三相―單相交交變頻電路的研究進展

0 引言

目前對于交交變頻技術的研究主要集中在三相—三相交交變頻電路拓撲，但隨著工業(yè)應用的發(fā)展三相—單相交交變頻電路，特別是矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究逐漸受到人們的重視。其應用主要有以下幾個方面，一個是小功率變頻電源，這方面的應用會越來越廣泛;另一個是可以通過三組模塊化的三相—單相交交變頻電路來實現三相—三相交交變頻，文獻[3]在這方面做了有益的嘗試。

1 傳統三相—單相交交變頻電路

以下分別介紹傳統三相—單相交交變頻電路的電路結構、工作原理、控制策略及電路特點。

1.1 傳統三相—單相交交變頻電路的電路構成

傳統三相—單相交交變頻電路由P 組和N組反并聯的晶閘管變流電路構成，和四象限變流電路相同，如圖1所示。

1.2 傳統三相—單相交交變頻電路的工作原理

P 組工作時，負載電流i0為正，N 組工作時，為負;兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電;人為地改變切換頻率，就可改變輸出交流電的交變頻率棕0;改變變流電路的控制角琢，就可以改變交流輸出電壓幅值。為使輸出交流電u0波形接近正弦，可按正弦規(guī)律對琢角進行調制，在半個周期內讓P 組的琢角按正弦規(guī)律從90°減到0°或從某個值，再增加到90°，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零，如圖2 所示。u0由若干段電源電壓拼接而成，在u0 一個周期內，包含的電源電壓段數越多，其波形就越接近正弦波。

1.3 傳統三相—單相交交變頻電路的控制策略[1]

傳統三相—單相交交變頻電路的控制策略主要有兩種，一種是余弦交截法，這是最基本的、廣泛使用的方法;另一種是規(guī)則采樣法，這種方法應用的相對較少。

1.3.1 余弦交截法

用一系列余弦同步電壓波和模擬量基準電壓波的交點去決定整流器中相應晶閘管的控制角的方法稱為余弦交截法。

其基本實現思路可表示如下：

1.3.2 規(guī)則采樣法

余弦交截法控制的交交變頻器中的晶閘管的開關時刻取決于給定波的離散采樣值，這種采樣方式通常稱為自然采樣。它的特點是各采樣點之間的時間間隔是不相等的，而且交交變頻器的換相時刻就發(fā)生在采樣瞬間。而規(guī)則采樣法則不同，其實現方法是在余弦同步波的每個起始時刻對給定基準波采樣，這些采樣值在同步波持續(xù)的時間內保持不變，將這些采樣值與余弦同步波相比較，采樣值與余弦同步波的相交時刻就是交交變頻器的換相時刻。可見，規(guī)則采樣法的特點是采樣點之間的時間間隔是相同的，即采樣的時刻是規(guī)則的，但是交交變頻器的換相時刻卻發(fā)生在采樣時刻之后。

在一定條件下，規(guī)則采樣法不但可以減少輸出波形中的諧波含量，改善輸出特性，而且便于計算機實現，因而具有算法簡單的特點。

1.4 傳統三相—單相交交變頻電路的特點[1]

傳統三相—單相交交變頻電路的特點很多，歸納起來主要有以下幾點。

1)輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。電網頻率為50 Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20 Hz。

2)輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網提供無功功率;一周期內，琢角以90°為中心變化，半周期內琢的平均值越靠近90°，負載功率因數越低，輸入功率因數也越低。

3)輸出電壓諧波頻譜非常復雜，既和電網頻率以及變流電路的脈波數有關，也和輸出頻率有關。

4)輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調制。

2 矩陣式三相—單相交交變頻電路

近年來人們關注的是矩陣式三相—三相交交變頻電路的研究，但隨著工業(yè)應用的發(fā)展，對于矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究將愈來愈受到關注。所謂矩陣式三相—單相交交變頻電路指的是利用矩陣變換器直接實現三相到單相的變換，而不需要中間直流儲能環(huán)節(jié)，電路結構緊湊，體積小。

2.1 矩陣式三相—單相交交變頻電路的結構[4][5]

矩陣式三相—單相交交變頻電路的拓撲結構主要有三種：帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖3 所示)、不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖4 所示)和改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖5所示)。

圖3中的開關均為雙向開關，其內部結構已在圖3中示出。帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有三個雙向開關S1、S2和S3，這種電路實際上是3×1的矩陣變換器，共有8種開關狀態(tài)，但是根據輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓撲的有效開關狀態(tài)為3 種。不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有6個雙向開關S11、S12、S21、S22、S31和S32，這種電路實際上是3×2 的矩陣變換器，共有64 種開關狀態(tài)，但是根據輸入端不能短路輸出端不能開路的原則，可以確定該拓撲的有效開關狀態(tài)為6 種。而對于改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路來說，它是在不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路的基礎上又增加了兩個雙向開關SP和SN ，8 個雙向開關共有256種開關狀態(tài)，根據分析其中有用的開關狀態(tài)為12種。

2.2 矩陣式三相—單相交交變頻電路的控制策略

矩陣式三相—單相交交變頻電路和傳統三相—單相交交變頻電路相比有其自身的特點，因此它的控制策略也有很大的不同。對于帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路通常采用的控制策略有開關函數法和平均電壓法;對于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路除了可以采用開關函數法外，還可以采用空間電壓矢量法;改進的矩陣式三相—單相交交變頻電路也可以采用開關函數法來進行控制。

2.2.1 開關函數法[3] [7]

所謂開關函數是指在給定輸入電壓函數、期望輸出電壓函數以及約束條件下，使電力變換器中相關的一切功率開關各自的占空比由一個連續(xù)函數或分段連續(xù)函數來表示，利用精確的數學定義來確定開關的具體動作，使變換概念更加清晰。開關函數法具體的原理，在文獻[3]中作了詳細的闡述，對于不帶中性線的矩陣式三相—單相交交變頻電路，其低頻開關函數矩陣有3種，如式(5)。

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