三相变流器升降压工作特性分析

0 引言
    当能量从交流侧向直流侧传送时,电压型SPWM变流器具有升压特性,电流型SPWM变流器具有降压特性。电压型5PWM变流器工作原理与Buck直流斩波器相似,因而将Boost直流斩波器的概念引入三相电压型SPWM变流器。而电流型SPWM变流器工作原理则近似Buck直流斩波器。
    本文对三相电压SPWM变流器和电流型SPWM变流器建立了低频数学模型。分析了在SPWM和SVM调制方法下三相电压型变流器的
升压特性和SPWM调制方式下三相电流型变流器的降压特性。对于三相变流器电路工作模式分析具有较大指导意义。

1 三相SPWM变流器的低频数学模型
    三相电压型SPWM变流器主电路拓扑如图1所示。从直流侧的角度出发,以单位功率因数整流器为例,讨沦三相电压型SPWM变流器的低频数学模型。电压型单位功率因数变流器的等效电路如图2所示。其低频相量图如图3所示。在低频时式(1)成立。

   
式中：Vdc为变流器直流側电压;
      (sa1,sb1,sc1)为三相调制波函数的基波分量;
      (va1,vb1,vc1)为变流器交流侧电压的基波分量。
    三相开关函数基波分量为

   
式(2)中若载波幅值为1,则M为幅度调制比。
    由图3得变流器交流侧电压基波为

    由式(4)可见,电压型变流器直流电压输出与幅度调制比成反比。当幅度调制比增加吋,同一载波周期内脉宽增加,但直流输出却减小。因而,三相电压型SPWM变流器具有Boost电路的特性。在三相对称运行时,变流器的每相电压独立,各相也具有Boost特性。此外,三相电压型SPWM变流器还具有如下特点：
    1)三相SPWM变流器等效为两个Boost直流斩波器同时工作;
    2)三相SPWM变流器能量可以双向流动,四象限运行。
    三相电流型变流器主电路拓扑如图4所示。

    同样可以分析三相电流型变流器的低频模。三相电流型变流器等效电路如图5所示,矢量图如图6所示。

    由电流型变流器的低频相暈图可得电容电压为

   
式中：Vdc为直流侧电压;
    Idc为直流侧电流。
    由三相对称系统三相电流瞬时值和为常数,得电流型变流器输出电压为

   
    由式(10)可见,电流型变流器直流输出电压与幅度调制比成正比。当幅度调制比减小时,同一载波周期内脉宽减小,直流输山减小。因而,三相电流型SPWM变流器具有降压电路的特性。

2 三相电压型SVM变流器的升压特性分析
    2-levelSVM的丌关状态矢量如图7所示,其实现方法是：在一个采样周期内,参考矢量vi,vi+1由相邻的两个非零开关矢量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为采样周期;
    ti,ti+1,t0分别为开关矢量vi,vi+1,v0的作用时间。

   
式中： θ为参考矢量与顺时针方向最近的开关矢量之间的夹角;
    m为调制系数,如式(13)所示。

   
    2-levelSVM在一个开关周期内存在零矢量V7(000)和V8(111）,而在零矢量作用时间内电源并不传递能量给负载。因此,零矢量也不会引起直流侧电容电压的纹波。但是,在零矢量作用时,电源给电路的电感储存能量。如果没有这些零矢量的作用,直流侧电压将不会恒定。因而,零矢量对于直流侧电压的调节是必不可少的。事实上,电压型SVM变流器和Boost直流斩波电路工作原理是一样的,在零矢量作用时间内电源给电感充电,电感储存能量;在非零矢量作用时间内,电感的能量释放到直流端,产牛Boost效应。
    对于3-level SVM,其开关状态矢量如图8所示,随着调制率的增加,零矢量将会减小,进而消失。但是,在高的调制率下,对于整个变流器而言Boost矢量仍然存在。只不过在2-level SVM时,Boost矢量以零矢量的形式存在,在其作用时间内电源为三相电感充电。而在3-level SVM时,Boost矢量以中间矢量的形式存在。中间矢量如图8的(210),(012);(120),(102);(021),
(201);对于这三组矢量,在每组矢量作用时间内均只有一相电感在充电,即3-levelSVM的Boost矢量作用时间内电源能量是存储在一相电感中的。

3 结语
    本文从三相变流器的数学模型入手详细分析了在SPWM、SVM方式下电压型变流器的升压特性和SPWM方式下电流型变流器的降压特性。分析结果表明当能量从交流侧流向直流侧时,电压型变流器具有Boost特性;电流型变流器具有Buck特性。这对于分析三相变流器电路工作过程、输入输出波形、设汁三相变流器电路和实际应用中,具有重要的指导意义。

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