三相輸入型阻塞式交交變頻電源

李玉東，連海山，胡曉丹

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454003)

我國作為世界人口大國，面臨的能源問題日益嚴峻。變頻技術作為一種低耗、清潔的手段，在工業生產中得到了廣泛應用[1-2]。目前變頻技術主要分為：交直交變頻、交交變頻與矩陣變換器[3-4]。交直交變頻系統以PWM(Pulse Width Modulation)逆變為基礎，是目前發展最為成熟的一種變頻技術，但是由于其交直交變頻存在濾波環節，所以成本較高[5-8]。交交變頻技術無中間直流環節，功率可以雙向流動。傳統交交變頻技術仍然以晶閘管等半控型器件為主，采用移相控制的策略，所需用到的功率器件偏多，存在功率因數較低與諧波污染等諸多問題[9-11]。矩陣變換器則因為存在換流困難、成本高等問題而沒有在實際生產中得到大范圍應用[12-14]。

為了克服傳統交交變頻技術中存在的問題，一些學者提出了交流斬波調壓拓撲結構與高頻阻塞斬波控制脈沖相結合的變頻控制策略。該策略雖然降低了系統的成本，且控制過程簡單，但存在輸出電壓斷續的問題[15]。基于此，本文設計了一種三相輸入型阻塞斬波交交變頻電源，該系統具有控制簡單、體積小、性價比高的特點。

1 系統原理

三相輸入型阻塞斬波交交變頻系統的電路拓撲結構如圖1所示，其包括三相工頻交流電源、3組由4個快恢復二極管和1個Mosfet組成的雙向交流開關以及負載。通過控制算法產生觸發脈沖，控制每組雙向交流開關中Mosfet的開通與關斷，可以實現系統所帶負載兩端輸出電壓頻率和幅值分別可調的目的。

圖1 三相輸入型阻塞斬波交交變頻電路Figure 1. Three-phase input type blocking chopper crossover inverter circuit

1.1 阻塞變頻控制原理

系統阻塞變頻的原理如圖2所示，圖中虛線為三相工頻交流電輸入。分別使三相交流電源的若干個工頻正半周的波頭120°導通，再讓其若干個工頻負半周的波頭120°導通，最后通過電路結構上的并聯處理，使這些處理過的輸出電壓拼接起來，最終實現變頻功能。

(a)

(b)

(c)

(d)圖2 阻塞變頻控制原理(輸出頻率10 Hz)(a)VT1支路輸出電壓波形 (b)VT2支路輸出電壓波形(c)VT3支路輸出電壓波形 (d)拼接后輸出電壓波形Figure 2. Blocking frequency control principle (Output frequency: 10 Hz)(a) VT1 branch output voltage waveform (b) VT2 branch output voltage waveform (c) VT3 branch output voltage waveform (d) Output voltage waveform after splicing

通過圖2可以得出阻塞控制規律為

(1)

式中，N為半個期望輸出周期所包絡的波頭數；M為分頻系數；fo為輸出電壓頻率；fi為輸入工頻電壓頻率。

1.2 斬波調壓控制原理

依據面積等效原理，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同[16]。對阻塞后的輸出電壓波形施加高頻脈沖進行斬控，使得斬控后的波形與期望輸出電壓波形在每個波頭下的面積相等，從而達到調壓的目的。其原理如圖3所示。

(a)

(b)

(c)圖3 斬波調壓控制原理(輸出頻率10 Hz)(a)經高頻脈沖斬控后的工頻正弦電壓 (b)經高頻脈沖斬控后輸出電壓正半周波形(c)期望輸出電壓正半周波形Figure 3. Chopper regulation control principle (Output frequency: 10 Hz)(a) Sine voltage of the operating frequency after high frequency pulse chopping (b) Positive half-period waveform of the output voltage after high frequency pulse chopping (c) Positive half-period waveform of the desired output voltage

設工頻輸入電壓的幅值為Vim，頻率為fi，周期為Ti，角頻率為ωi，則輸入電壓的表達式為式(2)。

ui=Vimsin(ωit)

(2)

