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摘 要： 通过对传统交交变频控制系统的分析，提出采用恒压频比控制的新型变频调速系统的脉冲阻塞原理。通过对单相功率器件的导通、关断及脉冲阻塞和斩波信号的控制，实现了频率和幅值分别或同时可调的正弦度良好的输出电压波形，推出了频率和幅值的关系式。在此基础上分析了多相斩波控制原理，又根据面积等效原理推出多相阻塞后的电压波形在变脉宽斩波控制下占空比的数学表达式。设计了以十二相为例的连续型新型交交变频调速系统。实现了电机在中低频段或超低频段输出电压的频率和幅值同时可调、电压输出波形正弦度良好的功能。在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型进行仿真实验，验证可行性。
关键词： 多相连续控制; 脉冲阻塞; 交交变频; 调速系统; MATLAB仿真
中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2019）07-15-04
Abstract： Through the analysis of the traditional AC frequency conversion control system， the pulse blocking principle of the new variable frequency speed control system using constant voltage frequency ratio control is proposed. By controlling the on， off and pulse blocking of the single-phase power device and the chopping signal control， the output voltage waveform with good sinusoidal is generated， and its frequency and amplitude can be adjusted separately or simultaneously. The relationship between the frequency and amplitude is introduced. On this basis， the principle of multi-phase chopping control is analyzed， and the mathematical expression of the duty cycle of multi-phase blocking voltage waveform under variable pulse width chopping control is introduced according to the area equivalent principle. A new type of multiphase continuous AC variable frequency speed regulation system is designed， in which 12-phase is taken as an example. The function that the frequency and amplitude of the output voltage of the motor in the middle or low frequency band or the ultra low frequency band are simultaneously adjustable is realized， and the sinusoidality of the voltage output waveform is good. The simulation model is built in the MATLAB/Simulink environment， and the feasibility is verified by simulation experiment.
Key words： multi-phase continuous control; pulse blocking; crossover frequency conversion; speed regulation system; MATLAB simulation
0 引言
电机及其控制系统作为工农业生产中的关键基础设备一直发挥着重要作用，尤其是变频调速技术在具有高性能和高精度的电机调速系统中更是处于重要地位。对其运行效率和控制性能提升的研究一直都是企业和学者长期关注的热点[1-2]。就现阶段的变频调速系统而言，功率转换模式分为交直交间接变频和交交直接变频两类[3-4]。交直交间接变频技术的优点是它具有良好的调速性能、发展迅速;缺点是需要整流和滤波，对电解电容有较高的要求;其次在可逆运行时需设置两套逆变装置;相对于交交直接变频，交直交间接变频控制更复杂成本也相对较高[5]。交交直接变频的优点是没有中间滤波环节;缺点是低频段功率因数偏低，存在谐波污染，使用器件偏多等问题。且它们常被用在大、中功率领域，极少涉及小功率领域[6]。为了提高变频技术的实用性，本文变频调速所使用的拓扑结构是交交直接变频，并提出一种多相连续型新型交交变频调速系统[7]。
