六脈波雙變量交——交變頻自然無環流運行方式研究

魯西坤 鞏銀苗 杜慶楠

摘 要：文章對傳統的交 交變頻器的3種運行方式進行了分析比較，指出了各種運行方式的優點與不足，提出了一種基于雙變量控制理論的六脈波交.交變頻器的自然無環流的運行方式，并對該運行方式進行了分析和討論，通過和傳統的交一交變頻器的3種運行方式的對比，文章指出了這種自然無環流運行方式的優點以及可行性，最后，對基于雙變量的六脈波交.交變頻器自然無環流運行方式進行了總結和概括。

關鍵詞：雙變量；交交變頻；自然無環流

傳統的交一交變頻器的主要運行可以分為有環流運行方式無環流與運行方式[1]。有環流的運行方式，有比較大的環流流過變頻器的正組、負組晶閘管，這種情況可以在負載不連續時使變流器的電流保持連續，這樣不但可以減小輸出電壓的諧波分量，而且可以大大簡化控制方案，提高系統的動態性能和穩態性能。但是，有環流運行方式需要在兩組晶閘管之間串入環流電抗器來限制環流。由于環流電抗器笨重且昂貴，這樣就增加了系統設備投資，最重要的是降低了系統的運行效率，故而在實際運用時，受到了一定的限制。

無環流運行方式按照實現無環流的具體方式，可以分為錯位控制無環流和邏輯控制無環流兩種運行方式[2]。邏輯控制無環流是應用邏輯控制裝置或執行邏輯閉鎖程序，在開放一組晶閘管觸發脈沖的同時，封鎖另一組晶閘管的觸發脈沖，進而從根本上切斷系統的環流通路，形成既無直流環流又無脈動環流的系統。但是邏輯控制無環流方式需要檢測電流過零時刻，從而形成對正組，反組晶閘管觸發脈沖的開放和封鎖，所以會存在死區。錯位控制無環流方式就是采用a>β工作制，使得兩組晶閘管觸發脈沖的相位錯開很遠，這樣在待逆變的觸發脈沖到來時，該組晶閘管已經處于反向阻斷狀態，不可能導通，不會形成環流，錯位控制無環流不需要檢測零電流，但是隨著系統輸出電壓的減小，死區增加，對系統極為不利。

因此，有環流運行方式和無環流運行方式都存在著不足之處，有待于進一步完善。本文中所提出的自然無環流運行方式，是基于雙變量控制理論的新型運行方式，實驗汪明，該運行方式可以克服傳統的交一交變頻器存在的換流的缺點，是一種較好的運行方式。

1 雙變量控制理論

所謂的雙變量控制理論，就是在對原有的單變量控制角α進行精確控制的基礎上，增加了對新變量脈沖寬度β的控制，該控制理論的關鍵在于對觸發脈沖的后沿進行控制[3]。其中α角的控制方法不變；變量β的主要作用是閉鎖可能出現的各種環流條件和引導電流換向，改變量與負載的大小和性質、輸出頻率、α角以及電源的瞬時值等因素有關，是從實際電流的換流范圍和保證實現自然換流的條件得到的Ⅲ。

六相輸入、三相輸出的交一交變頻器的符號圖案如圖l所示，其輸入輸出關系如下式。

并在此作如下規定：平均輸出電壓為0時對應的函數。為基本存在函數，經調制后的存在函數為，兩者的表達式分別如下：

式中：p-輸出相號；

q-輸入相號；

Ti——輸入電壓的周期；

to—正型和負型過渡時的修正時間，通常為Ti/2的整數倍；

M（t）-調制函數，實際為觸發控制角，并且在M（t）=0時，系統輸出電壓為0；在M（t）>0時，系統處于整流狀態；在M（t）<0時，系統處于逆變狀態N（t）—導通函數，即導通角，在雙變量控制理論中，存在函數脈沖序列的前沿由調制函數決定，實際上也是觸發脈沖的前沿，其確定方法與單變量理論相同。調制函數脈沖序列的后沿由導通函數來決定，但是導通函數不決定觸發脈沖的后沿。在這里必須滿足N（t）≥b（t），通過控制脈沖序列的后沿來有效地控制輸入片段之間的切換，從而減少切換過程引起的功率損耗。

因此，雙變量控制理論實質上就是M（t）和b（t）的控制理論。實際的觸發脈沖函數P可以改寫為：

2 雙變量下的自然無環流運行方式

通過以上分析可知，調制函數M（t）和導通函數b（t）是雙變量控制理論中自然無環流運行方式的關鍵。這里決定觸發時刻的方法就是常用的余弦交截法；決定觸發脈沖寬度的方法則是從實際電流的換流范圍來考慮的，是在保證能夠實現自然換流的前提下得出的[5-6]。

