两相连续型阻塞式交交变频电源

节能降耗是世界各国追求的共同目标，同时也是我国坚持走可持续发展之路的重要战略[1]。变频技术作为重要的节能手段，倍受国内外学者关注[2]。目前变频传动系统主要分为：交直交间接变频、交交直接变频以及矩阵变换器[3-4]。交直交间接变频由于其自身逆变机理，能够实现基频以上变频，因此发展迅速，广泛应用于工业领域，但是其存在中间环节与滤波环节、电解电容性能及价格不理想、可逆运行复杂[5-6]；交交直接变频仍旧停留在SCR工频移相控制水平，且存在低频段功率因数偏低与谐波污染等问题[7-8]；矩阵变换虽然省略了中间环节，却带来器件偏多、换流困难等问题[9-10]。为了改善传统变频技术的不足，采用新理论并开发全新变频控制系统成为众多学者的研究方向[11-12]。

本文提出一种两相连续型阻塞式交交变频电源，用于实现从交流到交流的直接频率及幅值变换。设计硬件调理电路及主功率电路，依靠dSPACE实时控制系统对控制策略进行半实物验证，并采用ControlDesk软件测试平台，完成变频电源软件部分参数的整定，同时与PC对接，实现对控制过程的在线观测[13]，最后设计以STM320F2812为核心的阻塞式交交变频电源。其具有硬件体积小、控制方便和价格低廉等优势，主要应用于工频以下调频场合，能够满足低频及超低频的变频需求，适用于家用电器、风机泵类调速、软启动器等节电领域。

1 系统原理

1.1 技术思路

两相连续型阻塞式变频电源的原理如图1所示，包括单相变两相的交流变压器、2个由二极管和MOSFET构成的双向交流开关和负载。两相变压器产生两相互错180°电网电压作为输入电压，使用电压相位检测电路对输入电压进行过零点定位，通过控制算法对输入电压相位实施周期性阻塞和拼接，进一步进行SPWM斩波调压处理，得到用于控制双向交流开关的触发脉冲，控制输入网频电压周期性导通，实现变频及调压的目的。

图1 两相连续型阻塞式变频电源
Fig.1 Two-phase continuous plugged-type frequency conversion power supply

1.2 阻塞调频控制

首先对输入两相电压作周期性互补阻塞，并将阻塞后两路电压进行拼接处理。将期望输出频率调制信号半周期内所包含的波头个数作为衡量频率等级的标准，参考波头个数对开关管施加可变的网频半波导通信号。控制输入网频电压180°周期性导通，实现等效于参考信号输出频率的网频电压波形，连续型阻塞控制下10 Hz（5分频）输出电压波形如图2所示。

图2 10 Hz（5分频）输出电压波形
Fig.2 Waveforms of 10 Hz （5 frequency divisions）output voltage

将阻塞控制策略推广，以开关管1为参考，可得N分频下阻塞控制规律为

式中：N1为调制波半波内开关管1导通的网频半波个数；N2为调制波半波内开关管2导通的网频半波个数；M代表分频系数；fo为输出电压频率；fi为输入网频电压频率。

根据面积等效原理可得阻塞拼接处理后的输出电压频率及幅值为

式中：Vim为输入电压幅值；Vom为等效输出电压幅值；Ti为输入电压周期；To为输出电压周期；M代表分频系数；ωi为输入电压角频率；ωo为输出电压角频率。

由式（2）可得

又由分频系数可得输入、输出电压频率关系为

联立式（3）和式（4）可得输入、输出电压幅值关系为

由式（4）和式（5）可以看出，阻塞后电压频率随波头数的增加而减小，输出电压幅值与输入网频电压幅值等效。

1.3 斩波调压控制

当前家用电器及工业拖动大多采用交流电机，属于阻感性负载，采用恒压频比控制可以满足控制要求[14]，即随频率的降低，输出电压幅值同比例变化。而电压幅值的调节方式主要采用斩波调压：等脉宽斩波和SPWM斩波[15]。等脉宽斩波利用固定占空比触发脉冲控制开关管，实现等脉宽调压控制，控制简单、脉冲容易产生，但存在电压正弦度不好的问题；随着微处理器功能的不断完善，10 kHz以上高频SPWM斩波成为可能，利用复杂的控制策略与高频脉冲序列，能够实现类似于正弦的斩波控制结果。

用于连续阻塞控制的SPWM斩波调压原理如图3所示，按照调制波电压幅值对输入网频电压变脉宽斩波处理，即：在调制波半周内使高频触发脉冲由窄变宽再变窄，最大脉冲宽度出现在1/2网频半波位置，据此处理后的电压波形在滤波续流之后，其幅值与调制信号大致相同。

根据SPWM原理，触发脉冲宽度按照正弦规律变化，且在1/2网频半波中心位置左右对称，为了实现良好的控制效果，精确地占空比计算显得尤为重要，经高频斩控后的期望电压为

图3 连续阻塞控制的SPWM斩波调压原理
Fig.3 Principle of SPWM chopper voltage regulation for continuous plugged-type control

式中：vo为t时刻的期望输出电压幅值；Vom为阻塞后的期望输出电压幅值；ωo为阻塞控制后的期望输出电压角频率。

根据面积等效原理，将式（6）时间求积分可得

又由输出规律可得

如果将期望输出频率的正弦波作为调制信号，假使第p个经高频脉冲斩控的输入网频半波电压幅值为Vpm，Vpm参考值在波头1/2时刻取得，Vpm与调制信号在此刻幅值等效。以5波头为例，Vpm取值时刻为推广到一般情况可得

