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1 前言
傳統(tǒng)交流穩(wěn)壓裝置一般采用晶閘管交流―交流變換器加隔離變壓器結(jié)構(gòu)，控制模式采用相控技術(shù)，其響應(yīng)時(shí)間小于電網(wǎng)電壓周期。但是此種結(jié)構(gòu)的輸出電壓和電流含有較高的諧波分量，必須裝備較大容量的濾波電抗器，并且輸入功率因數(shù)較低。隨著通信、信息等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量敏感性負(fù)載如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和過程控制系統(tǒng)等投入應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成了越來越大的負(fù)面影響。因此，控制電網(wǎng)電壓波動(dòng)，提供穩(wěn)定電源對(duì)滿足負(fù)載的正常運(yùn)行十分必要。本文以新型電力電子元件應(yīng)用和新的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，討論了采用PWM雙橋疊加交流電壓變換器方式、交流斬波方式以及串聯(lián)電壓源方式等幾種高效的變頻型交流電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，效果良好。
2 PWM雙橋疊加交流電壓調(diào)節(jié)方式
無論是晶閘管式逆變器，還是自關(guān)斷器件逆變器，在中大容量領(lǐng)域中，PWM雙橋疊加結(jié)構(gòu)的逆變器不失為逆變器的主要結(jié)構(gòu)方式。交流電壓控制電路采用GTO、IGBT等大功率晶體管元件。雙橋疊加可分為雙三相橋疊加、雙單相疊加等。在應(yīng)用上，雙三相橋12階梯PWM逆變器是比較理想的典型結(jié)構(gòu)。
圖1為PWM雙橋疊加逆變器原理圖。圖中Tl～T6為前橋功率開關(guān)管，T’l～T’6為后橋功率開關(guān)管，每相輸出電壓UΦ為前橋繞組反相疊加后序相繞組與后橋該相繞組的電壓矢量和，即UΦA(chǔ)＝UAl―（UC2+UA）。編號(hào)“1、2、3”的開關(guān)管為每相主通管，它們分別與先、后序?qū)ü軜?gòu)成回路，相隔60º輸出雙脈沖。前橋?qū)ü芴?hào)與后橋管號(hào)對(duì)應(yīng)。負(fù)半周輸出波形反相，要求繞組電流方向反向，即工作功率管換流。這樣，就可得到圖2所示的雙三相疊加電壓輸出波形：階梯比為0.5 : 0.866 : 1[1]。
圖1 PWM雙橋疊加逆變?cè)韴D
雙橋三相逆變器功率開關(guān)管開關(guān)次數(shù)相同，均為三次。負(fù)載分配均勻，可選用同規(guī)格功率開關(guān)管。雙橋PWM逆變器特點(diǎn)是：
(1) 既可用于三相，又可用于單相輸出；
(2) 把功率開關(guān)管大容量負(fù)載分散負(fù)擔(dān)，不僅可用快速強(qiáng)迫關(guān)斷器件，也可用一般自關(guān)斷器件，器件要求低；
(3) 輸出容量大，500A單個(gè)器件構(gòu)成三相逆變器輸出容量達(dá)100kVA；
(4) 諧波分量小，11次以下諧波消除，要求濾波器容量小；
(5) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性好。
圖2 雙三相疊加逆變器波形圖
3 采用PWM斬波方式的交流電壓調(diào)節(jié)器
隨著全控型器件和相位控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以采用交流PWM斬波方式的交流電壓控制電路。在中、小功率場合，采用單相Back型、Boost型和Back-Boost型PWM交流斬波方式電壓調(diào)節(jié)器。可以根據(jù)輸入和輸出電壓決定開關(guān)元件的開關(guān)方式，解決換相引起的高電壓尖峰。其開關(guān)元件僅在半周期進(jìn)行調(diào)制，大大減小了開關(guān)損耗。在大功率場合，可以采用交流―交流Back型電壓調(diào)節(jié)器。
