新型三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器

徐 飛 ，李昊舒 ，趙志遠(yuǎn)

(1.濱州職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,山東 濱州 256600；2.山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,山東 濰坊 261000；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司齊河縣供電公司,山東 齊河 251100)

交流變換器能實(shí)現(xiàn)交流電壓的變換,目前最常用的結(jié)構(gòu)是帶直流環(huán)節(jié)的間接型交流變換器[1,4]、采用高頻交流環(huán)節(jié)的直接交流變換器[2,4]和矩陣變換器[3-4]。但是傳統(tǒng)交流調(diào)壓器都有其固有缺陷,為了克服這些缺陷,彭方正等[5]提出了Z 源電路拓?fù)?。Z源拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域具有革命性的意義[6],然而,傳統(tǒng)的Z 源逆變器同時(shí)也具有一些缺陷,比如升壓模式下輸入電流斷續(xù),電容電壓應(yīng)力大等[10]。所以,在Z 源拓?fù)涞幕A(chǔ)上,彭方正又提出了準(zhǔn)Z 源電路拓?fù)?準(zhǔn)Z 源變換器的出現(xiàn)是阻抗源變換器理論和拓?fù)涞囊粋€(gè)新的發(fā)展[7],準(zhǔn)Z 源交流變換器不僅可以克服前述交流調(diào)壓器的缺陷,具有優(yōu)良的電路特性[8],并且比Z 源網(wǎng)絡(luò)有更強(qiáng)的升壓能力,一經(jīng)提出,就在高校和工業(yè)界獲得廣泛關(guān)注,并進(jìn)行了深入研究。近年來(lái),電力電子變換器向著高頻、高效、高功率密度的方向不斷發(fā)展[9],準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)采用PWM控制方式,通過(guò)改變占空比的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能[14],所以具有高頻、高效、高功率密度的特點(diǎn),系統(tǒng)具有更高的調(diào)制能力[11],符合當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。單相電壓型準(zhǔn)Z 源變換器[7,12-13]可以解決單相交流調(diào)壓的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]和[16]中提出了改進(jìn)型三相Z 源AC/AC 變換器,但在對(duì)升壓能力有較高要求的場(chǎng)合,調(diào)節(jié)PWM 占空比的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)畸變的現(xiàn)象。

本文提出一種全新的三相準(zhǔn)Z 源交流變換器電路拓?fù)?給出其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)工作原理進(jìn)行了分析,搭建出仿真模型,通過(guò)仿真驗(yàn)證了電路的可靠性和電路分析的準(zhǔn)確性。

1 新型三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 新型三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器的電路結(jié)構(gòu)

新型三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器的電路拓?fù)淙鐖D1 所示,主體電路由三相對(duì)稱的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源組成,每一相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源包括一個(gè)大升壓比準(zhǔn)阻抗網(wǎng)絡(luò),每一個(gè)大升壓比準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)是由傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)依序級(jí)聯(lián)而成,但不是簡(jiǎn)單的串聯(lián),而是去除了后一級(jí)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)的電感,這樣既保證了大升壓比準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)的升壓能力,又可以減少電路元件,從而提升了電路網(wǎng)絡(luò)的效率和穩(wěn)定性,也有利于后期維護(hù)。每一個(gè)大升壓比準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)由四個(gè)電容、三個(gè)可控雙向開(kāi)關(guān)模塊、三個(gè)儲(chǔ)能電感組成。可控雙向開(kāi)關(guān)模塊由MOSFET/IGBT 和二極管并聯(lián)以后再面對(duì)面串聯(lián)組成。

圖1 三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器總電路

1.2 三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流調(diào)壓器的工作狀態(tài)分析

圖中Sx2和Sx3為一組開(kāi)關(guān),Sx1為一組開(kāi)關(guān)(x 取a、b、c,后文中x 含義相同)。Sx2和Sx3需同步保持相同的狀態(tài),Sx1需同步保持相同的狀態(tài)。對(duì)兩大組可控雙向開(kāi)關(guān)施加PWM 信號(hào),兩大組開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通,通過(guò)調(diào)節(jié)兩大組開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通占空比,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。因?yàn)殡姼泻碗娙莸拇嬖?這是一個(gè)非線性電路拓?fù)?宏觀上不能進(jìn)行線性分析,但是當(dāng)時(shí)間取得足夠小時(shí),在某個(gè)時(shí)刻可以對(duì)電路進(jìn)行線性分析。又因?yàn)殡娐返碾娫搭l率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可控雙向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率,所以在分析電路的過(guò)程中可以將輸入信號(hào)近似成直流信號(hào)。根據(jù)兩大組開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷可以將電路分為兩種電路狀態(tài),在這兩種電路狀態(tài)下,根據(jù)電流的流向可以分為五種工作狀態(tài)。