在圖3(a)中，高頻脈沖的頻率為fs，周期為Ts，第m個高頻脈沖的占空比為Dm，則第m個積分單元的面積S′im為

(3)

由式(3)可以看出，每個經過高頻脈沖斬控后的工頻正弦電壓所包圍的面積僅與占空比Dm有關，但二者的關系不是線性的，這加大了計算的復雜性。因此本文采用一種近似計算，即每個積分單元的曲邊梯形面積SABCE用其所包含的矩形面積SABCD來代替。經過近似計算后，第m個積分單元的面積Sim為式(4)。

Sim=DmTsVimsin[ωi(m-1)Ts]

(4)

設期望輸出電壓的幅值為Vom，頻率為fo，周期為To，角頻率為ωo，則期望輸出電壓的表達式為式(5)。

uo=Vomsin(ωot)

(5)

從圖3(c)中可以看出，期望輸出電壓對應的第p個波頭下的面積Sop為

(6)

式中，p=1,2,3,…,N；k=1,2,3,…,N。

由式(4)可知，第p個波頭下經過高頻脈沖斬控后的實際輸出電壓的面積Sip為

(7)

依據面積等效原理有

Sip=Sop

(8)

將式(6)和式(7)帶入式(8)，得式(9)。

(9)

由式(9)可以看出，輸出電壓的幅值Vom與占空比Dp有關，再結合阻塞變頻原理，通過控制期望輸出電壓半個周期內所包含的波頭數N與每個波頭下的占空比Dp，即可達到輸出電壓的頻率和幅值同時可調的功能。

2 系統仿真與整體設計

根據上述原理與控制規律，本文在MATLAB 2016b/Simulink環境下對三相輸入型阻塞斬波交交變頻系統進行了仿真分析，系統的仿真結構框圖如圖4所示。

圖4 系統仿真框圖Figure 4. System simulation block diagram

仿真模型主要由頻率轉換模塊(Switch)、三相電源模塊(Source)、阻塞控制模塊(Zuse)、斬波控制模塊(Zhanbo)、主電路模塊(Main Circuit)、負載(Load)等組成。其中，三相電源模塊輸出峰值為311 V，頻率為50 Hz的工頻電壓；阻塞控制模塊根據給定的分頻系數對三相輸入電源進行控制，實現變頻功能；斬波模塊依據面積等效原理和恒壓頻比原理，通過高頻脈沖對阻塞后的輸出電壓進行斬波調壓處理。

系統在輸出頻率為10 Hz(5分頻)的仿真結果如圖5所示，可以看出仿真結果與理論分析一致。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)圖5 仿真結果(a)VT1支路輸出電壓仿真結果 (b)VT2支路輸出電壓仿真結果 (c)VT3支路輸出電壓仿真結果 (d)拼接后輸出電壓仿真結果 (e)斬波后輸出電壓仿真結果Figure 5. Simulation results(a) Simulation results of VT1 branch output voltage (b) Simulation results of VT2 branch output voltage (c) Simulation results of VT3 branch output voltage (d) Simulation results of output voltage after splicing (e) Simulation results of output voltage after chopping

三相輸入型阻塞式交交變頻系統的整體結構如圖6所示，主要由控制器dSPACE、相位檢測電路、驅動電路、主功率電路組成。

圖6 系統結構圖Figure 6. System structure diagram

dSPACE實時仿真系統是德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試的實驗設備，該設備可以與MATLAB/Simulink實現無縫對接，并根據MATLAB中所建立的離線仿真模型進行代碼編譯，再通過其外圍接口電路控制硬件平臺，所以易于調試控制策略，且產品開發周期較短。相位檢測電路使用220 V/9 V變壓器作電壓隔離，再通過LM339構成的過零比較器，將三相工頻輸入電壓轉化為同頻率的方波，并將此方波信號送入到dSPACE的A/D采樣通道。在PC上通過MATLAB/Simulink對采樣到的工頻方波進行調制后產生需要的控制脈沖，并通過dSPACE的數字I/O口輸出給驅動電路的輸入端。dSPACE的控制信號通過其數字I/O口發出，但是此信號不能直接控制全控型功率器件Mosfet，需要經過功率器件驅動電路后才能接入到主電路中Mosfet的GS兩端，來控制Mosfet的通斷。主功率電路如圖1所示，三組雙向交流開關由Mosfet(IRF740)和快恢復二極管(HFA15TB60)構成。