根据斩波控制原理可得

由面积等效原理可得，M个高频斩控网频半波中的电压脉冲序列所包围的面积与期望电压半波包围的面积相等，即

由式（7）～式（11）可得

至此，所有期望工作频率下对应的高频脉冲占空比可由式（12）得出，改变波头数目和触发脉冲占空比，即可实现变频电源的调频与调压，从而满足各种负载的要求。分频系数与输出电压频率及幅值的关系如表1所示。

从表1中可以看出，随着分频系数的增加，电压频率和幅值同比例变化，能够实现变频调压控制，且在低频段输出电压频率等级差较小，适用于低频段及超低频段的变频电源。

表1 输出频率对应输出电压峰值
Tab.1 Peak values of output voltage corresponding to output frequencies

2 系统设计

系统硬件结构如图4所示，变频电源的控制部分采用STM320F2812作为主控芯片，用于阻塞及斩波控制策略的实施。信号调理部分主要分为电网相位检测和MOSFET驱动电路：电压相位检测电路使用220 V-15 V变压器作电压隔离，通过LM339N比较器和TL084反相器芯片实现电压过零点检测；驱动电路采用6N137高速光耦和UCC37321专用MOSFET驱动芯片，最大开关频率可达1 MHz。主功率部分采用IRF740的MOSFET管和HFA15TB60快恢复二极管。LRD构成开通缓冲电路，RC构成关断缓冲电路，用于减少开关管损耗，保障MOSFET的正常工作[16]；CLC构成π型滤波电路，用于消除高频到达负载波纹。实验测试的系统和主电路参数如表2所示，两相连续型阻塞式交交变频系统如图5所示。

图4 系统硬件结构
Fig.4 Hardware structure of system

表2 实验测试的系统和主电路参数
Tab.2 Parameters of test system and main circuit in the experiment

图5 两相连续型阻塞式交交变频系统
Fig.5 Two-phase continuous plugged-type AC frequency conversion system

3 实验验证与结果分析

采用dSAPCE公司的DS1104半实物仿真系统进行了实验验证。该系统是基于MATLAB/Simulink的实时开发测试平台，能够通过实物与MATLAB/Simulink的无缝对接，实现从Simulink数学模型到控制C代码的直接转换[17]。可以用于生成C代码的Simulink数学模型主要包括ADC模数转换模块、变频电源的控制模型、DAC数模转换模块以及PWM生成模块。ADC模块用于对电网相位的实时采样，并通过数字滤波得到精确的电网相位；控制模型主要包括滤波计数、频率转换、阻塞控制以及斩波控制，用于对电网相位过零点的计数、阻塞及斩波控制的实施，并最终计算出用于变频电源触发信号的占空比；PWM生成模块将前者计算出的占空比转变成触发脉冲信号，作为MOSFET驱动电路的入口信号；DAC模块采集观测信号，用于判断系统的运行状态。使用ControlDesk软件测试平台进行变频电源软件部分参数的整定，同时与PC对接，实现对控制过程的在线观测，实验验证结果与理论分析一致。

使用GWINSTEK示波器对两相连续型变频电源输出结果进行观测，阻塞控制脉冲及输出电压波形如图6所示。图6（a）为用于连续型阻塞控制的触发脉冲，从图中可以看出，两路触发信号互补导通；图 6（b）为阻塞控制下的 10 Hz（5分频）输出电压波形，输出电压频率跟随波头数变化，电压幅值不变。由此可以看出连续型阻塞式交交变频电源能够实现调频的目的。

SPWM斩波调压控制下的触发脉冲和输出电压波形如图7所示。图7（a）中触发脉冲依旧为互补信号，图中阴影包含众多高频脉冲序列；图7（b）为高频斩控下的5.56 Hz（9分频）输出电压波形，阴影部分包含众多高频电压序列，通过调节占空比即可调压。由此可以得出，连续型阻塞式交交变频电源能够实现调压的目的。

图6 阻塞控制脉冲及输出电压波形
Fig.6 Waveforms of plugged-type control pulse and output voltage

图7 SPWM斩波控制脉冲及输出电压波形
Fig.7 Waveforms of SPWM chopper control pulse and output voltage

CLC滤波下的输出电压波形如图8所示，分别为 5.56 Hz（9 分频）和 2.63 Hz（19 分频）下的输出电压波形，二者具有一定的正弦度，且随着波头数的增加，输出电压正弦度愈来愈好。因此，在低频与超低频段，两相连续型交交变频电源具有更良好的性能。

图8 CLC滤波下的输出电压波形
Fig.8 Waveforms of output voltage under CLC filtering

4 结语

从理论分析到实验验证表明，两相连续型阻塞式交交变频电源能够实现工频以下的调压、调频，同时硬件结构仅需2个功率器件，与需要大量晶闸管的传统交交变频技术相比，具有控制简单、实现方便和成本低廉等优势；其采用高频脉冲序列对输入电压进行阻塞斩波控制，是对电网电压的直接变换，只存在基波和50 Hz电网频率分量，对电网表现仅为负载扰动，不同于谐波污染，与含有整流滤波环节的交直交变频技术相比，具有性能良好、谐波量少、功率因数高等优势。目前，大多数家用电器都采用单相交流电机，使用本方法不论是在性价比还是节能方面都不失为一种合理选择；同时在风机、水泵调速及软启动器领域能与价格高昂的变频器展开竞争。两相连续型阻塞式交交变频电源能够为面向家用电器、工厂中小容量排风设备的节能及换流方式的改进提供理论依据和实验指导。