三相輸入型阻塞斬波交交變頻技術研究

李玉東 連海山 胡曉丹

摘 ?要： 為使交-交變頻調速系統的優勢得到發揮，以三相電源作為輸入，依據電壓拼接的思想，使用阻塞控制與連續變脈寬斬波控制相結合的策略，提出一種三相輸入型的阻塞斬波交交變頻控制方案，拓寬了輸出頻率的范圍。通過Matlab/Simulink仿真驗證，該方案具有輸出電壓波形正弦度好、帶載能力強等特點。仿真結果和理論分析一致，驗證了三相輸入型阻塞斬波交交變頻調速控制系統的正確性與可行性。

關鍵詞： 阻塞斬波控制; 三相輸入型; 電機調速; Matlab仿真

中圖分類號：TM343 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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

我國作為人口大國，面臨著嚴峻的能源問題，因此節能減排的重要性進一步凸顯，變頻技術是工業生產中實現低能耗、高清潔的發展模式的重要手段[1-2]?，F階段變頻實現手段分為兩大類：交直交變頻與交交變頻[3-4]。交直交變頻系統以PWM逆變為基礎，技術手段已發展的很成熟，在工農業生產中得到廣泛應用[5-9]。但由于交直交變頻存在濾波環節，成本較高[10-13]。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問題[14]。為了克服傳統交交變頻技術中存在的問題，鄭詩程等[15-19]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方案，降低了系統的成本，控制過程簡單，但存在輸出電壓斷續的問題。文獻[20]雖然在此基礎上采用了兩相輸入型控制策略，仍不能避免出現輸出電壓衰減至零的問題，且只能實現奇數次分頻?；诖?，本文設計出了一種三相輸入型阻塞斬波交交變頻調速控制方案，采用連續變脈寬斬波處理，拓寬了輸出頻率，提高了輸出電壓的正弦度，使之能很好的應用于變頻調速系統，并有望在中小容量低速傳動領域得到應用。

1 基本原理

單相輸入型阻塞斬波交交變頻原理如圖1所示，采用單相交流調壓拓撲，依據面積等效原則，控制全控型器件VT的導通與關斷。先讓[N]個工頻輸入電壓的正半周通過，負半周阻塞;再讓[N]個工頻輸入電壓的負半周通過，正半周阻塞;并在此基礎上進行高頻斬波處理，最終得到頻率與幅值同時可調的輸出電壓。

2 三相輸入型阻塞斬波變頻原理

2.1 阻塞變頻控制

本文提出的三相輸入型阻塞斬波交交變頻控制方案，其單相輸出時的拓撲結構和原理如圖2所示。對圖2（a）中的電路進行并聯處理即可得到三相輸出時的拓撲，由于三相輸出互相對稱，因此這里只對單相輸出的原理進行說明。此時，對阻塞輸出電壓中的第一個和最后一個波頭按照需要進行處理，其余的波頭按照120°導通和240°阻塞的原則進行控制，再將輸出電壓進行拼接，即可實現變頻功能。

2.2 斬波調壓控制

依據面積等效原理，對圖2（e）中的結果進行斬波處理，使得[N]個被高頻控制信號斬控后的波頭所包圍的面積與期望輸出電壓半個周期內所包圍的面積相等，即可實現調壓的目的。為了使被斬控后的電壓波形更接近于正弦波，本文采用連續變脈寬斬波控制。由于在三相輸出時，三者的差別只是在相位上互錯[2π/3]，因此在這里只分析[U]相輸出的連續變脈寬斬波控制原理，如圖3所示。

3 系統建模與仿真

根據上述的原理與控制規律，本文在Matlab2016b/Simulink環境下對三相輸入型阻塞斬波交交變頻技術帶異步電機調速系統進行了仿真分析，仿真中所用的三相異步電機的參數如表1所示。

