交交变频系统环流最小控制策略*

李鹏飞 严欣平

(重庆科技学院 电子信息工程学院)

交交变频系统环流最小控制策略*

李鹏飞 严欣平

(重庆科技学院 电子信息工程学院)

文章针对相位控制交交变频工作环流进行了讨论，并应用傅氏数学方法推导了不同控制与调制信号所产生的输出电压函数表达式，分析了输出电压谐波分量对交交变频器环流大小的影响，归纳了交交变频器环流最小控制策略，解决了大功率交交变频器环流电抗器限流问题，总结了环流控制的基本方法，提高了交交变频器的工作性能。

交交变频器； 环流；余弦调制；组合控制

1 引言

交交变频是指由交流变交流的频率变换器，由于采用晶闸管半控型器件和无直流环节，变换器转换效率高，可方便地实现四象限运行，节能效果明显，在大功率、低转速交流调速场所被广泛应用。

交－交变频器供电系统是一个十分复杂的非线性系统，采用三相桥式电路组成的三相交交变频器所用晶闸管器件多，接线复杂，控制技术含量高，尤其是有环流工作方式的交交变频电路，环流的存在与分析是实现三相交交变频器可靠工作的关键。本文重点研究了如何控制交交变频电路中的环流大小，如何对调节过程中的动态环流进行限制，同时对影响交交变频器运行的诸多因素进行详细的讨论；提出了采用不同的控制和调制信号来获得输出电压函数形式，分析各种影响交交变频系统的环流大小因素，给出了环流最小的控制策略，有效地改善了交交变频环流不利影响，提高了交交变频器工作的稳定性和可靠性。有关谐波问题的研究，可采用开关函数模型来进行处理[1]。一般交交变频采用余弦交截法产生确定触发时刻对系统进行环流控制[2]，目前交交变频器－多相同步电动机稳态和似稳态等效电路模型的计算也有许多好的方法[3]。总之，本文对交交变频器的环流谐波研究则更详细、更深入。

2 交交变频变换特性

三相交交变频电路如图1，而交交变频的每一相输出，其负载电流可以由正组或负组的晶闸管供给，理想情况下变流器应为低阻抗电源供电。当相位控制角恒定或逐渐变化时，输出电流连续，输出电压的平均值为

v-平均输出电压值；Vdo-平均输出电压最大值α-控制角; n-反组控制角；p-正组控制角。

为满足上述等式，则αn=π-αp，输出电压的平均值在+Vdo和-Vdo之间变化，对交交变频器这是相位控制角的控制范围，可以得到变频器在任意极性、任何电压下输出的负载电流。

图1 三相交交变频主电路

由于式(1)中电压瞬时值不相同，必然产生动态环流。假设两组控制角αp和αn周期性地变化，且在0≤α≤π之间，则式中ωc为所需的输出基波频率。若把输出电压v 看作是交交变频“动态”输出电压，随时间而变化，那么式(1)的傅立叶级数形式可表示为

每一组控制角，是由控制电压和电源频率的调制电压比较后决定的，当控制电压变化来改变控制角时，输出电压波形依赖于实际的控制信号与调制信号。

设调制信号分别为余弦和梯形（斜线）信号，取控制信号分别为方波、梯形波、余弦波作为不同的控制方式，可以得到不同的组合控制方式。

组合一：采用余弦调制与余弦控制组合方式推导

组合二：采用余弦调制与线性控制组合方式推导

同理可得如表1所示组合控制方式。

为方便起见,调制和控制电压均以标么值表示,因

此调制函数中,幅值从+1到-1之间变化,即当ωs=0时,为+1, ωs=π时为-1,时,则为过零线.同样,控制函数由+K到-K之间变化,即+K时,ωc=0,-K时, ωc=π,过零时,

从后者来说,K从0到1之间变化,提供了一个控制输出电压的方法。

表1 不同组合产生的COSα函数，当0≤ωCt≤π

从上四种组合图分析可知，对控制频率谐波来说：

a) 采用方波信号控制方式（组合方式（iii）和（vi）），输出电压谐波分量大，不合适大容量交交变频控制，但线路简单经济。

b) 采用余弦控制-余弦调制控制方式（组合方式（i）或（v）），输出电压正弦度好，谐波小，担需要余弦调制信号。

c) 采用线性控制-余弦调制控制方式，输出电压增益低，调制比不够。

d) 采用余弦控制-线性调制控制方式，输出增益大，但转换特性存在非线性，需要限制最大控制角，防止逆变过程的换流失败。

3 交交变频环流限制

综上所述，交交变频系统在低频输出时，如果正组P输出电压与负组N输出电压，同以控制角来触发，则两组的平均输出电压相等，但瞬时输出电压并不相等。很显然，P组和N组将构成闭环回路产生环流，环流大小由回路阻抗决定。通常采用两种方法限制环流，电抗器环流限制法和无环流逻辑控制法，即任何时刻只允许一组导通，无环流回路，阻断环流的产生。

