魯西坤 鞏銀苗 杜慶楠

摘 要：文章對傳統(tǒng)的交 交變頻器的3種運行方式進行了分析比較，指出了各種運行方式的優(yōu)點與不足，提出了一種基于雙變量控制理論的六脈波交.交變頻器的自然無環(huán)流的運行方式，并對該運行方式進行了分析和討論，通過和傳統(tǒng)的交一交變頻器的3種運行方式的對比，文章指出了這種自然無環(huán)流運行方式的優(yōu)點以及可行性，最后，對基于雙變量的六脈波交.交變頻器自然無環(huán)流運行方式進行了總結(jié)和概括。

關(guān)鍵詞：雙變量；交交變頻；自然無環(huán)流

傳統(tǒng)的交一交變頻器的主要運行可以分為有環(huán)流運行方式無環(huán)流與運行方式[1]。有環(huán)流的運行方式，有比較大的環(huán)流流過變頻器的正組、負組晶閘管，這種情況可以在負載不連續(xù)時使變流器的電流保持連續(xù)，這樣不但可以減小輸出電壓的諧波分量，而且可以大大簡化控制方案，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。但是，有環(huán)流運行方式需要在兩組晶閘管之間串入環(huán)流電抗器來限制環(huán)流。由于環(huán)流電抗器笨重且昂貴，這樣就增加了系統(tǒng)設(shè)備投資，最重要的是降低了系統(tǒng)的運行效率，故而在實際運用時，受到了一定的限制。

無環(huán)流運行方式按照實現(xiàn)無環(huán)流的具體方式，可以分為錯位控制無環(huán)流和邏輯控制無環(huán)流兩種運行方式[2]。邏輯控制無環(huán)流是應(yīng)用邏輯控制裝置或執(zhí)行邏輯閉鎖程序，在開放一組晶閘管觸發(fā)脈沖的同時，封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，進而從根本上切斷系統(tǒng)的環(huán)流通路，形成既無直流環(huán)流又無脈動環(huán)流的系統(tǒng)。但是邏輯控制無環(huán)流方式需要檢測電流過零時刻，從而形成對正組，反組晶閘管觸發(fā)脈沖的開放和封鎖，所以會存在死區(qū)。錯位控制無環(huán)流方式就是采用a>β工作制，使得兩組晶閘管觸發(fā)脈沖的相位錯開很遠，這樣在待逆變的觸發(fā)脈沖到來時，該組晶閘管已經(jīng)處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導(dǎo)通，不會形成環(huán)流，錯位控制無環(huán)流不需要檢測零電流，但是隨著系統(tǒng)輸出電壓的減小，死區(qū)增加，對系統(tǒng)極為不利。

因此，有環(huán)流運行方式和無環(huán)流運行方式都存在著不足之處，有待于進一步完善。本文中所提出的自然無環(huán)流運行方式，是基于雙變量控制理論的新型運行方式，實驗汪明，該運行方式可以克服傳統(tǒng)的交一交變頻器存在的換流的缺點，是一種較好的運行方式。

1 雙變量控制理論

所謂的雙變量控制理論，就是在對原有的單變量控制角α進行精確控制的基礎(chǔ)上，增加了對新變量脈沖寬度β的控制，該控制理論的關(guān)鍵在于對觸發(fā)脈沖的后沿進行控制[3]。其中α角的控制方法不變；變量β的主要作用是閉鎖可能出現(xiàn)的各種環(huán)流條件和引導(dǎo)電流換向，改變量與負載的大小和性質(zhì)、輸出頻率、α角以及電源的瞬時值等因素有關(guān)，是從實際電流的換流范圍和保證實現(xiàn)自然換流的條件得到的Ⅲ。

六相輸入、三相輸出的交一交變頻器的符號圖案如圖l所示，其輸入輸出關(guān)系如下式。

并在此作如下規(guī)定：平均輸出電壓為0時對應(yīng)的函數(shù)。為基本存在函數(shù)，經(jīng)調(diào)制后的存在函數(shù)為，兩者的表達式分別如下：

