交交变频电流无死区换向控制策略及实现

鲁西坤，巩银苗，范秋凤，李正斌，宋治会



交交变频电流无死区换向控制策略及实现

鲁西坤，巩银苗，范秋凤，李正斌，宋治会

（安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000）

针对传统的交交变频器的逻辑无环流控制策略存在死区的缺点，在原有的双变量交交变频器自然无环流控制策略的基础上，加入了小电流检测，提出了一种基于双变量的交交变频器电流无死区换向控制策略。并建立了MATLAB/Simulink的仿真模型，进行了仿真分析。最后，搭建了双变量交交变频器电流无死区换向控制的数字化实验平台，做了大量的实验。仿真和实验结果进一步验证了电流无死区换向控制策略的可行性。得出结论：电流无死区换向控制策略可以为交交变频器实现真正的在线连续变频提供依据。

交交变频器；逻辑无环流；双变量；小电流检测；电流无死区；连续变频

0 前言

传统的交交变频器的主要运行可以分为有环流运行方式和无环流运行方式[1-3]。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，这样不仅仅可以减小输出电压的谐波分量，而且可以简化控制方案，提高系统的动态性能和稳态性能[4-7]。然而，由于加入的环流电抗器体积庞大，价格昂贵，增加了系统的设备投资，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。无环流运行方式又分为逻辑无环流和错位无环流两种运行方式，这种运行方式虽然可以实现系统无环流，但会增加换流的死区时间，对系统极为不利。

文献[1]和文献[8]中介绍的双变量交交变频器自然无环流运行方式可以实现系统的无环流、无死区；参考文献[11]和[12]在双变量自然无环流运行方式的基础上对传统的余弦交截法进行了改进，实现了交交变频实时在线计算触发点，减少了设计的计算量。但是，由于这两种方式在进行电机调速的时候，对于不同的电机以及不同的负载，都需要先计算出电流对电压的滞后角度，这样就给设计工作带来了繁琐的工作量，且增加了调试的工作量，故而这两种运行方式都不具备普适性。

本文在双变量交交变频器自然无环流运行方式的基础上，增加了小电流检测模块，提出了电流无死区换向控制策略，并且在MATLAB/Simulink环境下建立了模型，进行仿真；搭建了基于ARM的双变量交交变频器电流无死区换向实验平台，进行试验。仿真和实验结果证明了电流无死区换向控制策略的正确性和可行性，最后得出该控制策略可以为交交变频器连续变频提供依据，可以广泛应用于交交变频器的工业领域。

1 电流无死区换向控制策略

1.1 双变量交交变频自然无环流运行方式

自然无环流运行方式基本可以实现系统的无环流，无死区运行，但这是建立在对系统的状况的准确判断，并且准确设定系统的换流片段的基础上。根据自然无环流控制策略，假如对系统的换流范围判断的不合理，则会出现两种情况：（1）判断的换流片段超前于实际的换流片段，则会出现系统环流；（2）判断的换流片段滞后于实际的换流片段，则会出现死区。所以，自然无环流运行方式的实现，需要具有大量的实践经验，能够准确的判断出负载情况，并且不同的负载情况时需要更换系统的设定，以实现系统的无死区无环流运行，这就增加了调试实验的工作量。

1.2 电流无死区换向控制策略

电流无死区换向控制策略的工作原理就是在原来自然无环流运行方式的基础上，在实时在线变频的前提下，增加了小电流检测环节，使系统能够准确地判断出系统的换流片段，并且在该片段的合适时刻发出换流信号，实现系统的换流工作，从而实现系统的无环流无死区运行。

电流无死区换向控制策略具有自然无环流运行方式的一切优点，并且在其基础上进行了两点重要的改进：其一是将原来的自然无环流运行方式的离线计算触发时刻的方式通过软件编程的方式改为在线实时计算触发时刻；其二是增加了小电流检测环节，实现系统的自动换流。

图1 电流无死区换向实现时序图

下面就针对如何实现系统的电流无死区换向做一个讨论，以五分频为例，图2~13是实现系统的电流无死区换向控制策略的时序图：图中A、B、C、D、E、F分别代表系统的六相交流电源，o是输出电压的过零点，a、b、c、d、e、f、g是负载电流可能的过零点，其中o点过零相当于负载功率因数为1，g点过零相当于负载的功率因数为0。

（1）如果系统在o~a之间检测到小电流信号，则根据自然无环流控制方式，在检测到小电流信号的时刻，将A相的晶闸管正反组全部打开。同时改变触发策略，计算B相的正组晶闸管的触发时刻。待到达该时刻时，触发B相正组晶闸管，从而实现系统的自然换流；

（2）同理，如果系统在a~b（或者b~c，或者c~d，或者d~e，或者e~f，或者f~g）之间检测到小电流信号，则根据自然无环流控制方式，在检测到小电流信号的时刻，将B（或者C，或者D，或者E，或者F，或者A）相的正反组晶闸管全部打开，同时改变触发策略，计算C（或者D，或者E，或者F，或者A，或者B）相的正组晶闸管的触发时刻，待到达该时刻时，触发C（或者D，或者E，或者F，或者A，或者B）相正组晶闸管，从而实现系统的自然换流；

（3）如果系统到达g点仍未检测到小电流信号，则系统会在检测结束时，给计算程序一个换流信号，从而保证系统能够在0~90°之间换流。

其他情况和这里的表述具有对称性，并且从时序图上可以看出，系统的输出电压在电流过零时刻所处的片段上，会出现一个大的波头。也就是说在每半个周期中，都会有一个晶闸管的导通时间特别长，从而将电流可能出现的反向，都限制在这个时间段内，实现系统的自然无环流。

