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1六脉波双变量交-交变频器控制方法的优化研究刘斌,冯高明（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003）摘要：本文从传统的相控式交-交变频器出发，介绍了双变量交-交变频理论，并且利用新型的六脉波交-交变频调速系统，对5/2分频全压下的情况下，利用研究所现有的变频调速系统进行了试验研究，得到了更好的输出波形，进一步降低了偶次谐波的含量。关键词：六脉波交-交变频器；双变量；谐波；优化Studyoncontrolmethodofsix-wave-headAC-ACfrequencyconverterLIUbin，FENGgaoming（SchoolofElectricalengineeringandautomation，Henanpolytechnicuniversity,Jiaozuo454003,Henan,China）Abstract：Thisarticleintrudcesthetraditionalsingal-variablecontroltheory,thengivesthetwo-variablecontroltheory,andusedthenewsix-wave-headAC-ACfrequencyconvertersystem,and5/2frequencyandfullvoltagehasbeencarried,obtainedthebetteroutputwaveshape,furtherreducedEvenharmoniccontent.Keyword:six-wave-headAC-ACfrequencyconverter；two-variable；harmonic;optimization0引理近年来，矩阵变换器日益受到大家的重视。其控制方法目前常用的是空间矢量调制策略。采用该策略具有简单的控制算法和最大的电压传输比且不需要外部的谐波补偿。但是其成本较传统的交交变频器有所增加，而目前，传统变频器仍有较大的市场。因此改进传统变频器的控制策略，进一步降低其谐波含量，有一定的实际价值。1双变量控制理论所谓双变量，即控制角α和脉冲宽度b。双变量控制力论是从单变量控制理论发展而来的，在α角控制基础上加上对脉冲宽度b的控制，即对触发脉冲的后沿进行控制，它是双变量控制理论的关键。第一个变量α角的控制和相控方法相同；第二个变量b有两个作用：一是封闭可能出现的各种环流条件；二是引导电流的换向范围以及保证实现自然换流的条件得到的。该变量与负载大小、性质、输出频率、α角以及电源的瞬时值等因素有关。该方法可以实现变频器的无环流、无死区、宽范围调速[1]。1I2I3I4I5I6I1o2o3o图1六相输入三相输出Fig.1Three-phaseinputandthree-phaseoutput2双变量交交变频器谐波的产生可控硅交交变频器的基本功能是把一种频率2的交流输入电压转变为另一种频率的交流输出电压。其主要特点在于它只有一级功率转换，转换效率高。就其基本形式看，它只不过是简单的由一组可控硅开关组成。其基本工作原理是：用一种特定的方式对变频器中的可控硅开关进行简单的导通和关断，直接把输入的电压波形“大致”调制成所需频率的输出电压波形。其实际波形是由一些正弦波形片断组成的，因此不可避免的会产生谐波[2]。对于谐波的治理有多种方法：使用无源滤波器或有源滤波器；增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线法；增加变频器供电电源内阻抗；安装电抗器；设备中使用抗谐波技术；使用无谐波污染的绿色变频器[5]。但是多数是“先污染后治理”的方法，使用绿色变频器虽然是从谐波源上解决了谐波污染的问题，但是就现今技术条件下，采用这一技术尚有一定的难度，并且会大大增加设备的成本。本文所用的方法是从对晶闸管的触发控制策略上加以解决谐波问题，追求满足一定的性能要求即可，不会增加设备的成本，具有一定的实用性。3系统硬件结构80C196KB8255I/O扩展8279键盘显示脉冲触发逻辑与PLD器件触发脉冲放大输出同步信号整形双变量六脉波交交变频器M定子电压电流检测编码器信号输出整形隔离3相变6相变压器同步变压器控制电源模块串口通信380V~图2.控制回路方框图Fig.2Panechartofcontrolcircuit由于本系统需要较为复杂的控制功能，系统实时性要求较高，所以控制电路选择了单片机作为主要控制元件，用来实现功能判断、方式选择、动态调节、系统检测、性能显示和系统保护等功能，为进一步开发的需要，还设置了电流检测、速度检测等电路。在本系统中，主要任务由INTER公司的80C196KB16位单片机来完成。它拥有强大的软硬件资源，较高的性价比，被广泛应用于工业过程控制系统、伺服系统（随动系统）、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。还使用于信号处理系统和高级只能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控制器[4]。在整个系统中，变频主电路采用零式电路，变压器采用自行绕制的三输入、六输出的干式变压器，其输出的六相互错60o[3]。主电路拓扑结构如图3所示：U相M3~UVWABCDEF50HzW相V相3相变六相变压器图3六脉波交-交变频器主电路拓扑结构Fig.3six-wave-headAC-ACfrequencyconverter4控制策略的改进传统的晶闸管触发控制策略采用的是余弦交截法，下面以三分频为例简单说明一下这种方法的原理。4.1触发点的确定普通交交变频器余弦交截法的原理如图4所示。从图中可以看出正组晶闸管的触发规律是：触发时刻一律取其基准波与同步余弦波下降沿的交点；将要导通的晶闸管的电压都比将要关断的晶闸管电压高。而负组晶闸管的触发规律刚好相反，它是：触发时刻一律取基准波与同步余弦波上升沿的交点；将要导通的晶闸管的电压都比将要关断的晶闸管电压低。