交交變頻電流無死區(qū)換向控制策略及實(shí)現(xiàn)

魯西坤，鞏銀苗，范秋鳳，李正斌，宋治會

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交交變頻電流無死區(qū)換向控制策略及實(shí)現(xiàn)

魯西坤，鞏銀苗，范秋鳳，李正斌，宋治會

（安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

針對傳統(tǒng)的交交變頻器的邏輯無環(huán)流控制策略存在死區(qū)的缺點(diǎn)，在原有的雙變量交交變頻器自然無環(huán)流控制策略的基礎(chǔ)上，加入了小電流檢測，提出了一種基于雙變量的交交變頻器電流無死區(qū)換向控制策略。并建立了MATLAB/Simulink的仿真模型，進(jìn)行了仿真分析。最后，搭建了雙變量交交變頻器電流無死區(qū)換向控制的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺，做了大量的實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了電流無死區(qū)換向控制策略的可行性。得出結(jié)論：電流無死區(qū)換向控制策略可以為交交變頻器實(shí)現(xiàn)真正的在線連續(xù)變頻提供依據(jù)。

交交變頻器；邏輯無環(huán)流；雙變量；小電流檢測；電流無死區(qū)；連續(xù)變頻

0 前言

傳統(tǒng)的交交變頻器的主要運(yùn)行可以分為有環(huán)流運(yùn)行方式和無環(huán)流運(yùn)行方式[1-3]。有環(huán)流的運(yùn)行方式，有比較大的環(huán)流流過變頻器的正組、負(fù)組晶閘管，這樣不僅僅可以減小輸出電壓的諧波分量，而且可以簡化控制方案，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能[4-7]。然而，由于加入的環(huán)流電抗器體積龐大，價(jià)格昂貴，增加了系統(tǒng)的設(shè)備投資，最重要的是降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，故而在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，受到了一定的限制。無環(huán)流運(yùn)行方式又分為邏輯無環(huán)流和錯位無環(huán)流兩種運(yùn)行方式，這種運(yùn)行方式雖然可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無環(huán)流，但會增加換流的死區(qū)時(shí)間，對系統(tǒng)極為不利。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]中介紹的雙變量交交變頻器自然無環(huán)流運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流、無死區(qū)；參考文獻(xiàn)[11]和[12]在雙變量自然無環(huán)流運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的余弦交截法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了交交變頻實(shí)時(shí)在線計(jì)算觸發(fā)點(diǎn)，減少了設(shè)計(jì)的計(jì)算量。但是，由于這兩種方式在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速的時(shí)候，對于不同的電機(jī)以及不同的負(fù)載，都需要先計(jì)算出電流對電壓的滯后角度，這樣就給設(shè)計(jì)工作帶來了繁瑣的工作量，且增加了調(diào)試的工作量，故而這兩種運(yùn)行方式都不具備普適性。

本文在雙變量交交變頻器自然無環(huán)流運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，增加了小電流檢測模塊，提出了電流無死區(qū)換向控制策略，并且在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了模型，進(jìn)行仿真；搭建了基于ARM的雙變量交交變頻器電流無死區(qū)換向?qū)嶒?yàn)平臺，進(jìn)行試驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了電流無死區(qū)換向控制策略的正確性和可行性，最后得出該控制策略可以為交交變頻器連續(xù)變頻提供依據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于交交變頻器的工業(yè)領(lǐng)域。

1 電流無死區(qū)換向控制策略

1.1 雙變量交交變頻自然無環(huán)流運(yùn)行方式

自然無環(huán)流運(yùn)行方式基本可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流，無死區(qū)運(yùn)行，但這是建立在對系統(tǒng)的狀況的準(zhǔn)確判斷，并且準(zhǔn)確設(shè)定系統(tǒng)的換流片段的基礎(chǔ)上。根據(jù)自然無環(huán)流控制策略，假如對系統(tǒng)的換流范圍判斷的不合理，則會出現(xiàn)兩種情況：（1）判斷的換流片段超前于實(shí)際的換流片段，則會出現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)流；（2）判斷的換流片段滯后于實(shí)際的換流片段，則會出現(xiàn)死區(qū)。所以，自然無環(huán)流運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)，需要具有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確的判斷出負(fù)載情況，并且不同的負(fù)載情況時(shí)需要更換系統(tǒng)的設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無死區(qū)無環(huán)流運(yùn)行，這就增加了調(diào)試實(shí)驗(yàn)的工作量。

