一种新型三相不可控流变逆变器的工作方式

一种新型三相不可控流变逆变器的工作方式

在文献中，作者提出了一种新的三相不可控零流三相补偿（如图1所示），并通过改变相应的调波来消除补偿输出的电压波形。当逆变器的负载为纯阻性时,逆变器三相输出的电流与电压同相位,在任何时刻逆变桥中各桥臂只有可控元件导通,反并联二极管中没有电流流过,负载通过逆变桥从直流电源吸收能量,因此,可去掉直流电容;当逆变器的负载为感性时,由于负载电感的续流作用,有时仅需要一个很小的直流电容来吸收负载的部分无功。采用文献中的消谐技术可抑制直流脉动对逆变器输出电压产生谐波的影响,由此可大大地减小甚至去掉直流连结电容,从而大大简化了控制系统和主电路拓扑、提高了功率因数、减小了系统侧电流畸变率、提高了系统的可靠性。基于篇幅,在文献中未给出在感性负载下逆变器直流连接电容的选取及大小确定方法,本文将对此进行详尽的分析,以给出直流连接电容容量的选取原则。具体详细的分析参见文献。谐波消除调制波见式(1),载波为双极性三角波。1滤波器设置时负载电流无倒灌由于三相负载对称,以分析A相桥臂为例,其它两相桥臂与A相类似。对于A相桥臂存在7种开关与电流流向的组合产生流向直流侧的倒灌电流,见表1。倒灌电流的产生不仅与开关的状态有关还与各相负载电流的方向有关,也即必须同时符合表中所示的开关状态和各相负载电流的流向才可能产生倒灌电流。下面在一个完整的调制正弦波周期内不同区间上的开关状态进行分析。设感性负载的功率因数角为,通过分析比较,可将功率因数角分为三个区间内进行讨论。1)当,也即功率因数大于0.866时,三相调制波及负载电流波形示意图如图2所示。在X1区间,Va<Vc,用载波进行调制时,T1导通时,T5一定导通,存在T3不导通情况,开关状态符合模式3、6,但各相电流方向为ia<0,ib<0,jc>0,不符合倒灌电流的流向条件,因此无倒灌电流;在X2区间,分析同X1区间情况。当时,各相电流方向为ia<0,ib<0,ic>0。当时,,均不符合倒灌电流流向条件,所以也无倒灌电流;X3,X4区间,ia>0,无倒灌电流;X5区间,Vb>Va,用载波进行调制时,T1导通时,T3—定导通,存在T5不导通情况,开关状态符合模式2、4。当时,ia>0。时,ia<0,,ib>0,ic<0,均不满足倒灌电流条件,无倒灌电流。在X0与X6区间,Vb>Va,Vc>Va,T1开时,T3与T5也一定开,此时三相负载形成环流,无倒灌电流。在X7区间,ia>0,无倒灌电流。因此,当负载功率因数角时,无倒灌电流,也即不需要直流连接电容。2)当,也即功率因数大于0.5而小于0.866时,三相调制波及负载电流波形示意图如图3所示。X1区间,Va<Vc,用载波进行调制时,T1导通时,T5一定导通,存在T3不导通情况,开关状态符合模式3、6,当时,各相电流方向为ia<0,zb>0,ic>0,符合模式3的电流方向,有倒灌电流。当时,,不符合倒灌电流流向条件,无倒灌电流;X2区间,ia<0,ib<0,jc>0,不符合倒灌电流流向条件,无倒灌电流;X3区间,用载波进行调制时,T1导通T3不导通时,存在T5的两种情况,开关状态符合模式1、3、5、6、7。当时,时,ja<0,ib<0,ic>0,有只符合模式5的电流倒灌。当3)当,即功率因数小于0.5而大于0时,三相调制波及负载电流波形示意图如图4所X1区间,ja<0,ib>0,ic>0,存在模式3的倒灌电流;X2区间,当时次ia<0,ib>0,ic>0,存在模式3的倒灌电流。当时,ib<0,不满足倒灌电流流向条件,无倒灌电流;X3区间,用载波进行调制时,T1导通T3不导通时,存在T5的两种情况,开关状态符合模式1、3、5、6、7。在整个区间上ia<0,ib<0,ic>0,有只符合模式5的电流倒灌;X4区间,开关状态同X3区间。当时,ia<0,ib<0,ic>0,有只符合模式5有电流倒灌,当时,ia>0,不满足倒灌电流流向条件,无倒灌电流;X5,X7区间,ia>0,不满足倒灌电流流向条件,无倒灌电流。