（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作 454003）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源短缺問題日益嚴(yán)重，因此節(jié)能具有重要意義。其中，變頻節(jié)能技術(shù)也日益受到人們的關(guān)注，發(fā)展也較為迅速[1,2]。依據(jù)功率變換的模式，可以把當(dāng)前的變頻系統(tǒng)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(diào)速范圍和調(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)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(huán)節(jié)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(shù)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(fù)雜的不利因素[8～10]。

基于此，近年來一些國內(nèi)的學(xué)者提出了基于脈沖阻塞式的交-交變頻原理，可以實現(xiàn)輸出電壓幅值和頻率同時可調(diào)[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(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)在輸出單相電壓時可以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)使輸出波形更接近于正弦波；并將其應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)上[13,14]；在風(fēng)機(jī)泵類、家用電器的中低速運(yùn)行時具有實際應(yīng)用價值。

1 脈沖阻塞式單相交-交變頻原理

傳統(tǒng)交流調(diào)壓電路主要利用電力電子器件組成的雙向開關(guān)，對輸入的正弦電按照一定的控制規(guī)律開通和關(guān)斷，即可得到所期望輸出電壓的有效值[3]。斬波控制調(diào)壓是交流調(diào)壓電路應(yīng)用較為廣泛的控制策略之一，以PWM控制技術(shù)為基礎(chǔ)；利用生成的脈沖序列對功率器件進(jìn)行開通或關(guān)斷使輸出交流信號斬控成相應(yīng)的脈沖序列，改變脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的大小,斬波調(diào)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(diào)節(jié)[10]。針對以上問題，國內(nèi)的一些學(xué)者提出了阻塞式交-交變頻，可實現(xiàn)輸出電壓的變頻調(diào)幅，但調(diào)頻范圍較窄。因此在脈沖阻塞原理的基礎(chǔ)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(wǎng)頻電壓經(jīng)過變壓器以后形成六相電壓作為系統(tǒng)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(guī)律交替變換，進(jìn)而控制開關(guān)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(xù)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(xù)波頭的輸出電壓為例，vi是三相網(wǎng)頻電壓轉(zhuǎn)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(jīng)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(guī)律給功率器件相應(yīng)的脈沖信號使其按照一定的控制規(guī)律交替變換，并改變輸出電壓包含的波頭個數(shù)M可實現(xiàn)單相輸出電壓的變頻功能。依據(jù)控制規(guī)律可得單相連續(xù)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(guān)系：

其中M=1，2，3，…，可實現(xiàn)輸出電壓基頻以上的變頻功能。

2 基于PWM的控制規(guī)律

按照上述阻塞式控制規(guī)律，經(jīng)阻塞后的輸出電壓實現(xiàn)了變頻功能，但含有較高的諧波分量，不能實現(xiàn)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(jìn)行高頻斬波控制，以滿足輸出電壓的變頻調(diào)速功能。SPWM變脈寬斬波技術(shù)讓輸出電壓更接近正弦波，諧波含量較少，適用于電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)[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(wǎng)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(shè)調(diào)制波ur為：

a是調(diào)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(shè)輸入的電壓為vp。

表1 輸出電壓半個周期內(nèi)輸入電壓的對應(yīng)值

圖3(b)中斬波后輸出電壓在半個周期內(nèi)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(diào)制度a成正比關(guān)系，改變調(diào)制度a和輸出電壓半個周期的波頭數(shù)M即可實現(xiàn)輸出電壓的變頻調(diào)幅。

3 基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

3.1 交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)基于PWM控制的脈沖阻塞式單相交-交變頻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制規(guī)律，可將其拓展為三相交-交變頻系統(tǒng)，基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)主要包含主功率電路、控制器（dSPACE）、驅(qū)動電路和保護(hù)電路、電網(wǎng)電壓相位檢測和調(diào)理電路等。

圖4 基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

控制核心器dSPACE接收電網(wǎng)電壓過零檢測電路輸出的50Hz方波信號，依據(jù)脈沖阻塞和PWM斬波控制規(guī)律輸出相應(yīng)的控制脈沖，該脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后來驅(qū)動主功率電路上的MOSFET器件，即控制主功率電路的運(yùn)行實現(xiàn)輸出電壓的變頻調(diào)幅，從而實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速。為了確保該系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，在系統(tǒng)中設(shè)計了相應(yīng)的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)電路。

3.2 電網(wǎng)電壓相位檢測及調(diào)理電路設(shè)計

由同步變壓器從電網(wǎng)采集電壓，經(jīng)限流電阻R1送到二極管兩端進(jìn)入過零比較器LM339N。其輸出信號是與電網(wǎng)同頻率的方波信號，方波信號進(jìn)入由TL084組成的電壓跟隨器，經(jīng)調(diào)理后的方波信號進(jìn)入到dSPACE的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口（AD6）。

3.3 功率器件驅(qū)動電路

該系統(tǒng)需要6個獨立的驅(qū)動電路驅(qū)動6個功率器件，驅(qū)動電路原理僅介紹1個功率器件驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路由光耦隔離6N137和MOSFET專用的驅(qū)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(qiáng)電進(jìn)入到控制元件，造成器件損壞[10]。

3.4 硬件保護(hù)電路

過電壓信號調(diào)理電路如圖7(a)所示，檢測到的電壓信號經(jīng)過TL084組成的電壓跟隨器送往比較器LM393，與系統(tǒng)設(shè)定好的電壓值進(jìn)行比較。若電壓高于設(shè)定的電壓值則P1向控制器輸出過電壓保護(hù)信號。同理過電流信號調(diào)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(gòu)成，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器可以調(diào)節(jié)電壓設(shè)定值。

圖5 電網(wǎng)電壓相位檢測及調(diào)理電路

圖6 功率器件驅(qū)動電路

圖7 系統(tǒng)保護(hù)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(wǎng)頻電壓的頻率關(guān)系：

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

4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述對基于PWM控制的脈沖阻塞式交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及相應(yīng)控制策略的分析，對其應(yīng)用在三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在MATLAB（Simulink）中建立了仿真模型如圖8所示。

該系統(tǒng)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(jī)等組成。電源模塊主要由把三相網(wǎng)頻電壓轉(zhuǎn)換為六相網(wǎng)頻電壓；脈沖阻塞模塊依據(jù)前面介紹的阻塞控制原理設(shè)計而成；高頻斬波模塊依據(jù)SPWM的控制規(guī)律計算而得到；三相異步電動機(jī)的參數(shù)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(diào)速系統(tǒng)仿真模型

表2 三相異步電動機(jī)的參數(shù)

為了驗證基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)控制策略的正確性、三相異步電動機(jī)響應(yīng)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(jī)的運(yùn)行特性分析，經(jīng)脈沖阻塞及斬波的輸出電壓波形、三相異步電動機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)仿真波形可以看出，三相異步電動機(jī)的響應(yīng)較快、運(yùn)行特性比較穩(wěn)定，突然加上負(fù)載轉(zhuǎn)速會有相應(yīng)的下降但可以維持在下降后的速度穩(wěn)定運(yùn)行，滿足電動機(jī)的調(diào)速要求。

5 結(jié)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計了基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，在MATLAB/Smulink環(huán)境下對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計的基于PWM控制的脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)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(shù)較高，適合中小容量電機(jī)的低速變頻調(diào)速領(lǐng)域。

圖9 脈沖阻塞式三相交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真波形