1.2 電流無死區(qū)換向控制策略

電流無死區(qū)換向控制策略的工作原理就是在原來自然無環(huán)流運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，在實(shí)時(shí)在線變頻的前提下，增加了小電流檢測環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷出系統(tǒng)的換流片段，并且在該片段的合適時(shí)刻發(fā)出換流信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的換流工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流無死區(qū)運(yùn)行。

電流無死區(qū)換向控制策略具有自然無環(huán)流運(yùn)行方式的一切優(yōu)點(diǎn)，并且在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩點(diǎn)重要的改進(jìn)：其一是將原來的自然無環(huán)流運(yùn)行方式的離線計(jì)算觸發(fā)時(shí)刻的方式通過軟件編程的方式改為在線實(shí)時(shí)計(jì)算觸發(fā)時(shí)刻；其二是增加了小電流檢測環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動換流。

圖1 電流無死區(qū)換向?qū)崿F(xiàn)時(shí)序圖

下面就針對如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流無死區(qū)換向做一個討論，以五分頻為例，圖2~13是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流無死區(qū)換向控制策略的時(shí)序圖：圖中A、B、C、D、E、F分別代表系統(tǒng)的六相交流電源，o是輸出電壓的過零點(diǎn)，a、b、c、d、e、f、g是負(fù)載電流可能的過零點(diǎn)，其中o點(diǎn)過零相當(dāng)于負(fù)載功率因數(shù)為1，g點(diǎn)過零相當(dāng)于負(fù)載的功率因數(shù)為0。

（1）如果系統(tǒng)在o~a之間檢測到小電流信號，則根據(jù)自然無環(huán)流控制方式，在檢測到小電流信號的時(shí)刻，將A相的晶閘管正反組全部打開。同時(shí)改變觸發(fā)策略，計(jì)算B相的正組晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻。待到達(dá)該時(shí)刻時(shí)，觸發(fā)B相正組晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自然換流；

（2）同理，如果系統(tǒng)在a~b（或者b~c，或者c~d，或者d~e，或者e~f，或者f~g）之間檢測到小電流信號，則根據(jù)自然無環(huán)流控制方式，在檢測到小電流信號的時(shí)刻，將B（或者C，或者D，或者E，或者F，或者A）相的正反組晶閘管全部打開，同時(shí)改變觸發(fā)策略，計(jì)算C（或者D，或者E，或者F，或者A，或者B）相的正組晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，待到達(dá)該時(shí)刻時(shí)，觸發(fā)C（或者D，或者E，或者F，或者A，或者B）相正組晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自然換流；

（3）如果系統(tǒng)到達(dá)g點(diǎn)仍未檢測到小電流信號，則系統(tǒng)會在檢測結(jié)束時(shí)，給計(jì)算程序一個換流信號，從而保證系統(tǒng)能夠在0~90°之間換流。

其他情況和這里的表述具有對稱性，并且從時(shí)序圖上可以看出，系統(tǒng)的輸出電壓在電流過零時(shí)刻所處的片段上，會出現(xiàn)一個大的波頭。也就是說在每半個周期中，都會有一個晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間特別長，從而將電流可能出現(xiàn)的反向，都限制在這個時(shí)間段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自然無環(huán)流。

1.3 小電流檢測電路的設(shè)計(jì)

為了精確地檢測到設(shè)定的小電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流無死區(qū)換向，設(shè)計(jì)了基于LM339的雙限過零比較電路，以檢測負(fù)載的電流，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的要求。其電路原理圖如圖2所示。電流互感器采集到的電流信號，在通過由LM339組成的雙限比較器后，再經(jīng)過與門，給CPU一個小電流信號，從而實(shí)現(xiàn)小電流的檢測。

