三相變流器升降壓工作特性分析

0 引言
當(dāng)能量從交流側(cè)向直流側(cè)傳送時(shí)，電壓型SPWM變流器具有升壓特性，電流型SPWM變流器具有降壓特性。電壓型5PWM變流器工作原理與Buck直流斬波器相似，因而將Boost直流斬波器的概念引入三相電壓型SPWM變流器。而電流型SPWM變流器工作原理則近似Buck直流斬波器。
本文對(duì)三相電壓SPWM變流器和電流型SPWM變流器建立了低頻數(shù)學(xué)模型。分析了在SPWM和SVM調(diào)制方法下三相電壓型變流器的
升壓特性和SPWM調(diào)制方式下三相電流型變流器的降壓特性。對(duì)于三相變流器電路工作模式分析具有較大指導(dǎo)意義。

1 三相SPWM變流器的低頻數(shù)學(xué)模型
三相電壓型SPWM變流器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。從直流側(cè)的角度出發(fā)，以單位功率因數(shù)整流器為例，討淪三相電壓型SPWM變流器的低頻數(shù)學(xué)模型。電壓型單位功率因數(shù)變流器的等效電路如圖2所示。其低頻相量圖如圖3所示。在低頻時(shí)式(1)成立。

式中：Vdc為變流器直流鵲繆梗
(sa1，sb1，sc1)為三相調(diào)制波函數(shù)的基波分量；
(va1，vb1，vc1)為變流器交流側(cè)電壓的基波分量。
三相開(kāi)關(guān)函數(shù)基波分量為

式(2)中若載波幅值為1，則M為幅度調(diào)制比。
由圖3得變流器交流側(cè)電壓基波為

由式(4)可見(jiàn)，電壓型變流器直流電壓輸出與幅度調(diào)制比成反比。當(dāng)幅度調(diào)制比增加跡同一載波周期內(nèi)脈寬增加，但直流輸出卻減小。因而，三相電壓型SPWM變流器具有Boost電路的特性。在三相對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，變流器的每相電壓獨(dú)立，各相也具有Boost特性。此外，三相電壓型SPWM變流器還具有如下特點(diǎn)：
1)三相SPWM變流器等效為兩個(gè)Boost直流斬波器同時(shí)工作；
2)三相SPWM變流器能量可以雙向流動(dòng)，四象限運(yùn)行。
三相電流型變流器主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

同樣可以分析三相電流型變流器的低頻模。三相電流型變流器等效電路如圖5所示，矢量圖如圖6所示。

由電流型變流器的低頻相圖可得電容電壓為

式中：Vdc為直流側(cè)電壓；
Idc為直流側(cè)電流。
由三相對(duì)稱系統(tǒng)三相電流瞬時(shí)值和為常數(shù)，得電流型變流器輸出電壓為

由式(10)可見(jiàn)，電流型變流器直流輸出電壓與幅度調(diào)制比成正比。當(dāng)幅度調(diào)制比減小時(shí)，同一載波周期內(nèi)脈寬減小，直流輸山減小。因而，三相電流型SPWM變流器具有降壓電路的特性。

2 三相電壓型SVM變流器的升壓特性分析
2-levelSVM的丌關(guān)狀態(tài)矢量如圖7所示，其實(shí)現(xiàn)方法是：在一個(gè)采樣周期內(nèi)，參考矢量vi，vi+1由相鄰的兩個(gè)非零開(kāi)關(guān)矢量vi、vi+1和零矢量v0合成，如式(11)所示。

vrT=viti+vi+1ti+1+v0t0 （11）
式中：T為采樣周期；
ti，ti+1，t0分別為開(kāi)關(guān)矢量vi，vi+1，v0的作用時(shí)間。

式中： θ為參考矢量與順時(shí)針?lè)较蜃罱拈_(kāi)關(guān)矢量之間的夾角；
m為調(diào)制系數(shù)，如式(13)所示。

2-levelSVM在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)存在零矢量V7(000)和V8(111），而在零矢量作用時(shí)間內(nèi)電源并不傳遞能量給負(fù)載。因此，零矢量也不會(huì)引起直流側(cè)電容電壓的紋波。但是，在零矢量作用時(shí)，電源給電路的電感儲(chǔ)存能量。如果沒(méi)有這些零矢量的作用，直流側(cè)電壓將不會(huì)恒定。因而，零矢量對(duì)于直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)是必不可少的。事實(shí)上，電壓型SVM變流器和Boost直流斬波電路工作原理是一樣的，在零矢量作用時(shí)間內(nèi)電源給電感充電，電感儲(chǔ)存能量；在非零矢量作用時(shí)間內(nèi)，電感的能量釋放到直流端，產(chǎn)牛Boost效應(yīng)。
對(duì)于3-level SVM，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量如圖8所示，隨著調(diào)制率的增加，零矢量將會(huì)減小，進(jìn)而消失。但是，在高的調(diào)制率下，對(duì)于整個(gè)變流器而言Boost矢量仍然存在。只不過(guò)在2-level SVM時(shí)，Boost矢量以零矢量的形式存在，在其作用時(shí)間內(nèi)電源為三相電感充電。而在3-level SVM時(shí)，Boost矢量以中間矢量的形式存在。中間矢量如圖8的(210)，(012)；(120)，(102)；(021)，
(201)；對(duì)于這三組矢量，在每組矢量作用時(shí)間內(nèi)均只有一相電感在充電，即3-levelSVM的Boost矢量作用時(shí)間內(nèi)電源能量是存儲(chǔ)在一相電感中的。

3 結(jié)語(yǔ)
本文從三相變流器的數(shù)學(xué)模型入手詳細(xì)分析了在SPWM、SVM方式下電壓型變流器的升壓特性和SPWM方式下電流型變流器的降壓特性。分析結(jié)果表明當(dāng)能量從交流側(cè)流向直流側(cè)時(shí)，電壓型變流器具有Boost特性；電流型變流器具有Buck特性。這對(duì)于分析三相變流器電路工作過(guò)程、輸入輸出波形、設(shè)汁三相變流器電路和實(shí)際應(yīng)用中，具有重要的指導(dǎo)意義。