三相變流器升降壓工作特性分析

0 引言
??? 當能量從交流側向直流側傳送時,電壓型SPWM變流器具有升壓特性,電流型SPWM變流器具有降壓特性。電壓型5PWM變流器工作原理與Buck直流斬波器相似,因而將Boost直流斬波器的概念引入三相電壓型SPWM變流器。而電流型SPWM變流器工作原理則近似Buck直流斬波器。
??? 本文對三相電壓SPWM變流器和電流型SPWM變流器建立了低頻數學模型。分析了在SPWM和SVM調制方法下三相電壓型變流器的
升壓特性和SPWM調制方式下三相電流型變流器的降壓特性。對于三相變流器電路工作模式分析具有較大指導意義。

1 三相SPWM變流器的低頻數學模型
??? 三相電壓型SPWM變流器主電路拓撲如圖1所示。從直流側的角度出發,以單位功率因數整流器為例,討淪三相電壓型SPWM變流器的低頻數學模型。電壓型單位功率因數變流器的等效電路如圖2所示。其低頻相量圖如圖3所示。在低頻時式(1)成立。

???
式中：Vdc為變流器直流側電壓;
????? (sa1,sb1,sc1)為三相調制波函數的基波分量;
????? (va1,vb1,vc1)為變流器交流側電壓的基波分量。
??? 三相開關函數基波分量為

???
式(2)中若載波幅值為1,則M為幅度調制比。
??? 由圖3得變流器交流側電壓基波為

??? 由式(4)可見,電壓型變流器直流電壓輸出與幅度調制比成反比。當幅度調制比增加吋,同一載波周期內脈寬增加,但直流輸出卻減小。因而,三相電壓型SPWM變流器具有Boost電路的特性。在三相對稱運行時,變流器的每相電壓獨立,各相也具有Boost特性。此外,三相電壓型SPWM變流器還具有如下特點：
??? 1)三相SPWM變流器等效為兩個Boost直流斬波器同時工作;
??? 2)三相SPWM變流器能量可以雙向流動,四象限運行。
??? 三相電流型變流器主電路拓撲如圖4所示。

??? 同樣可以分析三相電流型變流器的低頻模。三相電流型變流器等效電路如圖5所示,矢量圖如圖6所示。

???

??? 由電流型變流器的低頻相暈圖可得電容電壓為

???
式中：Vdc為直流側電壓;
??? Idc為直流側電流。
??? 由三相對稱系統三相電流瞬時值和為常數,得電流型變流器輸出電壓為

???
??? 由式(10)可見,電流型變流器直流輸出電壓與幅度調制比成正比。當幅度調制比減小時,同一載波周期內脈寬減小,直流輸山減小。因而,三相電流型SPWM變流器具有降壓電路的特性。

2 三相電壓型SVM變流器的升壓特性分析
??? 2-levelSVM的丌關狀態矢量如圖7所示,其實現方法是：在一個采樣周期內,參考矢量vi,vi+1由相鄰的兩個非零開關矢量vi、vi+1和零矢量v0合成,如式(11)所示。

??? vrT=viti+vi+1ti+1+v0t0 （11）
式中：T為采樣周期;
??? ti,ti+1,t0分別為開關矢量vi,vi+1,v0的作用時間。

???
式中： θ為參考矢量與順時針方向最近的開關矢量之間的夾角;
??? m為調制系數,如式(13)所示。

???
??? 2-levelSVM在一個開關周期內存在零矢量V7(000)和V8(111）,而在零矢量作用時間內電源并不傳遞能量給負載。因此,零矢量也不會引起直流側電容電壓的紋波。但是,在零矢量作用時,電源給電路的電感儲存能量。如果沒有這些零矢量的作用,直流側電壓將不會恒定。因而,零矢量對于直流側電壓的調節是必不可少的。事實上,電壓型SVM變流器和Boost直流斬波電路工作原理是一樣的,在零矢量作用時間內電源給電感充電,電感儲存能量;在非零矢量作用時間內,電感的能量釋放到直流端,產牛Boost效應。
??? 對于3-level SVM,其開關狀態矢量如圖8所示,隨著調制率的增加,零矢量將會減小,進而消失。但是,在高的調制率下,對于整個變流器而言Boost矢量仍然存在。只不過在2-level SVM時,Boost矢量以零矢量的形式存在,在其作用時間內電源為三相電感充電。而在3-level SVM時,Boost矢量以中間矢量的形式存在。中間矢量如圖8的(210),(012);(120),(102);(021),
(201);對于這三組矢量,在每組矢量作用時間內均只有一相電感在充電,即3-levelSVM的Boost矢量作用時間內電源能量是存儲在一相電感中的。

3 結語
??? 本文從三相變流器的數學模型入手詳細分析了在SPWM、SVM方式下電壓型變流器的升壓特性和SPWM方式下電流型變流器的降壓特性。分析結果表明當能量從交流側流向直流側時,電壓型變流器具有Boost特性;電流型變流器具有Buck特性。這對于分析三相變流器電路工作過程、輸入輸出波形、設汁三相變流器電路和實際應用中,具有重要的指導意義。