本文先对传统的晶闸管控制电路进行分析，研究其交交变频控制技术。并基于脉冲阻塞原理，在单相输入单相输出的基础上设计了多相连续型新型交交变频调速整个系统的数学模型。对其性能进行仿真，验证了该系统的可行性[8]。
1 传统交交变频器基本原理
图1为单相交交变频电路原理图，该电路由两组反并联晶闸管变流电路构成（P组和N组）。两组变流器按照一定的频率进行交替，负载就能得到对应的交流电。改变其切换频率和触发延时角α就能使输出角频率和电压幅值发生变化。若想使输出电压Uc的波形近似正弦波，則只需对触发延时角α依照正弦规律对其进行调制。也就是在半个周期内让控制角αp从90度依次减小至0或某固定数值再依次增大到90度。在另外半周期内让N组变流器做同样控制即可。 多相交交变频电路是由单相交交变频电路拓展而来，相比于交直交变频电路，交交变频电路省去直流环节，有较高利用率。但其所需晶闸管数量较多控制较复杂，谐波含量较大且功率因数较低。
2 单相脉冲阻塞交交变频原理
为了避免繁琐，本文先对单相输入单相输出的交交变频原理进行分析，本文中的单相输出电压也就是让输入的单相电压向负载提供若干段电源电压拼接而成，在输出电压的一个周期内包含电源电压段数越多其波形就越接近正弦波。图2为该变频电路图。
先让N个电网输入电压的1/2周期（电角度为180度）的正波头导通负波头阻塞，然后再让负波头导通，正波头阻塞。将所得波形组合拼接即可得到阻塞后的输出电压波形。以输出10HZ电压频率（波头数N=3）为例得如下波形图。
3 连续型脉冲阻塞式斩波原理
在单相脉冲阻塞的基础上拓展至多相脉冲阻塞。此处以十二相为例展开研究。为了使波形更加美观，对十二相进行阻塞和斩波时在其半个周期的前后各空出15度死区。根据单相控制规律可得十二相连续型交交变频的输出和输入电压的频率关系为：
其中N为半个周期对应波头数。由此可得出其输出电压波头、频率关系。
斩波调压控制技术可分为等脉宽斩波和变脉宽斩波，其操作非常方便，成熟度较高，应用也较广，在直流调压和交直交变频控制方面得到广泛应用。其中等脉宽斩波的触发信号是一列占空比相同的脉冲，改变占空比就能实现对电压幅值的连续可调。变脉宽的触发信号是一列由窄变宽至中点处再由宽变窄的对称脉冲，其脉宽随正弦波幅值变化。两者相比，变脉宽更接近正弦波其调速性能也更胜一筹。因此本文采用的是变脉宽斩波。
对称规则采样法的触发脉冲关于三角波最小幅值点对称，因此能在很大程度上降低计算量。取此处三角波的周期为Tc，触发脉冲导通时间Ton，三角波峰值Vi即输入电网电压峰值;正弦波峰值Vs即期望工作电压峰值，周期Ts，角频率wi。输出电压高频斩波调压后半个周期电压波形为：
4 十二相连续型新型交交变频调速系统
将以上分析的单相输入单相输出的连续型新型交交变频调速系统拓展至十二相输入三相输出的连续型新型交交变频调速系统中，其拓展后的结构如图4。
通过对输出电压波形半个周期内波头数及其输出频率和峰值的数值进行分析可以看出，输出电压的频率随着波头数的增加而依次减小，与此同时，输出电压的峰值也会随着调制度发生变化，也就是实现了电机在中低频段或超低频段的调速。
5 仿真与分析
根据上述控制规律，本文在Matlab/Simulink环境下搭建了十二相连续型新型交交变频调速系统仿真模型，该仿真模型主要由十二相电源模块、脉冲阻塞控制模块、斩波调压控制模块、滤波器模块、异步电动机组成。十二相电源模块是向整个系统提供十二相输入电压，脉冲阻塞控制模块是根据前面介绍的单相输入、单相输出的脉冲阻塞原理进行拓展搭建而成，也就是让N个输入电压的正半波头导通负半波头阻塞，再让N个输入电压的负半波头导通正半波头阻塞，不断循环，改变其正负半波的波头个数N和高频控制信号的占空比就能实现输出电压的调频调幅。斩波调压控制模块就是由冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，也就是所谓的面积等效原理，即将输出电压半个周期包含的N个网频正弦半波斩控为期望的正弦规律变换的变脉宽斩波控制信号。为了得到更加精确的期望输出电压波形此处使用了低通滤波器对输出电压进行滤波处理。
由图5和图6对比可知，同样的网频输入电压，波头数越多输出电压的频率就越低相对应的电压幅值也会跟着降低。在2.5s处给电机施加一个负载它的转速波形会略微摆动继而保持恒定，这是由电机采取的恒压频比控制规律决定。仿真结果与理论分析一致，验证了本文的可行性。
6 结束语
首先分析了传统变频控制系统原理，通过对新型脉冲阻塞及斩波信号的控制，推出了频率、幅值关系式及占空比的表达式。设计了以十二相为例的连续型交交变频调速系统。通过对多相调速系统的理论分析，在MATLAB/Simulink环境下进行仿真，验证了本文的可行性。从理论分析到实验验证呈现出所需器件少、控制简单、操作方便、系统的可靠性提高、波形正弦度更好、转速更平滑等优点。这为多相变频调速系统的应用提供依据，可在此领域广泛推广。
参考文献（References）：
[1] 董振斌，刘憬奇.中国工业电机系统节能现状与展望[J].电力需求侧管理，2016.18（2）：1-4
[2] 韦聪.风机和水泵类通用机械的节能技术[J].中国机械，2014.11：41-41
[3] 王兆安等.電力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.
[4] 林渭勋.现代电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.
