率較高；可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波。缺點(diǎn)是：線路復(fù)雜，如圖1 所示的三相交-交變頻電路至少要用36 只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；由于采用移相控制，故輸入功率因數(shù)較低，輸入電流諧波含量大。

圖1 輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相交-交變頻電路Fig.1 Three phases AC-AC circuit with the output of star connection

2.2 矩陣式變換器

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，針對傳統(tǒng)交-交變頻電路的缺點(diǎn)，很多科技人員又進(jìn)行了矩陣式交-交變換器的研究。圖2 是矩陣式交-交變頻電路的原理圖。

圖2 矩陣式變換器原理圖Fig.2 Principle of martrix converter

矩陣式變頻電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓為正弦波，輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量能夠雙向流動(dòng)，可用于交流異步電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行；不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。但是，矩陣式變頻電路中所用的開關(guān)器件為雙向功率器件，因此，整個(gè)電路至少需要為18 個(gè)器件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，控制復(fù)雜，控制方法還不算成熟。此外，采用SPWM控制時(shí)，輸出輸入最大電壓比只有0.866。

3 脈沖阻塞式斬波控制交-交變頻基本原理

眾所周知，交流調(diào)壓電路是利用可控的電力電子器件組成雙向開關(guān)，把輸入到負(fù)載的正弦交流電能按一定規(guī)則周期性地接通和關(guān)斷，通過控制一個(gè)周期中通斷時(shí)間的占空比，即可控制輸出到負(fù)載的電壓有效值。其控制方式一般有三種：整周波通斷控制、相位控制和斬波控制[11]。其中，斬波控制就是利用PWM 控制技術(shù)，將交流電壓波形斬控成一系列脈沖波，改變脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。和整周波通斷控制與相位控制相比，斬波控制能夠容易獲得連續(xù)的輸出電壓，并且波形中只含有高次諧波分量。

基于斬波控制的交流調(diào)壓電路雖然具有一些優(yōu)點(diǎn)，但僅僅是獲得幅值可調(diào)的輸出電壓而不能實(shí)現(xiàn)輸出頻率可調(diào)，基于此，本文對傳統(tǒng)的三相斬波調(diào)壓電路進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的三相 AC-AC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3a 所示。同時(shí)，提出了脈沖阻塞式斬波控制方法并施加于該電路，使其功能變性為電壓、頻率分別或同時(shí)可調(diào)的Cycloconverter，相關(guān)原理如圖3b 和圖3c 所示。

圖3 波頭連續(xù)的脈沖阻塞式斬波控制 三相交-交變頻原理Fig.3 Three phases AC-AC principle of chopping control with continuous wave head based on plugged pulse fashion

如果連續(xù)先讓N個(gè)電網(wǎng)電壓的正半波頭通過，負(fù)半波頭阻塞，再連續(xù)讓N個(gè)電網(wǎng)電壓的負(fù)半波頭通過，正半波頭阻塞，即給功率器件G1～G6施加以如圖3b 和圖3c 所示的高頻控制信號(hào)S1～S6，那么圖3a 所示電路中的輸出電壓波形將分別如圖3b 和圖3c 中的Voa、Vob和Voc所示。改變連續(xù)通過功率器件的電網(wǎng)電壓的正負(fù)半波波頭的個(gè)數(shù)N，就可以改變輸出基波電壓的頻率。同時(shí)，改變高頻控制信號(hào)S1～S6的占空比即可以改變輸出電壓的幅值。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的頻率和幅值分別或同時(shí)可調(diào)節(jié)，即傳統(tǒng)的交流調(diào)壓電路變性為Cycoloconverter。

在圖3a中，采用三相六器件構(gòu)成了三相四線制型的AC-AC電路，其輸入電壓為三相電網(wǎng)電壓，頻率通常為fi=50Hz，周期Ti=20ms。功率器件可采用全控型器件如MOSFET、IGBT等，R1、C1構(gòu)成關(guān)斷緩沖電路，用于吸收器件換向過電流和關(guān)斷過電壓，抑制du/dt，以減小關(guān)斷損耗。Ls、R3和二極管VD構(gòu)成開通緩沖電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，從而減小器件的開通損耗。此外，圖3a中采用了π型的CLC結(jié)構(gòu)，通過合理配置CLC參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)器件開通和關(guān)斷時(shí)的濾波、續(xù)流和緩沖兼顧的統(tǒng)一功能，且使開關(guān)的電壓、電流在占空比變化較大的范圍內(nèi)均得到緩沖[10]。

