六脉波双变量交——交变频自然无环流运行方式研究

鲁西坤 巩银苗 杜庆楠

摘 要：文章对传统的交 交变频器的3种运行方式进行了分析比较，指出了各种运行方式的优点与不足，提出了一种基于双变量控制理论的六脉波交.交变频器的自然无环流的运行方式，并对该运行方式进行了分析和讨论，通过和传统的交一交变频器的3种运行方式的对比，文章指出了这种自然无环流运行方式的优点以及可行性，最后，对基于双变量的六脉波交.交变频器自然无环流运行方式进行了总结和概括。

关键词：双变量；交交变频；自然无环流

传统的交一交变频器的主要运行可以分为有环流运行方式无环流与运行方式[1]。有环流的运行方式，有比较大的环流流过变频器的正组、负组晶闸管，这种情况可以在负载不连续时使变流器的电流保持连续，这样不但可以减小输出电压的谐波分量，而且可以大大简化控制方案，提高系统的动态性能和稳态性能。但是，有环流运行方式需要在两组晶闸管之间串入环流电抗器来限制环流。由于环流电抗器笨重且昂贵，这样就增加了系统设备投资，最重要的是降低了系统的运行效率，故而在实际运用时，受到了一定的限制。

无环流运行方式按照实现无环流的具体方式，可以分为错位控制无环流和逻辑控制无环流两种运行方式[2]。逻辑控制无环流是应用逻辑控制装置或执行逻辑闭锁程序，在开放一组晶闸管触发脉冲的同时，封锁另一组晶闸管的触发脉冲，进而从根本上切断系统的环流通路，形成既无直流环流又无脉动环流的系统。但是逻辑控制无环流方式需要检测电流过零时刻，从而形成对正组，反组晶闸管触发脉冲的开放和封锁，所以会存在死区。错位控制无环流方式就是采用a>β工作制，使得两组晶闸管触发脉冲的相位错开很远，这样在待逆变的触发脉冲到来时，该组晶闸管已经处于反向阻断状态，不可能导通，不会形成环流，错位控制无环流不需要检测零电流，但是随着系统输出电压的减小，死区增加，对系统极为不利。

因此，有环流运行方式和无环流运行方式都存在着不足之处，有待于进一步完善。本文中所提出的自然无环流运行方式，是基于双变量控制理论的新型运行方式，实验汪明，该运行方式可以克服传统的交一交变频器存在的换流的缺点，是一种较好的运行方式。

1 双变量控制理论

所谓的双变量控制理论，就是在对原有的单变量控制角α进行精确控制的基础上，增加了对新变量脉冲宽度β的控制，该控制理论的关键在于对触发脉冲的后沿进行控制[3]。其中α角的控制方法不变；变量β的主要作用是闭锁可能出现的各种环流条件和引导电流换向，改变量与负载的大小和性质、输出频率、α角以及电源的瞬时值等因素有关，是从实际电流的换流范围和保证实现自然换流的条件得到的Ⅲ。

六相输入、三相输出的交一交变频器的符号图案如图l所示，其输入输出关系如下式。

并在此作如下规定：平均输出电压为0时对应的函数。为基本存在函数，经调制后的存在函数为，两者的表达式分别如下：

式中：p-输出相号；

q-输入相号；

Ti——输入电压的周期；

to—正型和负型过渡时的修正时间，通常为Ti/2的整数倍；

M（t）-调制函数，实际为触发控制角，并且在M（t）=0时，系统输出电压为0；在M（t）>0时，系统处于整流状态；在M（t）<0时，系统处于逆变状态N（t）—导通函数，即导通角，在双变量控制理论中，存在函数脉冲序列的前沿由调制函数决定，实际上也是触发脉冲的前沿，其确定方法与单变量理论相同。调制函数脉冲序列的后沿由导通函数来决定，但是导通函数不决定触发脉冲的后沿。在这里必须满足N（t）≥b（t），通过控制脉冲序列的后沿来有效地控制输入片段之间的切换，从而减少切换过程引起的功率损耗。

因此，双变量控制理论实质上就是M（t）和b（t）的控制理论。实际的触发脉冲函数P可以改写为：

2 双变量下的自然无环流运行方式

通过以上分析可知，调制函数M（t）和导通函数b（t）是双变量控制理论中自然无环流运行方式的关键。这里决定触发时刻的方法就是常用的余弦交截法；決定触发脉冲宽度的方法则是从实际电流的换流范围来考虑的，是在保证能够实现自然换流的前提下得出的[5-6]。

为了实现自然无环流的工作方式，减小换流死区，减少余弦交截法中不可避免的谐波分量，使电机在变频运行时也能获得一个良好的工作状态，触发角α和脉冲宽度β可根据实际情况稍微进行调整。其基本控制原则可以概括为以下两点[7-9]。

（l）必须满足晶闸管的导通条件，即晶闸管必须有触发脉冲和电压降存在（正组晶闸管单通必须有正向压降，发组晶闸管导通必须有反向压降，电流为零时不受影响）。

（2）想要实现电流反向，必须控制触发脉冲的宽度β，以实现自然无环流。

下面以三分频全压为例，介绍六脉波双变量交一交变频自然无环流运行方式的基本原理。

2.1选取触发的时刻

为了提高系统的输出电压波形的正弦度和对称性，本文采用余弦交截法来计算晶闸管的触发时刻，以期实现系统自然无环流运行。其具体触发时刻如图2-3所示，规律如下[l0].