式中：p-輸出相號；

q-輸入相號；

Ti——輸入電壓的周期；

to—正型和負型過渡時的修正時間，通常為Ti/2的整數(shù)倍；

M（t）-調(diào)制函數(shù)，實際為觸發(fā)控制角，并且在M（t）=0時，系統(tǒng)輸出電壓為0；在M（t）>0時，系統(tǒng)處于整流狀態(tài)；在M（t）<0時，系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)N（t）—導(dǎo)通函數(shù)，即導(dǎo)通角，在雙變量控制理論中，存在函數(shù)脈沖序列的前沿由調(diào)制函數(shù)決定，實際上也是觸發(fā)脈沖的前沿，其確定方法與單變量理論相同。調(diào)制函數(shù)脈沖序列的后沿由導(dǎo)通函數(shù)來決定，但是導(dǎo)通函數(shù)不決定觸發(fā)脈沖的后沿。在這里必須滿足N（t）≥b（t），通過控制脈沖序列的后沿來有效地控制輸入片段之間的切換，從而減少切換過程引起的功率損耗。

因此，雙變量控制理論實質(zhì)上就是M（t）和b（t）的控制理論。實際的觸發(fā)脈沖函數(shù)P可以改寫為：

2 雙變量下的自然無環(huán)流運行方式

通過以上分析可知，調(diào)制函數(shù)M（t）和導(dǎo)通函數(shù)b（t）是雙變量控制理論中自然無環(huán)流運行方式的關(guān)鍵。這里決定觸發(fā)時刻的方法就是常用的余弦交截法；決定觸發(fā)脈沖寬度的方法則是從實際電流的換流范圍來考慮的，是在保證能夠?qū)崿F(xiàn)自然換流的前提下得出的[5-6]。

為了實現(xiàn)自然無環(huán)流的工作方式，減小換流死區(qū)，減少余弦交截法中不可避免的諧波分量，使電機在變頻運行時也能獲得一個良好的工作狀態(tài)，觸發(fā)角α和脈沖寬度β可根據(jù)實際情況稍微進行調(diào)整。其基本控制原則可以概括為以下兩點[7-9]。

（l）必須滿足晶閘管的導(dǎo)通條件，即晶閘管必須有觸發(fā)脈沖和電壓降存在（正組晶閘管單通必須有正向壓降，發(fā)組晶閘管導(dǎo)通必須有反向壓降，電流為零時不受影響）。

（2）想要實現(xiàn)電流反向，必須控制觸發(fā)脈沖的寬度β，以實現(xiàn)自然無環(huán)流。

下面以三分頻全壓為例，介紹六脈波雙變量交一交變頻自然無環(huán)流運行方式的基本原理。

2.1選取觸發(fā)的時刻

為了提高系統(tǒng)的輸出電壓波形的正弦度和對稱性，本文采用余弦交截法來計算晶閘管的觸發(fā)時刻，以期實現(xiàn)系統(tǒng)自然無環(huán)流運行。其具體觸發(fā)時刻如圖2-3所示，規(guī)律如下[l0].

（l）正組晶閘管觸發(fā)時刻定義為其基波與同步波下降沿的交點，并且滿足晶閘管的導(dǎo)通條件。

（2）負組晶閘管觸發(fā)時刻定義為基波與同步波上升沿的交點，并且滿足晶閘管的導(dǎo)通條件。

因此可以保證，在一定范圍內(nèi)（全壓時30?-90?，三分壓時60?-90?）系統(tǒng)在自然無環(huán)流方式下工作，電機空載時沒有環(huán)流。如果在電源側(cè)加變壓器，而系統(tǒng)采用全壓方式來變頻，則系統(tǒng)可以在30?-90?的功率角范圍內(nèi)下沒有環(huán)流，但不能保證系統(tǒng)在l到0的功率因數(shù)內(nèi)都能夠以自然無環(huán)流方式運行。綜上所述，僅依靠改變觸發(fā)角來擴大自然無環(huán)流的范圍是行不通的。

2.2確定觸發(fā)脈沖的寬度

如何在觸發(fā)規(guī)律改變之前，解決電流換向產(chǎn)生的環(huán)流問題，是自然無環(huán)流運行方式的關(guān)鍵，而解決這一問題的主要途徑是控制脈沖寬度。具體的原則為：假如系統(tǒng)的電流在設(shè)定的觸發(fā)規(guī)律改變之前就到達零點，這時就在電流達到零的這一時刻，切斷本組晶閘管脈沖，使其自然關(guān)斷，從而消除了反向?qū)ǖ目赡苄?，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自然換相[11]。

