小直流電容三相變換器新型調(diào)制技術(shù)的研究

王樹文

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱 150030）

1 引言

三相 PWM變換器在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)（如電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速[1-3]、不間斷電源、無(wú)功補(bǔ)償器等）被廣泛應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)交直交電壓源變換器的直流側(cè)電壓均為理想的無(wú)波動(dòng)直流電壓，通常在直流側(cè)采用具有沖擊負(fù)載特性的大容量電解電容元件。大容量電解電容的使用，一方面使變換器占用空間大、成本高、響應(yīng)速度慢，使系統(tǒng)功率因數(shù)降低，使網(wǎng)側(cè)電流畸變率增大[4-7]。同時(shí)，給網(wǎng)側(cè)帶來(lái)諧波電流、諧波電壓污染以及額外的無(wú)功消耗，不僅會(huì)降低系統(tǒng)自身運(yùn)行的效率，而且會(huì)給負(fù)載帶來(lái)很多不良影響；另一方面在能源短缺特別是金屬類不可再生資源嚴(yán)重短缺的今天，不符合發(fā)展的方向。

基于以上分析，本文從主要制約因素即大容量電解電容元件著手探索提高交直交電壓源變換器綜合性能的方法，提出了新型交直交電壓源變換器即小電容交直交電壓源變換器。小電容元件的使用，雖然克服了大容量電解電容的使用所帶來(lái)的不足，但是同時(shí)也產(chǎn)生新的不利影響。一方面變換器連接阻感負(fù)載時(shí)會(huì)使其輸出電壓中的低次諧波增大，一方面變換器連接電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)會(huì)使其輸出電壓產(chǎn)生誤差，同時(shí)也會(huì)使直流側(cè)產(chǎn)生過電壓，另外容易使網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生諧振。為了向負(fù)載提供高質(zhì)量的電能，對(duì)于電壓源變換器來(lái)說，有效地消除輸出電壓的諧波成分是非常重要的[8-14]。

所以，針對(duì)交直交電壓源變換器中使用小電容時(shí)出現(xiàn)的問題，本文著重研究了適用于小電容三相變換器的新穎調(diào)制技術(shù)即可調(diào)調(diào)制波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（AMW-SPWM）。該研究?jī)?nèi)容的提出旨在擯棄傳統(tǒng)變換器中不可缺少的大容量電解電容元件，在保證負(fù)載端電能質(zhì)量的同時(shí)顯著改善變換器的輸入諧波特性，并且對(duì)于提高變換器自身集成度和可靠性等方面也具有積極意義。

2 可調(diào)調(diào)制波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)理論推導(dǎo)

傳統(tǒng)的變換器選擇標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波作為調(diào)制波，以A相為例，調(diào)制波的表達(dá)式如式（1）

式中，UB為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的幅值，ω是標(biāo)準(zhǔn)正弦波的角頻率，θ是正弦波與脈動(dòng)直流輸出電壓之間的相位差，載波信號(hào)為雙極性三角波。經(jīng)式（1）調(diào)制后，a相電壓如式（2）所示

從以上分析中，可知ua的諧波分量的幅值與相位只與三相不可控整流橋輸出直流電壓udc和調(diào)制波us1有關(guān)，由此可得到ua和udc滿足以下關(guān)系式，如式（3）所示

式中，T(θ)是逆變器觸發(fā)脈沖的開關(guān)函數(shù)，可以得到開關(guān)函數(shù)的表達(dá)式，如式（4）所示

從式（4）可知，可以改變標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制波就可以抵消直流側(cè)電壓的波動(dòng)對(duì)變換器輸出電壓產(chǎn)生的諧波的影響。基于以上觀點(diǎn)，提出一種新的調(diào)制波，假設(shè)調(diào)制波的表達(dá)式如式（5）所示

新的調(diào)制波是兩部分組成，一部分是f(t)，另一部分是us1。如把式（5）作為調(diào)制波，根據(jù)以上分析則開關(guān)函數(shù)T(θ)將為式（6）

式中，T'(θ)是當(dāng)調(diào)制波為us1時(shí)的開關(guān)函數(shù)，T''(θ)是當(dāng)調(diào)制波為f(t)時(shí)的開關(guān)函數(shù)。

采用新的調(diào)制波之后，ua的諧波將被去除掉。ua的表達(dá)式將為

由上式可以推出T''(θ)，如式（8）所示

在上式中T'(θ)=T(θ)，可推得

T''(θ)與T'(θ)相比較，通過相似理論可以得到k的表達(dá)式，如式（10）

因此，當(dāng)采用新的調(diào)制波us進(jìn)行調(diào)制，則ua在低頻帶僅含有基波分量，ua的表達(dá)式為

可以看出，采用新的調(diào)制波，可以消除式（2）中的諧波，得到了理想的輸出電壓波形，從而達(dá)到了避免在直流側(cè)使用大電容進(jìn)行濾波的目的。

3 仿真結(jié)果

為了證明采用可調(diào)調(diào)制波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的小直流電容三相變換器輸出電壓諧波小、系統(tǒng)側(cè)電流畸變率小等特點(diǎn)，做了相應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用的參數(shù)為：三相星接感性負(fù)載，每相電感與電阻串聯(lián)，參數(shù)為 L=3.24mH ，R=1.1Ω ，直流電容10uF，系統(tǒng) a相電壓峰值：32V；系統(tǒng)b相電壓峰值：31V；系統(tǒng)c相電壓峰值：32V；載波頻率：ftr=10kHz；標(biāo)準(zhǔn)正弦波峰值：UB=0.46V；三角波正峰值：Vtrm=1V，三角波負(fù)峰值：Vtrl=-1 V；標(biāo)準(zhǔn)正弦初相位：θ=0°；fsin=50Hz 。

圖1-2分別給出了采用可調(diào)調(diào)制波生成方法及傳統(tǒng)調(diào)制方法逆變器輸出的電壓頻譜。

4 結(jié)論

可調(diào)調(diào)制波SPWM調(diào)制技術(shù)能有效地消除小電容三相變換器輸出電壓的諧波，仿真結(jié)果表明均獲得了理想的輸出電壓波形和較好的頻譜特性，證明了小電容三相變換器及其調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。

圖1 傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)ua的波形和頻譜

圖2 可調(diào)調(diào)制波SPWM技術(shù)ua的波形和頻譜

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