三相输入型阻塞式交交变频电源

李玉东，连海山，胡晓丹

(河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454003)

我国作为世界人口大国，面临的能源问题日益严峻。变频技术作为一种低耗、清洁的手段，在工业生产中得到了广泛应用[1-2]。目前变频技术主要分为：交直交变频、交交变频与矩阵变换器[3-4]。交直交变频系统以PWM(Pulse Width Modulation)逆变为基础，是目前发展最为成熟的一种变频技术，但是由于其交直交变频存在滤波环节，所以成本较高[5-8]。交交变频技术无中间直流环节，功率可以双向流动。传统交交变频技术仍然以晶闸管等半控型器件为主，采用移相控制的策略，所需用到的功率器件偏多，存在功率因数较低与谐波污染等诸多问题[9-11]。矩阵变换器则因为存在换流困难、成本高等问题而没有在实际生产中得到大范围应用[12-14]。

为了克服传统交交变频技术中存在的问题，一些学者提出了交流斩波调压拓扑结构与高频阻塞斩波控制脉冲相结合的变频控制策略。该策略虽然降低了系统的成本，且控制过程简单，但存在输出电压断续的问题[15]。基于此，本文设计了一种三相输入型阻塞斩波交交变频电源，该系统具有控制简单、体积小、性价比高的特点。

1 系统原理

三相输入型阻塞斩波交交变频系统的电路拓扑结构如图1所示，其包括三相工频交流电源、3组由4个快恢复二极管和1个Mosfet组成的双向交流开关以及负载。通过控制算法产生触发脉冲，控制每组双向交流开关中Mosfet的开通与关断，可以实现系统所带负载两端输出电压频率和幅值分别可调的目的。

图1 三相输入型阻塞斩波交交变频电路Figure 1. Three-phase input type blocking chopper crossover inverter circuit

1.1 阻塞变频控制原理

系统阻塞变频的原理如图2所示，图中虚线为三相工频交流电输入。分别使三相交流电源的若干个工频正半周的波头120°导通，再让其若干个工频负半周的波头120°导通，最后通过电路结构上的并联处理，使这些处理过的输出电压拼接起来，最终实现变频功能。

(a)

(b)

(c)

(d)图2 阻塞变频控制原理(输出频率10 Hz)(a)VT1支路输出电压波形 (b)VT2支路输出电压波形(c)VT3支路输出电压波形 (d)拼接后输出电压波形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

通过图2可以得出阻塞控制规律为

(1)

式中，N为半个期望输出周期所包络的波头数；M为分频系数；fo为输出电压频率；fi为输入工频电压频率。

1.2 斩波调压控制原理

依据面积等效原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同[16]。对阻塞后的输出电压波形施加高频脉冲进行斩控，使得斩控后的波形与期望输出电压波形在每个波头下的面积相等，从而达到调压的目的。其原理如图3所示。

(a)

(b)

(c)图3 斩波调压控制原理(输出频率10 Hz)(a)经高频脉冲斩控后的工频正弦电压 (b)经高频脉冲斩控后输出电压正半周波形(c)期望输出电压正半周波形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

设工频输入电压的幅值为Vim，频率为fi，周期为Ti，角频率为ωi，则输入电压的表达式为式(2)。

ui=Vimsin(ωit)

(2)

在图3(a)中，高频脉冲的频率为fs，周期为Ts，第m个高频脉冲的占空比为Dm，则第m个积分单元的面积S′im为

(3)

由式(3)可以看出，每个经过高频脉冲斩控后的工频正弦电压所包围的面积仅与占空比Dm有关，但二者的关系不是线性的，这加大了计算的复杂性。因此本文采用一种近似计算，即每个积分单元的曲边梯形面积SABCE用其所包含的矩形面积SABCD来代替。经过近似计算后，第m个积分单元的面积Sim为式(4)。

Sim=DmTsVimsin[ωi(m-1)Ts]

(4)

设期望输出电压的幅值为Vom，频率为fo，周期为To，角频率为ωo，则期望输出电压的表达式为式(5)。

uo=Vomsin(ωot)

(5)

从图3(c)中可以看出，期望输出电压对应的第p个波头下的面积Sop为

(6)

式中，p=1,2,3,…,N；k=1,2,3,…,N。

由式(4)可知，第p个波头下经过高频脉冲斩控后的实际输出电压的面积Sip为

(7)

依据面积等效原理有

Sip=Sop

(8)

将式(6)和式(7)带入式(8)，得式(9)。

(9)

由式(9)可以看出，输出电压的幅值Vom与占空比Dp有关，再结合阻塞变频原理，通过控制期望输出电压半个周期内所包含的波头数N与每个波头下的占空比Dp，即可达到输出电压的频率和幅值同时可调的功能。