為了驗證本文所提方案的可行性，分別在9分頻（5.56Hz）和12分頻（4.17Hz）兩種頻率下，對三相輸入型阻塞斬波變頻調速系統進行了仿真，仿真結果如圖4、圖5所示。

從仿真的結果可以看出，在工頻三相電源輸入的情況下，輸出電壓的頻率與所包絡的工頻三相電源的波頭數成反比變化，輸出電壓幅值隨輸出電壓頻率成正比變化，電機三相定子電流變化合理，轉速超調小，轉速平滑。在2s突加負載之后，電機的轉速出現了下降，隨后保持穩定。

4 結束語

經過初步的理論和仿真分析后，證明本文所提的三相輸入型阻塞斬波交交變頻調速系統是可行的。該系統能實現工頻以下的變頻調壓功能，由于每一相輸出都由三相電源作為輸入，再采用連續變脈寬的高頻阻塞斬波脈沖進行控制，最后進行電壓拼接，所以系統的輸出波形正弦度更好，輸出頻率的范圍也更寬，使得變頻調速的過程更加致密。相較于傳統交交變頻需要大量晶閘管而言，本文所提拓撲結構在三相輸出時只需9個功率器件，具有控制簡單，體積小，性價比高等優點。雖然受限于周波控制，本文所提系統的輸出頻率不能像PWM交直交技術那樣連續變化，但也能對50Hz進行任意整數的分頻輸出，而且成本較低，此綜合考慮不失為中小容量電機低頻調速、軟啟動的一種合理方案。

參考文獻（References）：

[1] 王兵，劉光天. 節能減排與中國綠色經濟增長——基于全要素生產率的視角[J].中國工業經濟，2015.5：57-69

[2] 唐雄，李世祥，何通通.我國工業化中的能源問題解決措施研究[J].理論月刊，2013.1：124-128

[3] 王兆安等.電力電子技術[M].機械工業出版社，2009.15：268

[4] 林渭勛.現代電力電子技術[M].機械工業出版社，2006.

[5] 韋統振，吳理心，韓立博等.基于超級電容器儲能的交直交變頻驅動系統制動能量綜合回收利用方法研究[J].中國電機工程學報，2014.34（24）：4076-4083

[6] 陳玲，朱虹，紀萍.脈沖阻塞式交交變頻系統的動態性能研究[J].天津理工大學學報，2015.31（5）：10-15

[7] 孟彥京，張煥，馬匯海等.基于恒壓頻比交直交無級變頻調速方法研究[J].陜西科技大學學報，2017.35（3）：166-170

[8] 崔恒斌，馮曉云，林軒等.牽引網與交直交列車耦合系統諧波諧振特性仿真研究[J].中國電機工程學報，2014.34（16）： 2736-2745

[9] 韋統振，吳理心，韓立博等.基于超級電容器儲能的交直交變頻驅動系統制動能量綜合回收利用方法研究[J].中國電機工程學報，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，閻彥.矩陣變換器-永磁同步電機系統[J].電工技術學報，2015.30（23）：1-9

[12] 權建洲，吳保芳，孫容磊，等.基于前饋補償的SPWM矩陣變換器控制策略研究[J].中國電機工程學報，2006.5：88-94

[13] 李玉東，李傳偉，王鵬.無速度傳感器控制的全功率變流器風電系統研究[J].軟件導刊，2019.18（2）：96-99

[14] 李玉東，韓亞，李凱存.三相連續型阻塞式交-交變頻調速系統研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2018.37（6）：124-130

[15] 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[J].電工技術學報，2010.25（5）：136-141

[16] 鄭詩程，周謙之，武衛華，等.一種新穎的單相交-交變頻原理研究及實現[J].高電壓技術，2009.35（10）：2503-2508

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

[18] 周謙之，武衛華，林建偉.脈沖阻塞式斬波交-交變頻技術[J].電工技術學報，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] 李玉東，李凱存，馬星河.兩相連續型阻塞式變頻調速系統研究[J].測控技術，2017.36（11）：70-74