為了滿足輸出電壓的三相對稱關(guān)系，圖3a 所示的波頭連續(xù)型三相交-交變頻電路輸出電壓的基波頻率f0和輸入電網(wǎng)電壓頻率fi的關(guān)系為

式中，N為輸出電壓半周期內(nèi)的網(wǎng)頻波頭個(gè)數(shù)。

4 控制規(guī)律

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，即輸出響應(yīng)波形基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。該原理可以稱之為面積等效原理。

根據(jù)面積等效原理，若要使輸出電壓波形與期望的工作電壓波形等效，則半個(gè)輸出電壓周期內(nèi)包含的N個(gè)經(jīng)過高頻脈沖信號(hào)斬控后的網(wǎng)頻正弦半波包圍的面積之和必須與期望工作電壓波形包圍的面積相等。

脈沖阻塞式斬波控制交交變頻系統(tǒng)具有兩種控制規(guī)律，一種是等脈寬斬波控制，另一種是變脈寬斬波控制[12,13]。圖3b 所示的是等脈寬斬波控制型脈沖阻塞式交-交變頻原理。由圖3b 可知，所謂的等脈寬斬波控制就是指對每個(gè)通過功率器件的輸入電壓的正弦半波（即半個(gè)輸出電壓周期內(nèi)包含的N個(gè)網(wǎng)頻正弦半波）采用相等脈寬（相同的占空比）的高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行斬控，那么，輸出電壓的每個(gè)網(wǎng)頻正弦半波峰值都相等。采用這種等脈寬斬波控制的優(yōu)點(diǎn)是控制規(guī)律簡單，但輸出電壓波形的諧波含量較大。

為了得到正弦度更好的輸出電壓，可將半個(gè)輸出電壓周期內(nèi)包含的N個(gè)網(wǎng)頻正弦半波之間由原先等脈寬高頻脈沖信號(hào)斬控改為按期望工作頻率的正弦規(guī)律的變脈寬高頻脈沖信號(hào)斬控。這樣就可以得到正弦度較好的輸出電壓波形，如圖3c 所示。

基于此，本文分別推導(dǎo)出了等脈寬和變脈寬斬波控制方式下的占空比表達(dá)式。

4.1 等脈寬斬波控制

圖4 是等脈寬斬波控制的面積等效原理圖。

設(shè)期望工作電壓的峰值為Uom，頻率為fo，周期為To，角頻率為ωo，則期望工作電壓波形可表達(dá)為

那么，期望工作電壓波形半個(gè)周期內(nèi)包圍的面積So為

圖4 等脈寬斬波控制的面積等效原理圖Fig.4 Area equivalent scheme of equal pulse width chopping control

由于采用等脈寬控制，期望工作電壓波形半個(gè)周期內(nèi)包含的N個(gè)經(jīng)過高頻脈沖信號(hào)斬控后的網(wǎng)頻正弦半波的形狀是相同的，即

所以，其包圍的面積為

其中

故根據(jù)面積等效原理，有

將式（3）、式（4）和式（5）代入式（6）可得

由式（7）可得

將式（1）及ω=2πf代入式（9）可得

由式（10）可以看出，當(dāng)期望工作電壓波形的峰值和其半個(gè)周期中包含的網(wǎng)頻波頭個(gè)數(shù)N已知時(shí)，就可求出高頻斬控脈沖信號(hào)的占空比D。

4.2 變脈寬斬波控制

圖5 是變脈寬斬波控制的面積等效原理圖。

圖5 變脈寬斬波控制的面積等效原理圖Fig.5 Area equivalent scheme of variable pulse width chopping control