3.1 电抗器环流限制

如果回路中的阻抗为一感抗X，则环流的瞬时值，可以用环流系数C来表示，

三相半波交交变频电路中，当控制角恒定时，环流平均值的计算如下：

控制角在0≤pα≤π3范围内

可见最大电流为0.5，发生在α=π3时。

根据环流的对称性，环流系数与0≤pα≤π2相同，这里不在赘述。

交交变频电路中控制角是连续变化的，如果要得到整个控制周期的平均环流参数Cm则：

式中Cα为随控制角而变的时间函数，其大小取决于变频器的传递特性。图2是环流系数Cm随控制参数幅值k变化曲线图。由图2可知，在不同控制信号作用下，环流的大小是各不相同的，但总体变化不大。设负载电流为I安，并为正弦，则在正组与负组之间的平均负载电流为表明该值比环流平均值略大，其近似条件是：

那么在上述电抗情况下，环流峰值可接近满载电流峰值两倍。这在交交变频相同控制设计时必须加以认真考虑。

图2 控制幅值k与环流系数Cm的变化曲线

3.2 组间环流限制电抗器

在交交变频电压输出的正组与负组之间，由于存在环流电压需要接入大电感，将环流限制在允许工作范围内。考虑电抗器直流磁化效应，负载电流电感仅取环流电感1/4左右，可确保交交变频电路的正常工作。按照工作制控制，不产生直流环流，但随控制角快速变化，会产生“动态环流”。实验表明对线性调制和余弦控制的交交变频电路，环流近似与频率和幅值成正比。

4 仿真实验与结果分析

为验证交交变频电路中，调制和控制与环流大小的关系，本文进行了Matlab仿真实验，以梯形波、三角波、余弦波三种调制信号进行仿真，图3是三种调制信号产生的输出电压Ud、输入电压Ur、输出电流Id仿真波形，图4是三种调制信号生产的交交变频器的负载电流和环流，仿真结果表明，余弦波调制输出电压波形正弦度好，环流动态响应快，环流小；三角波调制输出电压波形正弦度较差，环流较大；梯形波调制输出电压波形正弦度差，环流大。 采用80C196MC的单相交交变频控制系统框图如图5，单相交交变频输出容量0.8kW，电压220V，频率可从5Hz到33Hz调节，异步电动机，Pe=0.6kW，Ue=220V，ne=1200转/分，w1=108匝，GD2＝0.39（牛·米2）进行了空载运行试验（ML=0）。

图3 梯形波、三角波、余弦波调制信号产生的仿真结果

图4 梯形波、三角波、余弦波调制信号产生环流仿真结果

图5 单相交交变频控制系统框图

根据实际实验环流大小的测试结果曲线如图6。曲线①是iv控制组合理论计算曲线，曲线②是ω=1 50时实测值曲线，曲线③是ω=1时测试曲线。从图中可见，当ω=1 50时，实测验值与计算值相近，但当ω=1时，只有在k≤0.4时，才互相一致。实验中发现，角的整定值变化1°，就会引起环流系数从0.08增为0.18。

图6 Cm=f(k)变化的计算值与实测值关系曲线

5 结语

通过仿真验证与实验测试，本文对交交输出电压与控制频率的谐波含量进行了详细的研究，证明了本分析方法的正确性和可行性，对交交变频电路环流的大小，从控制方面进行了深入讨论。就谐波含量而言，在大容量交交变频控制系统中，采用余弦控制信号较为理想；对小容量交交变频控制系统，采用三角控制信号可得到近似正弦波输出，其控制线路简单，但谐波含量较大，环流突出，设计应用时必须认真加以考虑。

[1] 许勇,许镇琳,蔡昆,等.数字式交一交变频器的仿真模型和分析[J].电力电子技术,2002,34(1):49～51

[2] 黄亮,任永峰,贺刚,任海龙.有环流交交变频传动系统的无功功率的研究[J].电力科学与工程,2003(2):13～16[3] 林桦,邹云屏,王兴伟.交交变频器-多相同步电动机稳态和似稳态等效电路模型[J].电工技术学报,2005,20(4):15～20

[4] 潘庭龙,姜建国.交交变频矢量控制系统的CPLD数字触发电路[J]. 电力电子技术,2003,37(6):74～75

[5] 万军,孙昌印,孟君.大型H型钢生产线轧机主传动系统选型[J]. 电气传动, 2008,38(4):17～19

[6] 逯志宏,刘广友,马文静.大功率交交变频全数字矢量控制系统在济钢中厚板精轧机上的应用[J].冶金自动化,2004, 28(2): 48～49

Loop-Currtent Minimum Control Strategies for AC-AC Frequency Converter

Li Pengfei Yan Xinping
(Chongqing Science and Technology College)

In this paper, the work of phase-controlled ac-ac frequency converter loop-current is discussed, and the Fourier mathematical method is applied to deduce the output voltage function expression under different control and modulating signal. The output voltage harmonic components of the ac-ac frequency converter, impact of the size of loop-current, the ac-ac frequency converter control strategy for the smallest loop-current and problems to solve the high-power, circulation of loop-current-limiting reactor are analyzed and summed up. The working performance of ac-ac frequency converter is improved.

AC-AC Frequency Converter; Loop-Current; Cosine Modulation; Combined Control

李鹏飞，男，1958.7出生，副教授，主要研究方向为滑模与非线性控制方法在电机调速系统和电力电子技术中的应用。

重庆市教委自然科学基金项目(编号KJ081407)资助