在X0与X6区间,Vb>Va,Vc>Va,T1开时,T3与T5也一定开,此时三相负载形成环流,无倒灌电流。综上所述,当功率因数角αz在范围内,X1、X2区间上模式3有倒灌电流,X3、X4区间上模式5倒灌电流。由式(1)可知,新型逆变器的新型调制波在以上划分的区间的过零边界点的位置不变。三相调制波和同一载波的交点位置不变,大小关系也不变。因此以上划分的区间边界点位置及各区间幅值大小关系与标准正弦波一致,所以以上的结论同样适用于新型逆变器。2确定电容容量值为分析方便,设调制波为标准正弦频率调制比调制深度三角载波式(5)中Ec为正弦调制波幅值,fc为正弦调制波频率,Q为三角载波幅值,ftri为三角载波频率。在一个正弦调制波周期内,三角载波与正弦波有2mf个交点,将时间轴分为2mf个区间,交点与区间一一对应。其中,第1,3,…,(2mf-1)区间对应载波负斜率段;第2,4,…,2mf区间对应载波正斜率段。设tm为三角波与正弦波在第m段区间内的交点,则tm满足式(6)。式中。令倒灌电流在直流电容(值为C)上的电压变化为ΔUc,满足式(7)。设Ic为负载电流峰值。与直流侧最大电压的和必须小于开关管和电容的耐压值或设定值。所以确定C电容容量值,也就是计算倒灌电流持续时间ΔTο模式3,5时ΔT的求取示意图分别见图(5)、图(6),求解方程组见式(8)、式(9)。在X1区间,当π/6<αz<π/3时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值在附近,代入方程组(8)即可解得ΔT;当π/3<αz<π/2时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值在附近,代入方程组(8)即可解得。在X2区间,当π/3<αz<π/2时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值在附近,代入方程组(8)即可解得ΔT。在X3间内,当π/6<αz<π/3时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值为附近,代入方程组(9)即可解得ΔT;当π/3<αz<π/2时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值在α=π附近,代入方程组(9)即可解得ΔT。在X4间内,当π/3<αz<π/2时,ΔT为递增函数,因此,ΔT的最大值为附近,代入方程组(9)即可解得ΔT。因此,在不同功率因数下取倒灌电流持续时间的最大值,再由式(7)即可求出满足要求的直流连接电容的容量。3网侧系统特性仿真条件:网侧系统相电压峰值:311V;载波频率:ftr=10kHz;三相星型负载,每相负载为电感与电阻串联的感性负载参数:L=2mH;R=2Ω;UB=6V,Vtrm=10V;Vtrl=-10V;θ=0°;fsin=50Hz;直流侧无电容。三相逆变器的a点输出电压波形及频谱分别见图7、和图8所示。实验结果见文献。低压传统逆变器一般直流滤波电容选择1000uF以上,主要起整流桥输出直流滤波作用,而新型逆变器在阻性和感性负载且其功率因数大于0.86时,新型逆变器去掉了直流连接电容,且其同样得到了理想的输出电压(图7和图8所示);新型逆变器感性负载且其功率因数小于0.86时,如网侧系统相电压峰值:311V;载波频率ftr=10kHz;三相星型负载,每相负载为电感与电阻串联的感性负载,功率因数为0.6;UB=6V;Vrtm=10V,Vtrl=-10V;θ=0°;fmin=50Hz;负载电流最大为150A时,直流侧电压不大于600V,通过计算新型逆变器直流侧电压连接电容容量最小约25uF,同样得到了理想的输出电压。4直流连接电容选取原则本文对文献提出的一种新型三相不可控整流三相逆变器在感性负载下的工作机理进行了分析,