圖2 小電流檢測電路原理圖

2 仿真及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)雙變量交交變頻器電流無環(huán)流換向控制策略的原理，基于MATLABSimulink環(huán)境建立仿真模型圖如圖3所示。該模型包括六相電源模塊，交交變頻器模塊，電機(jī)模塊，觸發(fā)模塊，電流檢測模塊和一些檢測模塊。

圖3 仿真模型圖

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按照上述雙變量交交變頻器電流無死區(qū)控制原理的分析，結(jié)合ARM芯片的功能以及使用特性[15-17]，編寫出系統(tǒng)程序的主流程圖如圖4所示，其中實(shí)時(shí)計(jì)算程序是這個系統(tǒng)的核心部分，所以也在此列寫出來。

圖4 主程序和時(shí)時(shí)計(jì)算子程序框圖

2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)雙變量交交變頻電流無死區(qū)換向原理和仿真模型搭建系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，其系統(tǒng)框圖如圖5所示。其中，系統(tǒng)的主回路由電源部分、三相變六相變壓器、晶閘管轉(zhuǎn)換電路和負(fù)載電機(jī)組成。系統(tǒng)的控制回路部分可以分為ARM及其擴(kuò)展電路、同步電路、電壓信號檢測模塊、小電流檢測部分、脈沖觸發(fā)模塊、通信接口、人機(jī)界面等模塊構(gòu)成。其中，為了使小電流檢測的結(jié)果更準(zhǔn)確，將小電流檢測用的電流互感器安裝在變頻器的輸出端，直接測量負(fù)載電流。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果分析

圖6是變頻器輸出為10Hz時(shí)的U相電壓和電流波形，由仿真圖形可以看出：圖中a，b，c三點(diǎn)是換流點(diǎn)，從總體上看變頻器輸出電壓的對稱性和正弦度都較好，并且在換流點(diǎn)處無波動；電流波形的平滑性較好，電流能夠很平緩地?fù)Q向，無換流死區(qū)。

圖6 仿真效果圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)平臺中用到的負(fù)載電機(jī)是型號為JR51-4的繞線式異步電動機(jī)。圖7所示為輸出為10Hz下的電壓和電流波形圖。

由圖7可以看出：所設(shè)計(jì)的雙變量交交變頻器電流無死區(qū)換向系統(tǒng)，輸出電壓波形的整體對稱度較好，正弦度也較好；電流波形比較穩(wěn)定、平滑，換向時(shí)沒有電流死區(qū)。

圖7 五分頻（10Hz）的實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明了雙變量交交變頻器電流無死區(qū)換向控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)電流的無死區(qū)換向，且變頻器的輸出電壓電流波形都很好。由于在電流無死區(qū)換向控制策略中加入了小電流檢測環(huán)節(jié)，使得該系統(tǒng)能夠自己根據(jù)帶載情況和給定的頻率，去調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電流換向時(shí)刻，且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，為雙變量交交變頻器實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線變頻提供了依據(jù)，在研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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Commutation Control Strategy and Its Implementation for AC/AC CycloconverterBased on Current without Dead Zone

LU Xikun, GONG Yinmiao, FAN Qiufeng, LI Zhengbin, SONG Zhihui

(Electronic Information and Electrical Engineering Department, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)

To overcome the disadvantage of traditional cycloconverter logic without circulation control strategy, control strategy based on double-variables cycloconverter current without dead zone is proposed on the basis of original double-variables cycloconverter natural without circulation control strategy while added the low current detection. A MATLAB/Simulink simulation model is established for simulation and analysis. Finally, a digital experiment platform based on double-variables cycloconverter current control strategy with no dead zone is set up and a lot of experiments were done. Simulation and experimental results further validate the feasibility of current without dead zone control strategy, hence it comes to a conclusion that using the double-variables current without dead zone control strategy could provide the basis of true online continuous variable frequency for cycloconverter.

AC/AC cycloconverter; logic without circulation; double-variables; low current detection; current without dead zone; continuous variable frequency

TM46

A

1000-3983(2018)03-0066-05

2018-01-11

安陽工學(xué)院2018年度校青年基金(QJJ2018010)

魯西坤（1988-），碩士，研究方向：電力電子裝置與電氣傳動，現(xiàn)主要從事交交變頻的理論與實(shí)踐研究，講師。