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六脉波双变量交交变频器有级变频调压调速的研究.docx
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六脉波双变量交交变频器有级变频调压调速的研究.docx
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作为人口大国,我国面临的能源问题日益严峻。变频技术作为一种低耗且
清洁的手段,在工业生产中得到了广泛应用
[1,2]
。六脉波双变量交交变频器可以
输出传统交交变频器所能输 出的所 有频率 ,理论上,其在 25 Hz 以上还可输出
27.27 Hz、30 Hz、33.33 Hz、37.5 Hz 以及 42.85 Hz 等 5 个频段
[3]
。此外,六
脉波双变量交交变频器主电路所使用的晶闸管数量为传统交交变频器的一半,
节约了变频器的制造成本,并提升了电动机变频调速的范围。由于六脉波双变
量交交变频器的主电路采用零式结构,其本身包含调压电路,因此在中频段结合
闭环调压技术可以拓宽中频段调速范围,增强电机抗干扰能力。综上所述,在双
变量余弦交截法
[4,5]
的基础之上,对六脉波双变量交交变频器中的频段有级连续
变频调速方式进行研究,具有较重要的经济和工程应用价值。
1 六脉波 双变量交 交变频 器中频段 控制原 理
在 中 频 段 可 选 取 的 频 率 共 有 6 个 (16.67 Hz、 17.65 Hz、 18.75 Hz、 20
Hz、21.43 Hz、23.07 Hz)。六脉波双变量交交变频器的主电路采用零式结构。
如图 1 所示,该主电路是由三相变六相的变压器和 U 相、V 相、W 相 3 个模块
共同构成。其中 A、B、C、D、E、F 为六相相位互错 60°的输入电源,是通过
三相工频电源 A
1
、B
1
、C
1
经三相变六相变压器转换得到的
[6]
,然后接到变频器
的输入端。变频器的输出端接到三相交流异步电机进行变频调速。变频器主电
路的 U 相模块、V 相模块和 W 相模块均由 12 个晶闸管分 6 组反并联组成。
图 1
图 1 六脉波交交变频器主电路结构简图
Figure 1. Main circuit structure of six pulse cycloconverter
1.1 双变量交交变 频控制原理
传统的余弦交截法属于单变量相控理论,其核心是通过控制触发角来控制
变流器晶闸管的导通。双变量控制理论
[7,8,9]
在单变量控制理论的基础之上发展
而来,即在传统的余弦交截法的基础之上增加了对脉冲宽度的控制。其触发角
大小的确定和单变量相控理论一样,增加脉冲宽度的控制可以闭锁可能出现的
各种环流条件并引导电流换向
[10,11]
,从而实现自然无环流的工作方式。触发角和
脉冲宽度可以根据实际情 况进 行调整,其基本 控制 原则如下:(1)当电流 为正 时
(从电源侧流向电动机),给正组晶闸管发触发脉冲,其触发时刻由基准波与同步
余弦波的下降沿交点来确定;(2)当电流为负时(从电动机流向电源侧),给反组晶
闸管发触发脉冲,其触发时刻由基准波与同步余弦波的上升沿交点来确定;(3)当
电流反向时,控制触发脉冲的宽度,以实现自然无环流;(4)当电流为零时,晶闸管
的触发时刻可以不受限制。六脉波双变量控制触发脉冲函数
[3]
为
ppq(t)=∑k=0∞{ut0+q3t1+kT1-M(t)-ut0+q3t1+kT1-M(t)+b(t)}
(1)
式中,$p_{pq} (t) $为双变量控制触发脉冲函数;下角 p 为输出相号;q 为输入
相号; $t_0$ 为 正 型 波 和 负 型 波 过渡时的修正时间; $T_1$ 为输入电压的周
期;M(t)为调制函数;b(t)为脉冲宽度函数。按照上述触发脉冲函数和控制原则,并
用对称余弦法优化波形,可以得出双变量六脉波交交变频器输出频率的经验计
算式为
fo=6n+6fi,n=0,1,2,…
(2)
式中, $f_i$ 为输入频率; $f_o$ 为输出频率。
在式(2)条件下,变频器可以使输出的频率范围更宽,理论上可从 3/4 分频提
高到 6/7 分频(42.85 Hz),这对于交交变频器来说是一个重要的技术突破。
1.2 晶闸管自然换 相过程
基于双变量交交变频原理而得到的 16.67Hz 电压波形原理图如图 2 所示。
其中,上方的黑色包络线是 U_O 在频率为 16.67Hz,换流角为 60°时,六脉波双
变量交交变频器按余弦交截法控制输出的波形图。其中,A、B、C、D、E、F
为六相互错 60°的交流输入电源电压波形,TA、TB、TC、TD、TE、TF 为六相
输入电源的同步波波形,下方黑色余弦波形 U 为基准波电压波形。本文将以此
为例来对自然无环流工作方式下交交变频器电流过零时晶闸管自然换相过程
进行说明。设图中 o 点为变频器输出电压波形的起始零点,k 点为电压波形上对
应的 90°点,a、b、c、d、e 等点为负载电流在 o~k 点间可能的过零点。若电流
在 o 点过零,此时负载功率因数为 1,对应的功率因数角为 0°;若电流在 k 点过零,
则此时负载功率因数 为 0,对应的功率因数 角为 90°。具体 换相过程参见文献
[12]。
图 2
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