基于PWM控制的脈沖阻塞式交-交變頻調速系統研究

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作 454003）

0 引言

進入21世紀以來，能源短缺問題日益嚴重，因此節能具有重要意義。其中，變頻節能技術也日益受到人們的關注，發展也較為迅速[1,2]。依據功率變換的模式，可以把當前的變頻系統分為兩類：交-交直接變頻（AC/AC）和交-直-交間接變頻（AC/DC/AC）[3,4]。交-直-交間接變頻具有較好的調速范圍和調速性能，在工業領域中應用廣泛。交-直-交變頻主要由3大部分組成：整流、濾波和逆變。由于濾波環節的存在，況且電解電容的性能和壽命均不太理想；還有輸入功率因數低和諧波含量大等缺點[5～7]；交-交變頻采用SCR的工頻移相方式，采用的功率器件較多，造成了成本相對較高和同時對這么多晶閘管的控制復雜的不利因素[8～10]。

基于此，近年來一些國內的學者提出了基于脈沖阻塞式的交-交變頻原理，可以實現輸出電壓幅值和頻率同時可調[11,12]。本文通過對阻塞原理的研究及分析，提出了基于PWM控制的脈沖阻塞式交-交變頻調速系統。該系統在輸出單相電壓時可以實現基頻以上的變頻，考慮三相輸出電壓的對稱性，輸出三相電壓時可實現基頻及以下變頻，拓寬了輸出電壓的頻率范圍；斬波方式采用SPWM技術使輸出波形更接近于正弦波；并將其應用于交流調速系統上[13,14]；在風機泵類、家用電器的中低速運行時具有實際應用價值。

1 脈沖阻塞式單相交-交變頻原理

傳統交流調壓電路主要利用電力電子器件組成的雙向開關，對輸入的正弦電按照一定的控制規律開通和關斷，即可得到所期望輸出電壓的有效值[3]。斬波控制調壓是交流調壓電路應用較為廣泛的控制策略之一，以PWM控制技術為基礎；利用生成的脈沖序列對功率器件進行開通或關斷使輸出交流信號斬控成相應的脈沖序列，改變脈沖的占空比即可調節輸出電壓有效值的大小,斬波調壓控制只能改變輸出電壓有效值幅值，對輸出電壓的頻率不可調節[10]。針對以上問題，國內的一些學者提出了阻塞式交-交變頻，可實現輸出電壓的變頻調幅，但調頻范圍較窄。因此在脈沖阻塞原理的基礎上，提出了六相輸入單相輸出為例的脈沖阻塞式交-交變頻原理，如圖1所示。

圖1 單相輸出的脈沖阻塞式交-交變頻電路簡圖

由圖1可知，三相網頻電壓經過變壓器以后形成六相電壓作為系統的輸入電壓，通過控制功率器件V1、V2的信號使其按照一定規律交替變換，進而控制開關管的通斷；即截取六相輸入電壓中的1相高于其他5相的若干個連續的電壓波頭使其拼接成輸出電壓。如圖2是以包含3個連續波頭的輸出電壓為例，vi是三相網頻電壓轉換以后形成的六相輸入電壓波形，V1、V2是功率器件的脈沖阻塞信號序列，vo是經阻塞以后的希望輸出的電壓波形，由許多輸入電壓的片段組合而成[15]。

圖2 單相輸出的脈沖阻塞式交-交變頻原理圖

因此，按照一定的控制規律給功率器件相應的脈沖信號使其按照一定的控制規律交替變換，并改變輸出電壓包含的波頭個數M可實現單相輸出電壓的變頻功能。依據控制規律可得單相連續型阻塞式交-交變頻的輸出電壓的頻率f2與輸入電壓頻率f1的關系：

其中M=1，2，3，…，可實現輸出電壓基頻以上的變頻功能。

2 基于PWM的控制規律

按照上述阻塞式控制規律，經阻塞后的輸出電壓實現了變頻功能，但含有較高的諧波分量，不能實現幅值的變化。因此在對輸入電壓阻塞的過程中利用全控型功率器件的特點對其進行高頻斬波控制，以滿足輸出電壓的變頻調速功能。SPWM變脈寬斬波技術讓輸出電壓更接近正弦波，諧波含量較少，適用于電動機的調速系統[12]。其控制原理如圖3所示。

