新型三相-單相矩陣變換器的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出一種新型三相-單相矩陣變換器拓?fù)?，采用小容?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/功率補(bǔ)償單元">功率補(bǔ)償單元解決因單相交流輸出脈動(dòng)功率引起的三相輸入電流畸變、功率因數(shù)低等問(wèn)題。詳細(xì)介紹了帶功率補(bǔ)償單元的三相-單相矩陣變換器調(diào)制策略，推導(dǎo)出負(fù)載與功率補(bǔ)償單元上電壓關(guān)系、調(diào)制比、占空比等一系列表達(dá)式；分析了三相輸入電流與虛擬直流母線電流的關(guān)系，比較了有、無(wú)功率單元兩種情況下的輸入電流諧波含量。同時(shí)研究表明，當(dāng)負(fù)載與功率補(bǔ)償單元滿足一定約束條件時(shí)，由單相輸出功率脈動(dòng)引起的輸入電流畸變可得到改善。研制原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的新型三相-單相矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)良。
關(guān)鍵詞：變換器；功率補(bǔ)償單元；脈動(dòng)功率

1 引言
三相-單相矩陣變換器可為單相用電設(shè)備提供單相交流電，也可將其應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中，將三相工頻交流電變換為單相高頻交流電，用于諧振感應(yīng)加熱，還可將其應(yīng)用于電氣鐵道輔機(jī)系統(tǒng)。
三相-單相矩陣變換器的三相輸入電流低頻諧波含量較大，單相脈動(dòng)功率輸出是引起這一問(wèn)題的主要原因。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)采用在輸入側(cè)單獨(dú)串聯(lián)電感元件的方法，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，雖達(dá)到輸出三相平衡電壓的目標(biāo)，但需要使用的電感體積和重量均較大。文獻(xiàn)對(duì)三相一單相矩陣變換器提出了一種新的調(diào)制策略，但其三相輸入電流畸變嚴(yán)重，諧波含量大。此處研究的新型三相-單相矩陣變換器采用小容量?jī)?chǔ)能LC對(duì)單相脈動(dòng)功率進(jìn)行補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化，減小輸入電流諧波污染。

2 新型三相-單相矩陣變換器調(diào)制策略
圖1為新型三相-單相矩陣變換器等效電路。針對(duì)此處提出的新型三相-單相矩陣變換器的調(diào)制策略研究，依然可將其虛擬為整流級(jí)和逆變級(jí)兩部分。圖中，A，C相為負(fù)載相，為負(fù)載提供單相交流電，B，C相為功率補(bǔ)償相，對(duì)單相脈動(dòng)功率進(jìn)行補(bǔ)償；虛擬整流環(huán)節(jié)采用電流型整流調(diào)制策略，逆變級(jí)采用SPWM方式。綜合虛擬整流級(jí)SVPWM和虛擬逆變級(jí)SPWM并消去中間直流環(huán)節(jié)，即可得到三相-單相矩陣變換器的控制規(guī)律。

2．1 虛擬直流母線電流
設(shè)虛擬逆變級(jí)負(fù)載相上電壓調(diào)制函數(shù)為：

由式(4)可知，當(dāng)輸出為單相交流輸出時(shí)，虛擬直流母線上的電流不僅含有直流分量，而且含有交流分量。
2．2 輸入電流分析
三相輸入電流經(jīng)過(guò)電流型整流調(diào)制策略后可以表示為：

由上式可見(jiàn)，三相輸入電流除含有與輸入電壓同頻的基波電流外，還含有兩個(gè)其他低頻諧波電流，會(huì)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流造成污染。