工作狀態(tài)1:如圖2(a)所示。Sx1導(dǎo)通,Sx2和Sx3關(guān)斷。此時(shí),對(duì)于三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)中,三相電源中的每一相電源、電容Cx2和Cx4給電感Lx1充電,電容Cx1和Cx4給電感Lx2充電,電容Cx3給電感Lx3充電；對(duì)于濾波部分,Lxf給負(fù)載供電。

圖2 (a) 工作狀態(tài)1

工作狀態(tài)2:如圖2(b)所示。此時(shí)三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源中的雙向開(kāi)關(guān)和工作狀態(tài)1 完全相同,不過(guò)濾波電路中電感Lxf和Cxf中的電能會(huì)發(fā)生變化,ILxf逐漸減小,當(dāng)其降低到0 時(shí),電感Lxf會(huì)由電容Cxf充電,ILxf降低到0 后會(huì)反向增加。此狀態(tài)和工作狀態(tài)1 滿足相同的電壓關(guān)系式。

圖2 (b)工作狀態(tài)2

圖2 (c)工作狀態(tài)3

工作狀態(tài)3:如圖2(c)所示。這時(shí)可控雙向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變,Sx1關(guān)斷,Sx2和Sx3導(dǎo)通,和工作狀態(tài)1 和2 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)。此時(shí),如果ILxf處于反向狀態(tài),能量由濾波電路中的電感Lxf流向級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò),對(duì)于級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,三相電源中的每一相電源和電感Lx1給電容Cx1充電,電感Lx2給電容Cx2充電,Lx3給電容Cx4充電,與此同時(shí),負(fù)載的電能由每一相電源、Lx1、Lx2和Lx3共同提供。

工作狀態(tài)4:如圖2(d)所示?？煽仉p向開(kāi)關(guān)的狀態(tài)不變,但是濾波電感中的電流會(huì)改變流向,即ILxf由反向流動(dòng)變?yōu)檎蛄鲃?dòng),負(fù)載的電能來(lái)源和工作狀態(tài)3 相同,還是由三相電源中的每一相電源、Lx1、Lx2和Lx3共同提供。此狀態(tài)和狀態(tài)3 符合相同的電壓關(guān)系式。

圖2 (d)工作狀態(tài)4

工作狀態(tài)5:如圖2(e)所示。此時(shí)雙向開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和工作狀態(tài)4 相同,每一相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)中電感的電流減小至ILxf時(shí),負(fù)載電能的來(lái)源發(fā)生變化,變?yōu)橛呻娙萏峁４藸顟B(tài)和狀態(tài)3 符合相同的電壓關(guān)系式。

圖2 (e)工作狀態(tài)5

這5 種工作狀態(tài)以兩大組雙向可控開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通作為前提,運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制法對(duì)Sx1,Sx2和Sx3進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制的效果。根據(jù)互補(bǔ)控制方式,以上5 種工作狀態(tài)根據(jù)雙向開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可以規(guī)劃為兩大組情況:Sx1閉合、Sx2和Sx3斷開(kāi)和Sx1斷開(kāi)、Sx2和Sx3閉合,將這兩大組狀態(tài)分別定義為A狀態(tài)和B狀態(tài),接下來(lái)將根據(jù)這兩大組狀態(tài)對(duì)電路做定量分析,推導(dǎo)出升壓比,即輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系。

3 三相準(zhǔn)Z 源交流調(diào)壓器升壓比的推導(dǎo)