[5] 郑诗程，邓荣军等.基于脉冲阻塞原理的波头连续型三相交交变频系统研究[J].电工技术学报，2012.27（5）：149-155
[6] 郑诗程，周谦之，曹小虎，朱虹.脉冲阻塞式交-交变频原理及PWM控制[J].电工技术学报，2010.25（5）：136-141
[7] 李玉东，李凯存，马星河.两相连续型阻塞式变频调速系统研究[J].测控技术，2017.36（11）：70-74
[8] Nagai S， Yamada Y， Handa N， et al. A 3-phase AC-ACmatrix converter Ga N chipset with drive-by-microwave technology[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society，2015.3（1）：7-14
关键词： 多相连续控制; 脉冲阻塞; 交交变频; 调速系统; MATLAB仿真
中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2019）07-15-04
Abstract： Through the analysis of the traditional AC frequency conversion control system， the pulse blocking principle of the new variable frequency speed control system using constant voltage frequency ratio control is proposed. By controlling the on， off and pulse blocking of the single-phase power device and the chopping signal control， the output voltage waveform with good sinusoidal is generated， and its frequency and amplitude can be adjusted separately or simultaneously. The relationship between the frequency and amplitude is introduced. On this basis， the principle of multi-phase chopping control is analyzed， and the mathematical expression of the duty cycle of multi-phase blocking voltage waveform under variable pulse width chopping control is introduced according to the area equivalent principle. A new type of multiphase continuous AC variable frequency speed regulation system is designed， in which 12-phase is taken as an example. The function that the frequency and amplitude of the output voltage of the motor in the middle or low frequency band or the ultra low frequency band are simultaneously adjustable is realized， and the sinusoidality of the voltage output waveform is good. The simulation model is built in the MATLAB/Simulink environment， and the feasibility is verified by simulation experiment.
Key words： multi-phase continuous control; pulse blocking; crossover frequency conversion; speed regulation system; MATLAB simulation
0 引言
电机及其控制系统作为工农业生产中的关键基础设备一直发挥着重要作用，尤其是变频调速技术在具有高性能和高精度的电机调速系统中更是处于重要地位。对其运行效率和控制性能提升的研究一直都是企业和学者长期关注的热点[1-2]。就现阶段的变频调速系统而言，功率转换模式分为交直交间接变频和交交直接变频两类[3-4]。交直交间接变频技术的优点是它具有良好的调速性能、发展迅速;缺点是需要整流和滤波，对电解电容有较高的要求;其次在可逆运行时需设置两套逆变装置;相对于交交直接变频，交直交间接变频控制更复杂成本也相对较高[5]。交交直接变频的优点是没有中间滤波环节;缺点是低频段功率因数偏低，存在谐波污染，使用器件偏多等问题。且它们常被用在大、中功率领域，极少涉及小功率领域[6]。为了提高变频技术的实用性，本文变频调速所使用的拓扑结构是交交直接变频，并提出一种多相连续型新型交交变频调速系统[7]。
本文先对传统的晶闸管控制电路进行分析，研究其交交变频控制技术。并基于脉冲阻塞原理，在单相输入单相输出的基础上设计了多相连续型新型交交变频调速整个系统的数学模型。对其性能进行仿真，验证了该系统的可行性[8]。
1 传统交交变频器基本原理
