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三相变流器升降压工作特性分析

摘要:对于三相电压型、电流型变流器进行了低频建模,分析了三相电压型整流器在SPWM与SVM调制方式下的升压特性和电流型变流器在SPWM调制下的降压工作特性。

关键词:低频模型;SVM;SPWM

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SPWM变流器工作原理与Boost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。

    本文对三相电压型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,讨论三相电压型SPWM变流器的低频数学模型[1]。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。

    (1)

式中:Vdc为变流器直流侧电压;

     (sa1sb1sc1)为三相调制波函数的基波分量;

     (va1vb1vc1)为变流器交流侧电压的基波分量。


图1    电压型变流器主电路拓扑


图2    电压型变流器等效电路


图3    电压型变流器低频相量图

    三相开关函数基波分量为

    (2)

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

    (3)

由式(1)、式(2)、式(3)得变流器直流侧电压为

    Vdc=(4)

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。当幅度调制比增加时,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[2]。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[3]。

    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。


图4    电流型变流器主电路拓扑


图5    电流型变流器等效电路


图6    电流型变流器低频相量图

    若电网电压为

    (5)

    由电流型变流器的低频相量图可得电容电压为

    (6)

    三相开关函数中基波分量为

    (7)

    不考虑电路损耗,变流器交、直流侧满足功率守恒。

    =VdcIdc(8)

    (9)

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

    Vdc=EmM(10)

    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,直流输出减小。因而,三相电流型SPWM变流器具有降压电路的特性[4][5]。

2    三相电压型SVM变流器的升压特性分析

    2-levelSVM的开关状态矢量如图7所示,其实现方法是:在一个采样周期内,参考矢量vr由相邻的两个非零开关矢量vivi+1和零矢量v0合成,如式(11)所示。

    vrT=vitivi+1ti+1v0t0(11)

式中:T为采样周期;

      titi+1t0分别为开关矢量vivi+1v0的作用时间。


图7    2-levelSVM开关状态矢量

    ti=mTsin

    ti+1=mTsinθ    (12)

    t0=Tstiti+1

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。

    m=(13)

    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,产生Boost效应。

    对于3-levelSVM,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-levelSVM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levelSVM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[6]。


图8    3-levelSVM开关状态矢量

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、设计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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