三相变流器升降压工作特性分析

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5VM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。

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5PWM变流器工作原理与Buck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，讨沦三相电压型SPWM变流器的低频数学模型。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。  
   



式中：Vdc为变流器直流側电压；
      
(sa1，sb1，sc1)为三相调制波函数的基波分量；
     
(va1，vb1，vc1)为变流器交流侧电压的基波分量。
   
三相开关函数基波分量为  
   



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  



  



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。当幅度调制比增加吋，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。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。
   
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。  
   



  

由电流型变流器的低频相暈图可得电容电压为  
   



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  
   



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，直流输山减小。因而，三相电流型SPWM变流器具有降压电路的特性。  

2 三相电压型SVM变流器的升压特性分析
   
2-levelSVM的丌关状态矢量如图7所示，其实现方法是：在一个采样周期内，参考矢量vi，vi+1由相邻的两个非零开关矢量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为采样周期；
   
ti，ti+1，t0分别为开关矢量vi，vi+1，v0的作用时间。  
   



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。  
   



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，产牛Boost效应。
   
对于3-level SVM，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-level SVM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-level SVM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。  



  
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、设汁三相变流器电路和实际应用中，具有重要的指导意义。