图1为单相交交变频电路原理图，该电路由两组反并联晶闸管变流电路构成（P组和N组）。两组变流器按照一定的频率进行交替，负载就能得到对应的交流电。改变其切换频率和触发延时角α就能使输出角频率和电压幅值发生变化。若想使输出电压Uc的波形近似正弦波，則只需对触发延时角α依照正弦规律对其进行调制。也就是在半个周期内让控制角αp从90度依次减小至0或某固定数值再依次增大到90度。在另外半周期内让N组变流器做同样控制即可。 多相交交变频电路是由单相交交变频电路拓展而来，相比于交直交变频电路，交交变频电路省去直流环节，有较高利用率。但其所需晶闸管数量较多控制较复杂，谐波含量较大且功率因数较低。
2 单相脉冲阻塞交交变频原理
为了避免繁琐，本文先对单相输入单相输出的交交变频原理进行分析，本文中的单相输出电压也就是让输入的单相电压向负载提供若干段电源电压拼接而成，在输出电压的一个周期内包含电源电压段数越多其波形就越接近正弦波。图2为该变频电路图。
先让N个电网输入电压的1/2周期（电角度为180度）的正波头导通负波头阻塞，然后再让负波头导通，正波头阻塞。将所得波形组合拼接即可得到阻塞后的输出电压波形。以输出10HZ电压频率（波头数N=3）为例得如下波形图。
3 连续型脉冲阻塞式斩波原理
在单相脉冲阻塞的基础上拓展至多相脉冲阻塞。此处以十二相为例展开研究。为了使波形更加美观，对十二相进行阻塞和斩波时在其半个周期的前后各空出15度死区。根据单相控制规律可得十二相连续型交交变频的输出和输入电压的频率关系为：
其中N为半个周期对应波头数。由此可得出其输出电压波头、频率关系。
斩波调压控制技术可分为等脉宽斩波和变脉宽斩波，其操作非常方便，成熟度较高，应用也较广，在直流调压和交直交变频控制方面得到广泛应用。其中等脉宽斩波的触发信号是一列占空比相同的脉冲，改变占空比就能实现对电压幅值的连续可调。变脉宽的触发信号是一列由窄变宽至中点处再由宽变窄的对称脉冲，其脉宽随正弦波幅值变化。两者相比，变脉宽更接近正弦波其调速性能也更胜一筹。因此本文采用的是变脉宽斩波。
对称规则采样法的触发脉冲关于三角波最小幅值点对称，因此能在很大程度上降低计算量。取此处三角波的周期为Tc，触发脉冲导通时间Ton，三角波峰值Vi即输入电网电压峰值;正弦波峰值Vs即期望工作电压峰值，周期Ts，角频率wi。输出电压高频斩波调压后半个周期电压波形为：
4 十二相连续型新型交交变频调速系统
将以上分析的单相输入单相输出的连续型新型交交变频调速系统拓展至十二相输入三相输出的连续型新型交交变频调速系统中，其拓展后的结构如图4。
通过对输出电压波形半个周期内波头数及其输出频率和峰值的数值进行分析可以看出，输出电压的频率随着波头数的增加而依次减小，与此同时，输出电压的峰值也会随着调制度发生变化，也就是实现了电机在中低频段或超低频段的调速。
5 仿真与分析
根据上述控制规律，本文在Matlab/Simulink环境下搭建了十二相连续型新型交交变频调速系统仿真模型，该仿真模型主要由十二相电源模块、脉冲阻塞控制模块、斩波调压控制模块、滤波器模块、异步电动机组成。十二相电源模块是向整个系统提供十二相输入电压，脉冲阻塞控制模块是根据前面介绍的单相输入、单相输出的脉冲阻塞原理进行拓展搭建而成，也就是让N个输入电压的正半波头导通负半波头阻塞，再让N个输入电压的负半波头导通正半波头阻塞，不断循环，改变其正负半波的波头个数N和高频控制信号的占空比就能实现输出电压的调频调幅。斩波调压控制模块就是由冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，也就是所谓的面积等效原理，即将输出电压半个周期包含的N个网频正弦半波斩控为期望的正弦规律变换的变脉宽斩波控制信号。为了得到更加精确的期望输出电压波形此处使用了低通滤波器对输出电压进行滤波处理。
由图5和图6对比可知，同样的网频输入电压，波头数越多输出电压的频率就越低相对应的电压幅值也会跟着降低。在2.5s处给电机施加一个负载它的转速波形会略微摆动继而保持恒定，这是由电机采取的恒压频比控制规律决定。仿真结果与理论分析一致，验证了本文的可行性。
6 结束语
首先分析了传统变频控制系统原理，通过对新型脉冲阻塞及斩波信号的控制，推出了频率、幅值关系式及占空比的表达式。设计了以十二相为例的连续型交交变频调速系统。通过对多相调速系统的理论分析，在MATLAB/Simulink环境下进行仿真，验证了本文的可行性。从理论分析到实验验证呈现出所需器件少、控制简单、操作方便、系统的可靠性提高、波形正弦度更好、转速更平滑等优点。这为多相变频调速系统的应用提供依据，可在此领域广泛推广。
参考文献（References）：
[1] 董振斌，刘憬奇.中国工业电机系统节能现状与展望[J].电力需求侧管理，2016.18（2）：1-4
[2] 韦聪.风机和水泵类通用机械的节能技术[J].中国机械，2014.11：41-41
[3] 王兆安等.電力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.
[4] 林渭勋.现代电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.
[5] 郑诗程，邓荣军等.基于脉冲阻塞原理的波头连续型三相交交变频系统研究[J].电工技术学报，2012.27（5）：149-155
[6] 郑诗程，周谦之，曹小虎，朱虹.脉冲阻塞式交-交变频原理及PWM控制[J].电工技术学报，2010.25（5）：136-141
[7] 李玉东，李凯存，马星河.两相连续型阻塞式变频调速系统研究[J].测控技术，2017.36（11）：70-74
[8] Nagai S， Yamada Y， Handa N， et al. A 3-phase AC-ACmatrix converter Ga N chipset with drive-by-microwave technology[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society，2015.3（1）：7-14