三相―單相交交變頻電路的研究進展
0 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/387555.htm目前對于交交變頻技術(shù)的研究主要集中在三相—三相交交變頻電路拓?fù)?,但隨著工業(yè)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(tǒng)三相—單相交交變頻電路
以下分別介紹傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及電路特點。
1.1 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的電路構(gòu)成
傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路由P 組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成,和四象限變流電路相同,如圖1所示。
1.2 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的工作原理
P 組工作時,負(fù)載電流i0為正,N 組工作時,為負(fù);兩組變流器按一定的頻率交替工作,負(fù)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(diào)制,在半個周期內(nèi)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(nèi)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(nèi),包含的電源電壓段數(shù)越多,其波形就越接近正弦波。
1.3 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的控制策略[1]
傳統(tǒng)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(yīng)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(zhǔn)電壓波的交點去決定整流器中相應(yīng)晶閘管的控制角的方法稱為余弦交截法。
其基本實現(xiàn)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(guān)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(xiàn)方法是在余弦同步波的每個起始時刻對給定基準(zhǔn)波采樣,這些采樣值在同步波持續(xù)的時間內(nèi)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??梢姡?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(xiàn),因而具有算法簡單的特點。
1.4 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點[1]
傳統(tǒng)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(wǎng)電壓段數(shù)減少,波形畸變嚴(yán)重,電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。電網(wǎng)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(wǎng)提供無功功率;一周期內(nèi),琢角以90°為中心變化,半周期內(nèi)琢的平均值越靠近90°,負(fù)載功率因數(shù)越低,輸入功率因數(shù)也越低。
3)輸出電壓諧波頻譜非常復(fù)雜,既和電網(wǎng)頻率以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān),也和輸出頻率有關(guān)。
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(diào)制。
2 矩陣式三相—單相交交變頻電路
近年來人們關(guān)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(yīng)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(guān)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(xiàn)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(jié)構(gòu)緊湊,體積小。
2.1 矩陣式三相—單相交交變頻電路的結(jié)構(gòu)[4][5]
矩陣式三相—單相交交變頻電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)均為雙向開關(guān),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)狀態(tài),但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則,可以確定該拓?fù)涞挠行ч_關(guān)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(guān)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(guān)狀態(tài),但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開路的原則,可以確定該拓?fù)涞挠行ч_關(guān)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(chǔ)上又增加了兩個雙向開關(guān)SP和SN ,8 個雙向開關(guān)共有256種開關(guān)狀態(tài),根據(jù)分析其中有用的開關(guān)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(tǒng)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(guān)函數(shù)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(guān)函數(shù)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(guān)函數(shù)法來進行控制。
2.2.1 開關(guān)函數(shù)法[3] [7]
所謂開關(guān)函數(shù)是指在給定輸入電壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及約束條件下,使電力變換器中相關(guān)的一切功率開關(guān)各自的占空比由一個連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來表示,利用精確的數(shù)學(xué)定義來確定開關(guān)的具體動作,使變換概念更加清晰。開關(guān)函數(shù)法具體的原理,在文獻[3]中作了詳細(xì)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(guān)函數(shù)矩陣有3種,如式(5)。
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