推導(dǎo)輸入電壓和輸出電壓之間關(guān)系首先需要得到如下兩個(gè)關(guān)系:Sx1閉合時(shí),三相負(fù)載中性點(diǎn)、三相電源中性點(diǎn)和Sx1處的瞬時(shí)電壓關(guān)系；Sx1斷開(kāi)時(shí),三相負(fù)載中性點(diǎn)和三相電源中性點(diǎn)的瞬時(shí)電壓關(guān)系。若使用推導(dǎo)計(jì)算的方式,求解過(guò)程非常復(fù)雜,所以使用MATLAB/Simulink 仿真得到以上兩個(gè)關(guān)鍵關(guān)系。在D＝0.65 時(shí),圖3 是三相負(fù)載中性點(diǎn)和三相電源中性點(diǎn)的電壓關(guān)系,圖4 是三相電源中性點(diǎn)和Sx1處的瞬時(shí)電壓關(guān)系。圖5 是三相負(fù)載中性點(diǎn)和Sx1處的瞬時(shí)電壓關(guān)系。

圖3 三相負(fù)載中性點(diǎn)和三相電源中性點(diǎn)電壓關(guān)系

圖4 三相電源中性點(diǎn)和Sx1處電壓關(guān)系

圖5 三相負(fù)載中性點(diǎn)和Sx1處電壓關(guān)系

由以上仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,三相負(fù)載中性點(diǎn)和三相電源中性點(diǎn)之間的電位差恒為0,所以Sx1斷開(kāi)時(shí),三相負(fù)載中性點(diǎn)和三相電源中性點(diǎn)的瞬時(shí)電位差為0。

(2)Sx1閉合時(shí),三相負(fù)載中性點(diǎn)和Sx1處的瞬時(shí)電位差為0,三相電源中性點(diǎn)和Sx1處的瞬時(shí)電位差為0,所以三相負(fù)載中性點(diǎn)、三相電源中性點(diǎn)和Sx1處的電位差為0。

根據(jù)以上仿真結(jié)果,可以得到如下兩種等效電路,分別定義為A 狀態(tài)等效電路和B 狀態(tài)等效電路。

圖6 為A 狀態(tài)等效電路。

圖6 A 狀態(tài)等效電路圖

當(dāng)電路處于A 狀態(tài)時(shí),對(duì)于三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器的每一相,根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得到如下關(guān)系式:

圖7 為B 狀態(tài)等效電路。

圖7 B 狀態(tài)等效電路圖

當(dāng)電路處于B 狀態(tài)時(shí),對(duì)于三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器的每一相,根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得到如下關(guān)系式:

令Ts為可控雙向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)周期,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),Sx1導(dǎo)通的占空比為D,則Sx1的導(dǎo)通時(shí)間為DTs,那么(1-D)Ts為Sx2和Sx3的導(dǎo)通時(shí)間。令T為電源周期。在一個(gè)周期內(nèi),三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中電感Lx1、Lx2和Lx3兩端的電壓為0。由以上關(guān)系,在一個(gè)電源周期內(nèi)可以得到如下關(guān)系式:

在Sx1,Sx2和Sx3的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之內(nèi),三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)中電容Cx1、Cx2、Cx3、Cx4兩端的電壓不變,可得如下關(guān)系式:

根據(jù)以上關(guān)系式并結(jié)合伏秒平衡原理,可得:

通過(guò)整理,可得三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)中電容Cx1、Cx2、Cx3、Cx4兩端的電壓和輸入電壓Vix之間的關(guān)系符合如下關(guān)系式:

濾波電路中濾波電感Lfx在一個(gè)電源周期內(nèi)電壓平均值為0,可得如下關(guān)系式:

根據(jù)以上關(guān)系結(jié)合伏秒平衡原理,可得:

經(jīng)過(guò)整理后,可得輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系如下:

4 仿真結(jié)果及分析

在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型并仿真,圖8(a)為三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器完整的電路仿真模型,圖8(b)為可控雙向開(kāi)關(guān)的仿真模型。仿真模型的電路參數(shù)如下:三相對(duì)稱交流電源電壓為12 V,頻率為50 Hz,三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)中Lx1、Lx2和Lx3選取500 μH,電容Cx1、Cx2、Cx3和Cx4選取4.7 μF,雙向開(kāi)關(guān)Sx1、Sx2和Sx3的開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz,濾波電路中濾波電感Lfx選取100 μH,濾波電容Cfx選取100 μF,三相對(duì)稱負(fù)載選取100 Ω。為了與實(shí)際應(yīng)用一致,便于采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),仿真算法采用離散模式,采樣周期為10 ns[17]。

