今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
1 前言
傳統交流穩壓裝置一般采用晶閘管交流―交流變換器加隔離變壓器結構，控制模式采用相控技術，其響應時間小于電網電壓周期。但是此種結構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，并且輸入功率因數較低。隨著通信、信息等產業的發展，大量敏感性負載如計算機、通信設備和過程控制系統等投入應用，人們發現電網電壓波動造成了越來越大的負面影響。因此，控制電網電壓波動，提供穩定電源對滿足負載的正常運行十分必要。本文以新型電力電子元件應用和新的控制技術為基礎，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電壓源方式等幾種高效的變頻型交流電壓調節技術，實驗表明，效果良好。
2 PWM雙橋疊加交流電壓調節方式
無論是晶閘管式逆變器，還是自關斷器件逆變器，在中大容量領域中，PWM雙橋疊加結構的逆變器不失為逆變器的主要結構方式。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。在應用上，雙三相橋12階梯PWM逆變器是比較理想的典型結構。
圖1為PWM雙橋疊加逆變器原理圖。圖中Tl～T6為前橋功率開關管，T’l～T’6為后橋功率開關管，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＝UAl―（UC2+UA）。編號“1、2、3”的開關管為每相主通管，它們分別與先、后序導通管構成回路，相隔60º輸出雙脈沖。前橋導通管號與后橋管號對應。負半周輸出波形反相，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雙橋疊加逆變原理圖
雙橋三相逆變器功率開關管開關次數相同，均為三次。負載分配均勻，可選用同規格功率開關管。雙橋PWM逆變器特點是：
(1) 既可用于三相，又可用于單相輸出；
(2) 把功率開關管大容量負載分散負擔，不僅可用快速強迫關斷器件，也可用一般自關斷器件，器件要求低；
(3) 輸出容量大，500A單個器件構成三相逆變器輸出容量達100kVA；
(4) 諧波分量小，11次以下諧波消除，要求濾波器容量小；
(5) 系統動態調節特性好。
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節器
隨著全控型器件和相位控制技術的廣泛應用，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節器。可以根據輸入和輸出電壓決定開關元件的開關方式，解決換相引起的高電壓尖峰。其開關元件僅在半周期進行調制，大大減小了開關損耗。在大功率場合，可以采用交流―交流Back型電壓調節器。
針對傳統交流PWM斬波器開關元件較多和對門控信號要求較高的缺點，提出一種其主電路結構如圖3 所示的新型三相交流電壓調節裝置。該裝置主要包括交流斬波控制器、旁路續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，其中T1～T3與T4的通斷關系互補，對開關門控信號的要求大大降低，提高了系統的可靠性。旁路續流通路有3個旁路電容，保證前向通路和續流通路開關切換間的死區時間里有連續的能量通路。其輸入電流、輸出電壓波形都接近正弦，響應速度較快，輸入、輸出側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節器直接聯結于交流電源和負載之間，電壓調節裝置的容量一般大于負載容量，功率開關元件的容量也較大。因而適用于改善中小容量用電設備的供電條件[2]。
圖3 PWM斬波電壓調節器原理圖
4 串聯電壓源模式的交流電壓調節器
由串聯型電力濾波器的結構得到啟發，交流電壓調節器可以采用三相電壓型逆變器的串聯型電壓調節器，其電路原理如圖4所示。三相變壓器的繞組串聯于電源和負載之間，等效于串聯一個電源。如果要求消除電源的負序電壓或電壓瞬時波動，逆變器直流環節可以采用電容器以補償裝置長時間的提供有功功率。如果需要調節電源電壓正序的長時間變化，則需要附加獨立的直流電源Ud[3]。
圖4 串聯型調節器原理圖
為解決三相電源的不對稱問題，逆變器指令信號包含電源負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序電壓分量可以保證負載三相電源對稱，同時調節正序電壓分量可以控制負載三相電源的幅值。逆變器控制采用非對稱開關函數PWM技術[4]。
通過調節串聯補償電壓的幅值和相位，串聯型交流電壓調節器可以實現輸出到負載電路的電壓調節和無功功率補償。采用串聯補償式結構，裝置的容量取決于負載容量和電源電壓的變化范圍，遠低于負載容量，能夠減小功率開關元件的容量和開關應力，具有較高的性能價格比，能夠用于較大容量的負載。為適應高敏感負載，提高串聯型電壓調節器的性能，可以在負載端加上并聯型有源電力濾波器，采用串聯型電壓調節環節和并聯型有源電力濾波環節，達到雙向調節負載電壓，能量雙向流動的目的[5]。此類裝置可以全面提高交流電源品質，將是一種高效率的調壓方式。
5 結論
以上分析僅著重于電路結構與控制模式，實用裝置應針對不同負載添加輔助電路加以改進。表1是將三種方案的主要特點的總結。
表1 三種交流電壓調節方法比較
本文對變頻型交流電壓調節裝置所采用的三種調壓方式進行了分析。串聯電壓源方式有一定的應用優勢，將被廣泛應用到需要高品質交流電源的各個領域，盡管還存在著一些不足。隨著控制技術研究的深入和開關元件性能的提高，人們將更多地接受包括串聯電壓源方式在內的變頻型交流電壓調節器。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號