針對(duì)傳統(tǒng)交流PWM斬波器開關(guān)元件較多和對(duì)門控信號(hào)要求較高的缺點(diǎn)，提出一種其主電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示的新型三相交流電壓調(diào)節(jié)裝置。該裝置主要包括交流斬波控制器、旁路續(xù)流通路和工頻升壓隔離變壓器。該裝置僅采用T1～T4四只全控型功率開關(guān)，其中T1～T3與T4的通斷關(guān)系互補(bǔ)，對(duì)開關(guān)門控信號(hào)的要求大大降低，提高了系統(tǒng)的可靠性。旁路續(xù)流通路有3個(gè)旁路電容，保證前向通路和續(xù)流通路開關(guān)切換間的死區(qū)時(shí)間里有連續(xù)的能量通路。其輸入電流、輸出電壓波形都接近正弦，響應(yīng)速度較快，輸入、輸出側(cè)濾波器的體積可以很小。如果在輸入、輸出端加裝隔離變壓器，防諧波效果更好。
采用交流PWM斬波方式的交流電壓調(diào)節(jié)器直接聯(lián)結(jié)于交流電源和負(fù)載之間，電壓調(diào)節(jié)裝置的容量一般大于負(fù)載容量，功率開關(guān)元件的容量也較大。因而適用于改善中小容量用電設(shè)備的供電條件[2]。
圖3 PWM斬波電壓調(diào)節(jié)器原理圖
4 串聯(lián)電壓源模式的交流電壓調(diào)節(jié)器
由串聯(lián)型電力濾波器的結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，交流電壓調(diào)節(jié)器可以采用三相電壓型逆變器的串聯(lián)型電壓調(diào)節(jié)器，其電路原理如圖4所示。三相變壓器的繞組串聯(lián)于電源和負(fù)載之間，等效于串聯(lián)一個(gè)電源。如果要求消除電源的負(fù)序電壓或電壓瞬時(shí)波動(dòng)，逆變器直流環(huán)節(jié)可以采用電容器以補(bǔ)償裝置長時(shí)間的提供有功功率。如果需要調(diào)節(jié)電源電壓正序的長時(shí)間變化，則需要附加獨(dú)立的直流電源Ud[3]。
圖4 串聯(lián)型調(diào)節(jié)器原理圖
為解決三相電源的不對(duì)稱問題，逆變器指令信號(hào)包含電源負(fù)序電壓分量和正序電壓分量的偏差，通過提取并消除電源負(fù)序電壓分量可以保證負(fù)載三相電源對(duì)稱，同時(shí)調(diào)節(jié)正序電壓分量可以控制負(fù)載三相電源的幅值。逆變器控制采用非對(duì)稱開關(guān)函數(shù)PWM技術(shù)[4]。
通過調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償電壓的幅值和相位，串聯(lián)型交流電壓調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)輸出到負(fù)載電路的電壓調(diào)節(jié)和無功功率補(bǔ)償。采用串聯(lián)補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，裝置的容量取決于負(fù)載容量和電源電壓的變化范圍，遠(yuǎn)低于負(fù)載容量，能夠減小功率開關(guān)元件的容量和開關(guān)應(yīng)力，具有較高的性能價(jià)格比，能夠用于較大容量的負(fù)載。為適應(yīng)高敏感負(fù)載，提高串聯(lián)型電壓調(diào)節(jié)器的性能，可以在負(fù)載端加上并聯(lián)型有源電力濾波器，采用串聯(lián)型電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和并聯(lián)型有源電力濾波環(huán)節(jié)，達(dá)到雙向調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，能量雙向流動(dòng)的目的[5]。此類裝置可以全面提高交流電源品質(zhì)，將是一種高效率的調(diào)壓方式。
5 結(jié)論
以上分析僅著重于電路結(jié)構(gòu)與控制模式，實(shí)用裝置應(yīng)針對(duì)不同負(fù)載添加輔助電路加以改進(jìn)。表1是將三種方案的主要特點(diǎn)的總結(jié)。
表1 三種交流電壓調(diào)節(jié)方法比較
本文對(duì)變頻型交流電壓調(diào)節(jié)裝置所采用的三種調(diào)壓方式進(jìn)行了分析。串聯(lián)電壓源方式有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，將被廣泛應(yīng)用到需要高品質(zhì)交流電源的各個(gè)領(lǐng)域，盡管還存在著一些不足。隨著控制技術(shù)研究的深入和開關(guān)元件性能的提高，人們將更多地接受包括串聯(lián)電壓源方式在內(nèi)的變頻型交流電壓調(diào)節(jié)器。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)