三相―單相交交變頻電路的研究進(jìn)展
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/387555.htm目前對(duì)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(gè)方面,一個(gè)是小功率變頻電源,這方面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛;另一個(gè)是可以通過(guò)三組模塊化的三相—單相交交變頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)三相—三相交交變頻,文獻(xiàn)[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(diǎn)。
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(shí),負(fù)載電流i0為正,N 組工作時(shí),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(duì)琢角進(jìn)行調(diào)制,在半個(gè)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(gè)值,再增加到90°,每個(gè)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(gè)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(duì)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(diǎn)去決定整流器中相應(yīng)晶閘管的控制角的方法稱(chēng)為余弦交截法。
其基本實(shí)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(kāi)關(guān)時(shí)刻取決于給定波的離散采樣值,這種采樣方式通常稱(chēng)為自然采樣。它的特點(diǎn)是各采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是不相等的,而且交交變頻器的換相時(shí)刻就發(fā)生在采樣瞬間。而規(guī)則采樣法則不同,其實(shí)現(xiàn)方法是在余弦同步波的每個(gè)起始時(shí)刻對(duì)給定基準(zhǔn)波采樣,這些采樣值在同步波持續(xù)的時(shí)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(shí)刻就是交交變頻器的換相時(shí)刻??梢?jiàn),規(guī)則采樣法的特點(diǎn)是采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是相同的,即采樣的時(shí)刻是規(guī)則的,但是交交變頻器的換相時(shí)刻卻發(fā)生在采樣時(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),因而具有算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
1.4 傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點(diǎn)[1]
傳統(tǒng)三相—單相交交變頻電路的特點(diǎn)很多,歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。
1)輸出頻率增高時(shí),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(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素。電網(wǎng)頻率為50 Hz時(shí),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(wú)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(lèi)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(lái)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(duì)于矩陣式三相—單相交交變頻電路的研究將愈來(lái)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(shí)現(xiàn)三相到單相的變換,而不需要中間直流儲(chǔ)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(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖3 所示)、不帶中性線(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖4 所示)和改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路(如圖5所示)。
圖3中的開(kāi)關(guān)均為雙向開(kāi)關(guān),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已在圖3中示出。帶中性線(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)S1、S2和S3,這種電路實(shí)際上是3×1的矩陣變換器,共有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài),但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開(kāi)路的原則,可以確定該拓?fù)涞挠行ч_(kāi)關(guān)狀態(tài)為3 種。不帶中性線(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路包含有6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)S11、S12、S21、S22、S31和S32,這種電路實(shí)際上是3×2 的矩陣變換器,共有64 種開(kāi)關(guān)狀態(tài),但是根據(jù)輸入端不能短路輸出端不能開(kāi)路的原則,可以確定該拓?fù)涞挠行ч_(kāi)關(guān)狀態(tài)為6 種。而對(duì)于改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路來(lái)說(shuō),它是在不帶中性線(xiàn)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(gè)雙向開(kāi)關(guān)SP和SN ,8 個(gè)雙向開(kāi)關(guān)共有256種開(kāi)關(guān)狀態(tài),根據(jù)分析其中有用的開(kāi)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(diǎn),因此它的控制策略也有很大的不同。對(duì)于帶中性線(xiàn)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(kāi)關(guān)函數(shù)法和平均電壓法;對(duì)于不帶中性線(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路除了可以采用開(kāi)關(guān)函數(shù)法外,還可以采用空間電壓矢量法;改進(jìn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路也可以采用開(kāi)關(guān)函數(shù)法來(lái)進(jìn)行控制。
2.2.1 開(kāi)關(guān)函數(shù)法[3] [7]
所謂開(kāi)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(kāi)關(guān)各自的占空比由一個(gè)連續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)來(lái)表示,利用精確的數(shù)學(xué)定義來(lái)確定開(kāi)關(guān)的具體動(dòng)作,使變換概念更加清晰。開(kāi)關(guān)函數(shù)法具體的原理,在文獻(xiàn)[3]中作了詳細(xì)的闡述,對(duì)于不帶中性線(xiàn)的矩陣式三相—單相交交變頻電路,其低頻開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣有3種,如式(5)。
評(píng)論