2 系统仿真与整体设计

根据上述原理与控制规律，本文在MATLAB 2016b/Simulink环境下对三相输入型阻塞斩波交交变频系统进行了仿真分析，系统的仿真结构框图如图4所示。

图4 系统仿真框图Figure 4. System simulation block diagram

仿真模型主要由频率转换模块(Switch)、三相电源模块(Source)、阻塞控制模块(Zuse)、斩波控制模块(Zhanbo)、主电路模块(Main Circuit)、负载(Load)等组成。其中，三相电源模块输出峰值为311 V，频率为50 Hz的工频电压；阻塞控制模块根据给定的分频系数对三相输入电源进行控制，实现变频功能；斩波模块依据面积等效原理和恒压频比原理，通过高频脉冲对阻塞后的输出电压进行斩波调压处理。

系统在输出频率为10 Hz(5分频)的仿真结果如图5所示，可以看出仿真结果与理论分析一致。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)图5 仿真结果(a)VT1支路输出电压仿真结果 (b)VT2支路输出电压仿真结果 (c)VT3支路输出电压仿真结果 (d)拼接后输出电压仿真结果 (e)斩波后输出电压仿真结果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

三相输入型阻塞式交交变频系统的整体结构如图6所示，主要由控制器dSPACE、相位检测电路、驱动电路、主功率电路组成。

图6 系统结构图Figure 6. System structure diagram

dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的实验设备，该设备可以与MATLAB/Simulink实现无缝对接，并根据MATLAB中所建立的离线仿真模型进行代码编译，再通过其外围接口电路控制硬件平台，所以易于调试控制策略，且产品开发周期较短。相位检测电路使用220 V/9 V变压器作电压隔离，再通过LM339构成的过零比较器，将三相工频输入电压转化为同频率的方波，并将此方波信号送入到dSPACE的A/D采样通道。在PC上通过MATLAB/Simulink对采样到的工频方波进行调制后产生需要的控制脉冲，并通过dSPACE的数字I/O口输出给驱动电路的输入端。dSPACE的控制信号通过其数字I/O口发出，但是此信号不能直接控制全控型功率器件Mosfet，需要经过功率器件驱动电路后才能接入到主电路中Mosfet的GS两端，来控制Mosfet的通断。主功率电路如图1所示，三组双向交流开关由Mosfet(IRF740)和快恢复二极管(HFA15TB60)构成。

因为系统中所采用的每个功率器件的驱动电路原理都是一样的，所以本文只介绍其中1条功率器件驱动电路的原理。功率器件驱动电路采用了高速光耦芯片6N137和Mosfet专用驱动芯片UCC37321组合的方案，原理如图7所示。其中6N137实现了主电路和控制电路之间的电气隔离。UCC37321是Mosfet专用驱动芯片，具有输出阻抗低、延迟时间短和较高峰值的电流驱动能力，同时上升和下降速度迅速且芯片成本较低，可以满足IRF740开关管的触发信号幅值需求。

图7 功率器件驱动电路原理图Figure 7. Schematic of power device driver circuit

3 实验结果分析

经过理论分析与仿真验证后，搭建了如图8所示的实验样机硬件平台，并依靠dSPACE半实物仿真平台分别对输出频率10 Hz(5分频)和7.14 Hz(7分频)两种情况进行了实验。斩波频率为2.5 kHz，LC低通滤波的参数分别为L=5 mH，C=4.7 μF。通过GWINSTEK示波器对实验结果进行观测，实验结果如图9～图11所示。

图8 实验样机Figure 8. Experimental prototype

(a)

(b)图9 阻塞输出电压波形(a)阻塞输出波形(10 Hz)(b)阻塞输出波形(7.14 Hz)Figure 9. Blocking output voltage waveform(a) Blocking output waveform (10 Hz) (b) Blocking output waveform (7.14 Hz)

(a)

(b)图10 阻塞斩波输出电压波形(a)阻塞斩波输出波形(10 Hz)(b)阻塞斩波输出波形(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)

从图9中可以看出，随着每半个期望输出周期内所包络的工频半波波头数N的增加，系统的输出频率也随之降低。改变离线仿真模型中分频系数的参数，即可达到控制系统输出频率的目的。图10的结果为经过高频PWM斩波后的输出波形，再经过简单的LC低通滤波后就得到了如图11所示的波形。可以看出，图11中滤波后的输出电压波形有较好的正弦特性，并且通过设置不同的占空比D可以达到控制输出电压幅值的目的。控制MATLAB离线仿真模型中的分频系数与占空比即可分别控制系统输出电压的频率和幅值。实验结果与理论分析一致，验证了本文所设计的三相输入型阻塞式交交变频电源的正确性与可行性。此外，由于采用了高频的PWM斩波调压策略，系统所需的LC滤波器的体积和成本也得到了进一步控制。

(a)

(b)图11 滤波后输出波形(a)滤波后输出波形(10 Hz，D=0.7)(b)滤波后输出波形(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 结束语

本文在传统交流斩波调压拓扑基础上设计了一种三相输入单相输出的交交变频控制方案。仿真与实验结果验证了本文所提系统的正确性与可行性。与传统相控式的SCR交交变频相比，新方法中使用的功率器件更少，且本文所设计系统使用的是Mosfet斩波变频，输出电压的正弦度更好，谐波污染小。与交直交变频技术相比，本文所提方法省去了中间直流环节，控制了成本。目前大多数家用电器为单相交流电机，本方案为单相交流电机低频调速或风机、水泵调速提供了更优的选择。