从图4还可以看出，当电流与电压相位相差90o时（滞后），正向电流正好对应着基准波的下降沿，而负向电流正好对应着基准波的上升沿。3图4普通余弦交截法波形图(三分频三分压)（反组）Fig.4Waveshapegraphofgeneralcosineintersectmethod(athirdofallvoltageandcurrentvalue)(positiveclass)以上虽然是在电流滞后电压090情况下分析出来的，但是在很大范围内（全电压时030～090，三分压时约060～090）都可以保证系统工作于自然无环流方式，所以电机空载运行时没有环流。假如在变频器输入侧加降压变压器，而变频采用全电压触发方式，则系统可以保证功率因数在0.866～0之间变化时变频器没有环流，除全电压控制方式外的其它情况在电机带载时就会出现环流，要扩大自然无环流的范围，单纯靠改变触发时刻是不行的，但是根据波形分析和实验可以发现，控制触发脉冲的宽度可以在0～090范围内实现自然无环流工作方式。4.2脉冲宽度的确定图5双变量控制的余弦交截法波形图(a)全电压(b)三分压Fig.5Waveshapegraphofcosineintersectmethodcontrolledbydoublevariable(a)allvoltagevalueandathirdofallvoltagevalue(b)athirdofallvoltageandfrequencyvalue①电流在o～a之间过零时，如果此时触发脉冲已经消失，那么B相的晶闸管就关断，电流不会反向，当时间到达a点时触发C相晶闸管，这时系统不会产生环流。所以在e处触发B相晶闸管，且触发脉冲下降沿不超过o点，就可以保证负载角在0～约020之间过零时（o～a之间）系统不会产生环流；②电流在a～b之间过零时，因为这时晶闸管的电压为负，所以即使有触发脉冲，电流也不会反向，而且这区间也没有其它晶闸管触发，所以也不会引起环流；③电流在b～c之间过零时，假设此时触发脉冲已消失，那么C相晶闸管就关断，电流不会反向，当时间到达c点时触发A相晶闸管，符合上述原则，系统不会产生环流，即当a处触发c相晶闸管，且触发脉冲的下降沿不超过b点，就可以保证负载角在约020～060（即a～c）之间过零时系统不会产生环流；④电流在c～d之间过零时，由于这以后晶闸管的触发规律就改变了，所以需要电流也反向，这时触发脉冲的宽度就必须保证电流在A相两只晶闸管上实现自然换流，也就是说触发脉冲的下降必须在d之后。由于这时是在一相晶闸管上换流，其它晶闸管都没有触发，显然系统也不会产生环流。其它情况具有对称性，由此可得触发脉冲的具体情况如图5所示。从以上的分析可以看出，这种工作方式下的电压输出波形具有一个较大的主峰，即在每一个半周中都有一个晶闸管导通的时间特别长，而电流的反向都被限制在这个时间范围内，可见这种控制方法恰恰是利用了晶闸管过零点关断的特点，实现了自然无环流方式。由于各个触发点的时刻固定，而触发点又具有很好的对称性，所以这种控制方式得到的输出电压对称度好。同时，输出电压具有主峰，而触发时刻误差对此主峰影响不大。所以，该方法对精确度要求没有普通余弦交截法那样高。但从大量的仿真和试验结果所得波形分析得知，按照这一方法得到的波形对称度下降，而且频率越高，对称度越不好，谐波成分增加，特别是出现偶次谐波（如二次谐波）。而在某些场合下，在一定的范围之内，输出波形的对称度比正弦度更为重要。因此，便采用了对称余弦法，但是对称余弦在非整数分频下，其波形的对称度也有所降低。针4对这种情况，本文给出了一种新的方法：即根据电机转速对输出波形的要求，采用拼凑法直接选取电压波形的某些片段作为输出电压波形，这样可以得到很好的对称度，从而可以较为有效的抑制偶次谐波的含量，使电机运行更加平稳，调速性能更加优越。图65/2分频全压双变量对称余弦交截法输出波形Fig.6Thewaveformof5/2frequencyandfullvoltageunderdouble-variablesymmetriccosinewavemodulationmethod图75/2分频全压双变量优化对称余弦交截法输出波形Fig.7Thewaveformof5/2frequencyandfullvoltageunderoptimizeddouble-variablesymmetriccosinewavemodulationmethod5系统试验利用研究所的六脉波交-交变频调速系统，对以上方法进行了试验研究。鉴于篇幅所限，这里仅给出了2.5分频下的试验波形。采集波形所用仪器为TiePieSCOPEHIS-801X型虚拟示波器。采集的波形如图所示：图85/2分频全压双变量对称余弦交截法试验输出波形Fig.8Thetestingwaveformof5/2frequencyandfullvoltageunderdouble-variablesymmetriccosinewavemodulationmethod图95/2分频全压双变量优化对称余弦交截法输出波形Fig.9Thetestingwaveformof5/2frequencyandfullvoltageunderoptimizeddouble-variablesymmetriccosinewavemodulationmethod从以上的试验所得电压波形及示波器中可以得知，原波形中，对称性较差，偶次谐波尤其是2次谐波含量比较大。而采用优化方法后，输出电压波形的对称度有所改善，各次谐波含量，尤其是偶次谐波含量也得到了一定程度的降低。参考文献1冯高明.双变量交交变频调速系统力能指标优化控制策略的研究.硕士学位论文2徐武，冯高明.双变量交交变频器实时谐波分析的研究.电气开关2007[1]3王鹏等.新型六波头双变量交一交变频器的研究.煤矿机电200[3]4孙涵芳.Intel16位单片机.北京航空航天大学出版社.2002:1-25马志峰.变频器的谐波危害及对策.自动化技术与应用.2007[9]5本人简介：刘斌，1984年9月出生，现为河南理工大学控制