實際上，脈沖寬度的確定在不同情況下也會不同：不需要換向的時刻，只要滿足晶閘管正常的導(dǎo)通需求就可以；在電流需要換向時刻，則必須保證觸發(fā)脈沖足夠?qū)?，從而使系統(tǒng)的輸出電流，能夠在同一相上的兩個晶閘管之間自然換向。另外，系統(tǒng)中還需要對觸發(fā)脈沖進行一些限制，來保證系統(tǒng)的輸出電壓的正弦度。在實現(xiàn)換流的范圍內(nèi)，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)滿足以下兩種情況：（1）讓電流在本組之間實現(xiàn)換流。（2）讓電流相鄰導(dǎo)通的兩組晶閘管之間實現(xiàn)換流。

在系統(tǒng)中加入電流監(jiān)測和小電流檢測模塊，當電流監(jiān)測環(huán)節(jié)監(jiān)測到系統(tǒng)設(shè)定的電流將要換向的信號后，系統(tǒng)開始捕捉外電路發(fā)出的換向信號，捕捉到換向信號后，即認為在此刻電流要換向，系統(tǒng)立即在當前導(dǎo)通的晶閘管組實施換向，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自然無環(huán)流運行。其具體實現(xiàn)時序如圖4所示。

假如系統(tǒng)從t時刻監(jiān)測到系統(tǒng)要換流的信號，系統(tǒng)開始捕捉是否有換向信號，如果檢測到換向信號，則立即發(fā)出換向指示，使c-觸發(fā)，并開始計算下一組晶閘管的觸發(fā)時刻；如果系統(tǒng)在tl-t，時間內(nèi)檢測不到換向信號，則在t2刻觸發(fā)D+，系統(tǒng)繼續(xù)檢測是否有換向信號，假設(shè)剛好在t2時刻檢測到換向信號，則立即給換向指示，將D-觸發(fā)，并開始計算下一組晶閘管的觸發(fā)時刻；另外，為了保障系統(tǒng)的安全，假如系統(tǒng)到達t4時刻，仍未檢測到換向信號，則在t5=t4+0.000 1 s時刻，強制給一個換向指示，觸發(fā)E-，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)換流失敗，實現(xiàn)系統(tǒng)的自然無環(huán)流運行。

3結(jié)語

由以上分析可知，基于雙變量理論的六脈波交一交變頻器自然無環(huán)流運行方式，關(guān)鍵點就是利用了晶閘管自身過零點關(guān)斷的特點，來實現(xiàn)系統(tǒng)自然無環(huán)流的工作方式的。該運行方式無需過流檢測，可直接通過觸發(fā)脈沖來控制輸出電壓和電流的波形，在一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了制造變頻器的生產(chǎn)成本。采用自然無環(huán)流運行方式的交一交變頻器比較適用于中小功率的場合。另外，由于同一頻率下各個觸發(fā)時刻固定，而觸發(fā)點的對稱性又較好，所以該運行方式得到的輸出電壓波形的對稱度較好，輸出電壓具有主峰（也就是大波頭），其容差能力較強，觸發(fā)時刻產(chǎn)生的誤差對此主峰的影響較小，所以該運行方式對控制的精確度要求較低。

[參考文獻]

[1]杜慶楠，王新.晶閘管相控變流器的雙變量相控理論[M]北京：煤炭工業(yè)出版社，2006

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M]4版北京：機械工業(yè)出版社，2000

[3]馮高明，楊立峰，杜慶楠.基于雙變量控制理論的交交變頻器自然無環(huán)流運行方式的研究[J]煤礦機電，2004 （4）：39-44

[4]陳立香.雙變量相控變頻器變頻過程動態(tài)優(yōu)化綜合解決方法的研究[D].焦作：焦作工學(xué)院，2001

[5]杜慶楠，王新，陳立香.相控變流器和變頻器雙變量控制理論的研究[J]煤炭學(xué)報，2000 （25）：154-157

[6]劉權(quán)中，喬美英，杜慶楠.雙變量交交變頻器對稱控制方法的研究及諧波分析[J]煤礦機械，2004 （1）：41-43

[7]王鵬，沈劉佳，羅貫英.新型六波頭雙變量交一交變頻器的研究[J]煤礦機電，2008 （3）：9-12

[8]陶慧.雙變量交-交變頻調(diào)壓過程動態(tài)控制策略的研究[D]焦作：河南理工大學(xué)，2007

[9]蘆燕.六脈波雙變量交交變頻雙饋調(diào)速系統(tǒng)控制策略研究[D]焦作：河南理工大學(xué)，2009

[10]師修廣.六脈波交交變頻器分頻控制策略及動態(tài)過渡過程研究[D]焦作：河南理工大學(xué)，2009

[11]徐高杰.雙變量交交變頻頻段相位控制自然過渡方法研究[D]焦作：河南理工大學(xué)，2010