為了實現自然無環流的工作方式，減小換流死區，減少余弦交截法中不可避免的諧波分量，使電機在變頻運行時也能獲得一個良好的工作狀態，觸發角α和脈沖寬度β可根據實際情況稍微進行調整。其基本控制原則可以概括為以下兩點[7-9]。

（l）必須滿足晶閘管的導通條件，即晶閘管必須有觸發脈沖和電壓降存在（正組晶閘管單通必須有正向壓降，發組晶閘管導通必須有反向壓降，電流為零時不受影響）。

（2）想要實現電流反向，必須控制觸發脈沖的寬度β，以實現自然無環流。

下面以三分頻全壓為例，介紹六脈波雙變量交一交變頻自然無環流運行方式的基本原理。

2.1選取觸發的時刻

為了提高系統的輸出電壓波形的正弦度和對稱性，本文采用余弦交截法來計算晶閘管的觸發時刻，以期實現系統自然無環流運行。其具體觸發時刻如圖2-3所示，規律如下[l0].

（l）正組晶閘管觸發時刻定義為其基波與同步波下降沿的交點，并且滿足晶閘管的導通條件。

（2）負組晶閘管觸發時刻定義為基波與同步波上升沿的交點，并且滿足晶閘管的導通條件。

因此可以保證，在一定范圍內（全壓時30?-90?，三分壓時60?-90?）系統在自然無環流方式下工作，電機空載時沒有環流。如果在電源側加變壓器，而系統采用全壓方式來變頻，則系統可以在30?-90?的功率角范圍內下沒有環流，但不能保證系統在l到0的功率因數內都能夠以自然無環流方式運行。綜上所述，僅依靠改變觸發角來擴大自然無環流的范圍是行不通的。

2.2確定觸發脈沖的寬度

如何在觸發規律改變之前，解決電流換向產生的環流問題，是自然無環流運行方式的關鍵，而解決這一問題的主要途徑是控制脈沖寬度。具體的原則為：假如系統的電流在設定的觸發規律改變之前就到達零點，這時就在電流達到零的這一時刻，切斷本組晶閘管脈沖，使其自然關斷，從而消除了反向導通的可能性，從而實現系統的自然換相[11]。

實際上，脈沖寬度的確定在不同情況下也會不同：不需要換向的時刻，只要滿足晶閘管正常的導通需求就可以；在電流需要換向時刻，則必須保證觸發脈沖足夠寬，從而使系統的輸出電流，能夠在同一相上的兩個晶閘管之間自然換向。另外，系統中還需要對觸發脈沖進行一些限制，來保證系統的輸出電壓的正弦度。在實現換流的范圍內，觸發脈沖的寬度應滿足以下兩種情況：（1）讓電流在本組之間實現換流。（2）讓電流相鄰導通的兩組晶閘管之間實現換流。

在系統中加入電流監測和小電流檢測模塊，當電流監測環節監測到系統設定的電流將要換向的信號后，系統開始捕捉外電路發出的換向信號，捕捉到換向信號后，即認為在此刻電流要換向，系統立即在當前導通的晶閘管組實施換向，從而實現系統的自然無環流運行。其具體實現時序如圖4所示。

假如系統從t時刻監測到系統要換流的信號，系統開始捕捉是否有換向信號，如果檢測到換向信號，則立即發出換向指示，使c-觸發，并開始計算下一組晶閘管的觸發時刻；如果系統在tl-t，時間內檢測不到換向信號，則在t2刻觸發D+，系統繼續檢測是否有換向信號，假設剛好在t2時刻檢測到換向信號，則立即給換向指示，將D-觸發，并開始計算下一組晶閘管的觸發時刻；另外，為了保障系統的安全，假如系統到達t4時刻，仍未檢測到換向信號，則在t5=t4+0.000 1 s時刻，強制給一個換向指示，觸發E-，從而避免系統出現換流失敗，實現系統的自然無環流運行。

3結語

由以上分析可知，基于雙變量理論的六脈波交一交變頻器自然無環流運行方式，關鍵點就是利用了晶閘管自身過零點關斷的特點，來實現系統自然無環流的工作方式的。該運行方式無需過流檢測，可直接通過觸發脈沖來控制輸出電壓和電流的波形，在一定程度上簡化了系統結構，降低了制造變頻器的生產成本。采用自然無環流運行方式的交一交變頻器比較適用于中小功率的場合。另外，由于同一頻率下各個觸發時刻固定，而觸發點的對稱性又較好，所以該運行方式得到的輸出電壓波形的對稱度較好，輸出電壓具有主峰（也就是大波頭），其容差能力較強，觸發時刻產生的誤差對此主峰的影響較小，所以該運行方式對控制的精確度要求較低。

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