Tc是載波（三角波）的周期，期望的工作電壓峰值為Vom，頻率為f2，周期為T2；輸入電網電壓的峰值為Vim，頻率為f1，周期為T1；高頻斬波時，脈沖的寬度近似于b。設調制波ur為：

a是調制度且0≤a＜1。

圖3 單相輸出時SPWM控制原理圖

將上式推廣到第n個脈沖的寬度為：

在圖3(b)中，設輸入的電壓為vp。

表1 輸出電壓半個周期內輸入電壓的對應值

圖3(b)中斬波后輸出電壓在半個周期內的面積為：

期望輸出電壓半個周期的面積：

由面積面積相等So=Si：

從上述可以得到輸出電壓的幅值與調制度a成正比關系，改變調制度a和輸出電壓半個周期的波頭數M即可實現輸出電壓的變頻調幅。

3 基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統設計

3.1 交-交變頻調速系統設計

根據基于PWM控制的脈沖阻塞式單相交-交變頻的拓撲結構和控制規律，可將其拓展為三相交-交變頻系統，基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統如圖4所示。該系統主要包含主功率電路、控制器（dSPACE）、驅動電路和保護電路、電網電壓相位檢測和調理電路等。

圖4 基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統

控制核心器dSPACE接收電網電壓過零檢測電路輸出的50Hz方波信號，依據脈沖阻塞和PWM斬波控制規律輸出相應的控制脈沖，該脈沖經驅動電路后來驅動主功率電路上的MOSFET器件，即控制主功率電路的運行實現輸出電壓的變頻調幅，從而實現電動機的調速。為了確保該系統能夠正常的運行，在系統中設計了相應的過電壓保護和過電流保護電路。

3.2 電網電壓相位檢測及調理電路設計

由同步變壓器從電網采集電壓，經限流電阻R1送到二極管兩端進入過零比較器LM339N。其輸出信號是與電網同頻率的方波信號，方波信號進入由TL084組成的電壓跟隨器，經調理后的方波信號進入到dSPACE的模數轉換端口（AD6）。

3.3 功率器件驅動電路

該系統需要6個獨立的驅動電路驅動6個功率器件，驅動電路原理僅介紹1個功率器件驅動電路。該驅動電路由光耦隔離6N137和MOSFET專用的驅動芯片UCC37321組成，6N137主要是使主功率電路和控制電路隔離起來，避免主電路的強電進入到控制元件，造成器件損壞[10]。

3.4 硬件保護電路

過電壓信號調理電路如圖7(a)所示，檢測到的電壓信號經過TL084組成的電壓跟隨器送往比較器LM393，與系統設定好的電壓值進行比較。若電壓高于設定的電壓值則P1向控制器輸出過電壓保護信號。同理過電流信號調理電路如圖7(b)所示，由TL084組成的電壓跟隨器和LM393比較器構成，通過調節滑動變阻器可以調節電壓設定值。

圖5 電網電壓相位檢測及調理電路

圖6 功率器件驅動電路

圖7 系統保護電路

考慮輸出三相電壓的對稱性，輸出電壓的頻率與輸入網頻電壓的頻率關系：

隨著輸出電壓波頭數的增加，輸出頻率也隨著減小，依據恒壓頻比的控制規律同時也通過改變調制度來減小輸出電壓的幅值，使符合恒壓頻比的控制規律[16]。

4 仿真結果與分析

根據上述對基于PWM控制的脈沖阻塞式交-交變頻調速系統的原理及相應控制策略的分析，對其應用在三相交-交變頻調速系統上的拓撲結構在MATLAB（Simulink）中建立了仿真模型如圖8所示。

該系統主要由電源模塊、脈沖阻塞控制模塊、高頻斬波控制模塊、主電路模塊和三相異步電動機等組成。電源模塊主要由把三相網頻電壓轉換為六相網頻電壓；脈沖阻塞模塊依據前面介紹的阻塞控制原理設計而成；高頻斬波模塊依據SPWM的控制規律計算而得到；三相異步電動機的參數如表2所示。

圖8 基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統仿真模型

表2 三相異步電動機的參數

為了驗證基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統控制策略的正確性、三相異步電動機響應特性及帶載能力等特性。分別在15波頭（10Hz）和30波頭（5Hz）下對三相異步電動機的運行特性分析，經脈沖阻塞及斬波的輸出電壓波形、三相異步電動機定子電流和轉速如圖9(a)和圖9(b)所示。

從圖9脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統仿真波形可以看出，三相異步電動機的響應較快、運行特性比較穩定，突然加上負載轉速會有相應的下降但可以維持在下降后的速度穩定運行，滿足電動機的調速要求。

5 結論

首先介紹了基于PWM控制的脈沖阻塞式單相交-交變頻的基本原理，通過對其控制策略和拓撲結構的分析，設計了基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統。并建立數學模型進行理論分析，在MATLAB/Smulink環境下對數學模型進行仿真驗證，仿真結果表明了所設計的基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統的可行性。此外，采用PWM變脈寬的斬波控制策略，隨著輸出電壓頻率的降低輸出電壓更接近于正弦波，功率因數較高，適合中小容量電機的低速變頻調速領域。

圖9 脈沖阻塞式三相交-交變頻調速系統仿真波形