（l）正组晶闸管触发时刻定义为其基波与同步波下降沿的交点，并且满足晶闸管的导通条件。

（2）负组晶闸管触发时刻定义为基波与同步波上升沿的交点，并且满足晶闸管的导通条件。

因此可以保证，在一定范围内（全压时30?-90?，三分压时60?-90?）系统在自然无环流方式下工作，电机空载时没有环流。如果在电源侧加变压器，而系统采用全压方式来变频，则系统可以在30?-90?的功率角范围内下没有环流，但不能保证系统在l到0的功率因数内都能够以自然无环流方式运行。综上所述，仅依靠改变触发角来扩大自然无环流的范围是行不通的。

2.2确定触发脉冲的宽度

如何在触发规律改变之前，解决电流换向产生的环流问题，是自然无环流运行方式的关键，而解决这一问题的主要途径是控制脉冲宽度。具体的原则为：假如系统的电流在设定的触发规律改变之前就到达零点，这时就在电流达到零的这一时刻，切断本组晶闸管脉冲，使其自然关断，从而消除了反向导通的可能性，从而实现系统的自然换相[11]。

实际上，脉冲宽度的确定在不同情况下也会不同：不需要换向的时刻，只要满足晶闸管正常的导通需求就可以；在电流需要换向时刻，则必须保证触发脉冲足够宽，从而使系统的输出电流，能够在同一相上的两个晶闸管之间自然换向。另外，系统中还需要对触发脉冲进行一些限制，来保证系统的输出电压的正弦度。在实现换流的范围内，触发脉冲的宽度应满足以下两种情况：（1）让电流在本组之间实现换流。（2）让电流相邻导通的两组晶闸管之间实现换流。

在系统中加入电流监测和小电流检测模块，当电流监测环节监测到系统设定的电流将要换向的信号后，系统开始捕捉外电路发出的换向信号，捕捉到换向信号后，即认为在此刻电流要换向，系统立即在当前导通的晶闸管组实施换向，从而实现系统的自然无环流运行。其具体实现时序如图4所示。

假如系统从t时刻监测到系统要换流的信号，系统开始捕捉是否有换向信号，如果检测到换向信号，则立即发出换向指示，使c-触发，并开始计算下一组晶闸管的触发时刻；如果系统在tl-t，时间内检测不到换向信号，则在t2刻触发D+，系统继续检测是否有换向信号，假设刚好在t2时刻检测到换向信号，则立即给换向指示，将D-触发，并开始计算下一组晶闸管的触发时刻；另外，为了保障系统的安全，假如系统到达t4时刻，仍未检测到换向信号，则在t5=t4+0.000 1 s时刻，强制给一个换向指示，触发E-，从而避免系统出现换流失败，实现系统的自然无环流运行。

3结语

由以上分析可知，基于双变量理论的六脉波交一交变频器自然无环流运行方式，关键点就是利用了晶闸管自身过零点关断的特点，来实现系统自然无环流的工作方式的。该运行方式无需过流检测，可直接通过触发脉冲来控制输出电压和电流的波形，在一定程度上简化了系统结构，降低了制造變频器的生产成本。采用自然无环流运行方式的交一交变频器比较适用于中小功率的场合。另外，由于同一频率下各个触发时刻固定，而触发点的对称性又较好，所以该运行方式得到的输出电压波形的对称度较好，输出电压具有主峰（也就是大波头），其容差能力较强，触发时刻产生的误差对此主峰的影响较小，所以该运行方式对控制的精确度要求较低。

[参考文献]

[1]杜庆楠，王新.晶闸管相控变流器的双变量相控理论[M]北京：煤炭工业出版社，2006

[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M]4版北京：机械工业出版社，2000

[3]冯高明，杨立峰，杜庆楠.基于双变量控制理论的交交变频器自然无环流运行方式的研究[J]煤矿机电，2004 （4）：39-44

[4]陈立香.双变量相控变频器变频过程动态优化综合解决方法的研究[D].焦作：焦作工学院，2001

[5]杜庆楠，王新，陈立香.相控变流器和变频器双变量控制理论的研究[J]煤炭学报，2000 （25）：154-157

[6]刘权中，乔美英，杜庆楠.双变量交交变频器对称控制方法的研究及谐波分析[J]煤矿机械，2004 （1）：41-43

[7]王鹏，沈刘佳，罗贯英.新型六波头双变量交一交变频器的研究[J]煤矿机电，2008 （3）：9-12

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[9]芦燕.六脉波双变量交交变频双馈调速系统控制策略研究[D]焦作：河南理工大学，2009

[10]师修广.六脉波交交变频器分频控制策略及动态过渡过程研究[D]焦作：河南理工大学，2009

[11]徐高杰.双变量交交变频频段相位控制自然过渡方法研究[D]焦作：河南理工大学，2010