圖8 (a) 三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器仿真模型

圖8 (b) 雙向可控開(kāi)關(guān)仿真模型

圖9 和圖10 分別為輸入電壓為12 V 時(shí),D＝0.65 時(shí)的降壓波形和D＝0.3 時(shí)的升壓波形。

圖9 D＝0.65 時(shí)波形

圖10 D＝0.3 時(shí)仿真波形

通過(guò)仿真可以得出如下結(jié)論:

(1)D＝0.65 和D＝0.3 時(shí),輸出電壓的仿真波形分別約為4.4 V 和84 V。通過(guò)式(20)計(jì)算得到的輸出電壓應(yīng)分別為4.42 V 和84 V。理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果基本相同。

(2)電路前期會(huì)出現(xiàn)振蕩期,在0.02 s 進(jìn)入穩(wěn)定期,這是因?yàn)殡娐分械碾姼泻碗娙萃瓿呻娔芙粨Q需要一定時(shí)間,電路能在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定期。

圖11 為電感中電流在換向時(shí)的仿真波形,可見(jiàn)電感中電流是連續(xù)的,沒(méi)有發(fā)生斷續(xù)。這是因?yàn)镾x1、Sx2和Sx3中有反向二極管的存在,可以起到續(xù)流的作用,所以三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源中Lx1、Lx2和Lx2中的電流不會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)為0,能夠?qū)崿F(xiàn)電流的連續(xù),這樣Sx1、Sx2和Sx3的寄生電容兩端積累的多余電能得以釋放,開(kāi)關(guān)應(yīng)力得以減小,降低電能沖擊,增加電路中元件的使用壽命。

圖11 電感電流波形

圖12 為輸入電壓為12 V,占空比為D＝0.7 時(shí)輸入電壓和電容Cx1、Cx2、Cx3的電壓仿真波形。因?yàn)镃x2和Cx4仿真波形重復(fù),所以單獨(dú)對(duì)Cx4電壓波形進(jìn)行仿真,圖13 為輸入電壓和Cx4的電壓仿真波形。

圖12 輸入電壓和Cx1、Cx2、Cx3電壓波形

圖13 輸入電壓和Cx4電壓波形

通過(guò)式(15)～式(17)計(jì)算得到Cx1、Cx2、Cx3,Cx4的理論值應(yīng)分別為4.36 V、7.64 V、-3.27 V 和7.64 V,輸入電壓和Cx1電壓同相,和Cx2、Cx3,Cx4電壓反相。仿真結(jié)果與理論值基本相同。圖14～圖17 為輸入電壓為12 V,占空比為075,流經(jīng)新型三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流變換器中各個(gè)電容的電流波形。

圖14 電容Cx1電流波形

圖15 電容Cx2電流波形

圖16 電容Cx3電流波形

圖17 電容Cx4電流波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真模型搭建實(shí)驗(yàn)電路,控制核心芯片采用STM32F103,用其發(fā)出互補(bǔ)的PWM 信號(hào),用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT 作為可控雙向開(kāi)關(guān)主體,采用落木源KA962F 驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng),電路參數(shù)同仿真。出于安全考慮,將電壓降至峰值為20 V 做為輸入電壓。分別取D＝0.85 和D＝0.45 進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18 和圖19 所示。

圖18 D＝0.85 時(shí)波形

圖19 D＝0.45 時(shí)波形

D＝0.85 時(shí),根據(jù)式(20)計(jì)算可得理論輸出電壓約為1.9 V,實(shí)際測(cè)得波形為1.7 V 左右,與理論值接近。

D＝0.45 時(shí),根據(jù)式根據(jù)式(20)計(jì)算可得理論輸出電壓約為31 V,實(shí)際測(cè)得波形為33 V 左右,與理論值接近。

6 結(jié)論

將單相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流調(diào)壓器應(yīng)用在三相電路中,在對(duì)其工作原理分析的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出升壓比。用MATLAB/Simulink 搭建仿真模型并進(jìn)行仿真研究。最后搭建出實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路得到不同占空比的升壓和降壓實(shí)驗(yàn)波形。通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三相級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z 源交流調(diào)壓器具有很強(qiáng)的調(diào)壓能力和很高的可靠性。提供了一種全新的三相交流調(diào)壓思路。