由圖5 可知，輸出電壓波形的第p個(gè)子單元面積Sop可以表示為

其中，p=1，2，3，…，N；q=0，1，2，3，…，N-1。

由式（11）可得

由輸出規(guī)律可知

式中，N為波頭數(shù)。并且有

根據(jù)子單元面積等效可得

即

故可得占空比表達(dá)式如下

其中

綜上可知，在期望工作電壓波形的半個(gè)周期內(nèi)，各個(gè)網(wǎng)頻正弦半波的高頻斬控脈沖信號(hào)的占空比與期望工作電壓波形的峰值成正比。此外，調(diào)節(jié)輸出電壓波形的半個(gè)周期內(nèi)包含網(wǎng)頻正弦半波的個(gè)數(shù)N和高頻斬控脈沖信號(hào)的占空比，就可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)頻和調(diào)壓，從而滿足各種負(fù)載的需求。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述原理和控制規(guī)律，本文在Pspice 環(huán)境下進(jìn)行了三相交-交變頻系統(tǒng)的理論仿真；同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的系統(tǒng)硬件電路，采用Verilog語言完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并以風(fēng)扇作為負(fù)載分別進(jìn)行了等脈寬控制和變脈寬控制實(shí)驗(yàn)，完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由實(shí)驗(yàn)可知，采用上述兩種控制方式時(shí)，負(fù)載均能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；只是采用等脈寬控制方式時(shí)的輸出電壓波形的諧波含量較多。圖6 和圖7分別是采用等脈寬和變脈寬斬波控制時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)波形。

圖6 和圖7 是取波頭數(shù)N=10 即輸出電壓頻率為f0=7.14Hz 時(shí)的輸出電壓波形。由圖6 和圖7 可知，仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形基本一致，并且與理論分析的結(jié)果相同，從而驗(yàn)證了本文提出的變頻原理的正確性和可行性。

圖6 等脈寬斬波控制時(shí)的輸出電壓波形Fig.6 Waveforms of output voltage applying equal pulse width chopping control

圖7 變脈寬斬波控制時(shí)的輸出電壓波形Fig.7 Waveforms of output voltage applying variable pulse width chopping control

6 結(jié)論

根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的基于脈沖阻塞原理的波頭連續(xù)型三相交-交變頻系統(tǒng)是可行的，并且，采用變脈寬斬波控制時(shí)獲得的輸出電壓波形質(zhì)量明顯高于等脈寬斬波控制。此外，隨著輸出頻率的降低，輸出電壓的波形更加接近于理想正弦波。本系統(tǒng)可以用于低速運(yùn)行的場合，且功率因數(shù)較高，所需的功率器件也比傳統(tǒng)的交-交變頻電路要少，控制規(guī)律簡單，適合于中小容量低速變頻傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]王兆安,黃俊.電力電子變流技術(shù)[M].4 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]林渭勛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[3]Vincenti Donato,Jin Hua,Ziogas Phoivos.Design and implementation of a 25kVA three-phase PWM AC line conditioner[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1994,9(4):384-389.

[4]DooYoon Young,Sul SeungKi.Carrier-based modulation technique for matrix converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(6):1691-1703.

[5]Lin Luo Fang,Yang Pan Zhi.Sub-envelope modulation method to reduce total harmonic distortion of AC-AC matrix converters[C].Proceedings of the 1st IEEE Conference on Industrial Electronics,Singapore,2006:823-829.

[6]劉勇,賀益康.矩陣式變換器交-交直接變換控制分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26(2):37-40.Liu Yong,He Yikang.An analysis of AC-AC direct transformation control for the matrix converter[J].Power System Technology,2002,26(2):37-40.

[7]張志學(xué),馬皓.矩陣變換器的電流控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(8):61-66.Zhang Zhixue,Ma hao.Current control strategies for matrix converter[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(8):61-66.

[8]張曉峰,何必,林華,等.矩陣變換器的一種安全換流策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(18):12-17.Zhang Xiaofeng,He Bi,Lin Hua,et al.Safe commutation for strategies for matrix converter[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(18):12-17.

[9]Zhou Qianzhi,Wu Weihua.AC-AC conversion with carrier frequency of electric network and application prospect[C].Proceedings of the 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics,Harbin,2007:1564-1568.

[10]Zhou Qianzhi,Lin Jianwei,Liu Yanfei.Chopper-cycloconverters for energy saving in motor control[C].Proceedings of the 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics,Singapore,2008.

[11]楊蔭福,段善旭,等.電力電子裝置及系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[12]鄭詩程,周謙之,武衛(wèi)華,等.一種新穎的單相交-交變 頻原理研究及實(shí)現(xiàn)[J].高電壓技術(shù),2009,35(10):2503-2508.Zheng Shicheng,Zhou Qianzhi,Wu Weihua,et al.Research and implementation on a novel single phase cycloconverter technology[J].High Voltage Engineering,2009,35(10):2503-2508.

[13]鄭詩程,周謙之,曹小虎,等.脈沖阻塞式單相交-交變頻原理及 PWM 控制研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(5):136-140.Zheng Shicheng,Zhou Qianzhi,Cao Xiaohu,et al.Research on principle of single phase AC-AC converter based on plugged pulse fashion and PWM control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(5):136-140.