1.3 小电流检测电路的设计

为了精确地检测到设定的小电流，实现系统的电流无死区换向，设计了基于LM339的双限过零比较电路，以检测负载的电流，达到系统设定的要求。其电路原理图如图2所示。电流互感器采集到的电流信号，在通过由LM339组成的双限比较器后，再经过与门，给CPU一个小电流信号，从而实现小电流的检测。

图2 小电流检测电路原理图

2 仿真及实验系统设计

2.1 仿真模型的建立

根据双变量交交变频器电流无环流换向控制策略的原理，基于MATLABSimulink环境建立仿真模型图如图3所示。该模型包括六相电源模块，交交变频器模块，电机模块，触发模块，电流检测模块和一些检测模块。

图3 仿真模型图

2.2 系统的软件设计

按照上述双变量交交变频器电流无死区控制原理的分析，结合ARM芯片的功能以及使用特性[15-17]，编写出系统程序的主流程图如图4所示，其中实时计算程序是这个系统的核心部分，所以也在此列写出来。

图4 主程序和时时计算子程序框图

2.3 系统的硬件设计

根据双变量交交变频电流无死区换向原理和仿真模型搭建系统的实验平台，其系统框图如图5所示。其中，系统的主回路由电源部分、三相变六相变压器、晶闸管转换电路和负载电机组成。系统的控制回路部分可以分为ARM及其扩展电路、同步电路、电压信号检测模块、小电流检测部分、脉冲触发模块、通信接口、人机界面等模块构成。其中，为了使小电流检测的结果更准确，将小电流检测用的电流互感器安装在变频器的输出端，直接测量负载电流。

图5 实验系统框图

3 仿真和实验结果及分析

3.1 仿真结果分析

图6是变频器输出为10Hz时的U相电压和电流波形，由仿真图形可以看出：图中a，b，c三点是换流点，从总体上看变频器输出电压的对称性和正弦度都较好，并且在换流点处无波动；电流波形的平滑性较好，电流能够很平缓地换向，无换流死区。

图6 仿真效果图

3.2 实验结果分析

实验平台中用到的负载电机是型号为JR51-4的绕线式异步电动机。图7所示为输出为10Hz下的电压和电流波形图。

由图7可以看出：所设计的双变量交交变频器电流无死区换向系统，输出电压波形的整体对称度较好，正弦度也较好；电流波形比较稳定、平滑，换向时没有电流死区。

图7 五分频（10Hz）的实验波形

4 结论

通过仿真和实验验证，结果证明了双变量交交变频器电流无死区换向控制策略能够很好地实现电流的无死区换向，且变频器的输出电压电流波形都很好。由于在电流无死区换向控制策略中加入了小电流检测环节，使得该系统能够自己根据带载情况和给定的频率，去调节系统的电流换向时刻，且具有很强的适应性，为双变量交交变频器实现连续在线变频提供了依据，在研究和工业应用领域都有很高的应用价值。

[1] 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(s1):154-157.

[2] Chen D. Research on Principles of the Voltage Mode AC/AC Converters with High Frequency AC Link[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2001.

[3] 吴胜华, 刘潇. 一种新型矩阵式AC/DC变换器研究[J]. 空军预警学院学报, 2012, 26(3):208-210.

[4] 吴胜华, 郑勃, 刘潇. 矩阵式单相变频电源自然换流驱动策略研究[J]. 空军预警学院学报, 2011, 25(3):189-191.

[5] 何瑞金, 吴庆彪. 基于DSP的永磁方波无刷直流电动机数字控制系统[J]. 微计算机信息:测控仪表自动化, 2003(10):34-35.

[6] 董亚娟. 全数字交流永磁同步电机控制系统研究与设计[D]. 西北工业大学, 2007.

[7] 李玉玲, 王自涛, 戈宝军. 同步电动机静止变频自然换流起动过程研究[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2000, 5(1):79-82.

[8] 杜庆楠, 王新. 晶闸管相控变流器及变频器的双变量相控理论[M]. 煤炭工业出版社, 2006.

[9] 李光叶, 苏玉民, 文小青. 自然换流AC/AC变频控制器数字化实现方法[J]. 电力电子技术, 2011, 45(9):24-26.

[10] 王兆安. 电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2005.

[11] 杜庆楠, 田力, 刘霄. 基于双变量的交交变频器实时变频策略的研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2014, 33(2):197-201.

[12] 谭兴国, 王艳, 王剑波. 交交变频器余弦交截法微机实现方法研究[J]. 电气开关, 2005, 43(4):17-20.

[13] 何必, 林桦, 邹云屏. 实现余弦交点法的一种近似算法[J]. 电力电子技术, 2004, 38(3):79-81.

[14] 彭刚, 秦志强. 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M]. 电子工业出版社, 2011.

[15] 王立飞. 基于ARM的三相交流异步电动机调速系统研究[D]. 华中农业大学, 2010.

[16] 朱高中. 变频调速系统控制方法的研究[J]. 中国农机化学报, 2012(4):134-137.

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

安阳工学院2018年度校青年基金(QJJ2018010)

鲁西坤（1988-），硕士，研究方向：电力电子装置与电气传动，现主要从事交交变频的理论与实践研究，讲师。