因為系統中所采用的每個功率器件的驅動電路原理都是一樣的，所以本文只介紹其中1條功率器件驅動電路的原理。功率器件驅動電路采用了高速光耦芯片6N137和Mosfet專用驅動芯片UCC37321組合的方案，原理如圖7所示。其中6N137實現了主電路和控制電路之間的電氣隔離。UCC37321是Mosfet專用驅動芯片，具有輸出阻抗低、延遲時間短和較高峰值的電流驅動能力，同時上升和下降速度迅速且芯片成本較低，可以滿足IRF740開關管的觸發信號幅值需求。

圖7 功率器件驅動電路原理圖Figure 7. Schematic of power device driver circuit

3 實驗結果分析

經過理論分析與仿真驗證后，搭建了如圖8所示的實驗樣機硬件平臺，并依靠dSPACE半實物仿真平臺分別對輸出頻率10 Hz(5分頻)和7.14 Hz(7分頻)兩種情況進行了實驗。斬波頻率為2.5 kHz，LC低通濾波的參數分別為L=5 mH，C=4.7 μF。通過GWINSTEK示波器對實驗結果進行觀測，實驗結果如圖9～圖11所示。

圖8 實驗樣機Figure 8. Experimental prototype

(a)

(b)圖9 阻塞輸出電壓波形(a)阻塞輸出波形(10 Hz)(b)阻塞輸出波形(7.14 Hz)Figure 9. Blocking output voltage waveform(a) Blocking output waveform (10 Hz) (b) Blocking output waveform (7.14 Hz)

(a)

(b)圖10 阻塞斬波輸出電壓波形(a)阻塞斬波輸出波形(10 Hz)(b)阻塞斬波輸出波形(7.14 Hz)Figure 10. Blocking chopper output voltage waveform(a) Blocking chopper output waveform (10 Hz) (b) Blocking chopper output waveform (7.14 Hz)

從圖9中可以看出，隨著每半個期望輸出周期內所包絡的工頻半波波頭數N的增加，系統的輸出頻率也隨之降低。改變離線仿真模型中分頻系數的參數，即可達到控制系統輸出頻率的目的。圖10的結果為經過高頻PWM斬波后的輸出波形，再經過簡單的LC低通濾波后就得到了如圖11所示的波形。可以看出，圖11中濾波后的輸出電壓波形有較好的正弦特性，并且通過設置不同的占空比D可以達到控制輸出電壓幅值的目的。控制MATLAB離線仿真模型中的分頻系數與占空比即可分別控制系統輸出電壓的頻率和幅值。實驗結果與理論分析一致，驗證了本文所設計的三相輸入型阻塞式交交變頻電源的正確性與可行性。此外，由于采用了高頻的PWM斬波調壓策略，系統所需的LC濾波器的體積和成本也得到了進一步控制。

(a)

(b)圖11 濾波后輸出波形(a)濾波后輸出波形(10 Hz，D=0.7)(b)濾波后輸出波形(7.14 Hz，D=0.4)Figure 11. Output waveform after filtering(a) Filtered output waveform (10 Hz, D=0.7) (b) Filtered output waveform (7.14 Hz, D=0.4)

4 結束語

本文在傳統交流斬波調壓拓撲基礎上設計了一種三相輸入單相輸出的交交變頻控制方案。仿真與實驗結果驗證了本文所提系統的正確性與可行性。與傳統相控式的SCR交交變頻相比，新方法中使用的功率器件更少，且本文所設計系統使用的是Mosfet斬波變頻，輸出電壓的正弦度更好，諧波污染小。與交直交變頻技術相比，本文所提方法省去了中間直流環節，控制了成本。目前大多數家用電器為單相交流電機，本方案為單相交流電機低頻調速或風機、水泵調速提供了更優的選擇。