单相三相转换器发展过程翻译.docx
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单相三相转换器发展过程翻译
关于单相-三相转换器的
最新技术报告
摘要:
在结构与控制策略于科技著作中已被广泛确立的今天,运用电力电子器件的单相-三相转换器已然成为一种广为人知的技术。
这些年来,关于其结构的设想被明显的分为两个主要方向:
1)组件数量减少的构造;2)组件数量增加的构造。
进行减少组件数量的拓扑结构方面的研究是多年来的趋势,从某些方面看这是因为相比应用在dc-link总线上的电容元件,电力开关器件成本过高,故而转换器的铁心柱有时会使用中心电容来替代。
然而,随着半导体器件价格的不断降低,这种趋势也发生了变化,特别在追求高可靠性、高效率、低失真的情况下,增加组件数量的结构已经成为一种令人感兴趣的选择。
本篇文章不仅对两种结构进行了全面的回顾,而且包含了单相ac-三相ac直接转换器以及旨在降低dc-link电压波动的转换器的结构。
本文的目的在于向对单相-三相功率转换技术有兴趣的专家学者们提供完整的技术现状。
关键词:
功率调节、电力电子转换器件、脉冲宽度调制转换器件
1、导言
电能传输领域中,单相电网方案由于其成本远低于三相方案的特点一直被当做对偏远地区供电的的可行方案,故而在像巴西这样需要电网覆盖广阔范围的大国里,单相电网运用的相当普遍。
另一方面,连接在三相电源中的负载表现出许多单相负载所没有优点,当连接电机时,这些优点表现的尤为明显,比如:
稳定的转矩、稳定的功率、较小的尺寸等。
因此,单相-三相转换系统有着巨大的市场需求。
从应用方面来看,每当提及单相-三相转换器,首先想到的就是三相电机拖动系统。
但是,作者声称,在农村地区的应用中给三相异步电动机供电不再是单相-三相转换器的主要功能。
随着农业科技的发展,一些局部负载(比如:
电力电子转换器、电脑、通讯工具等)要求电源电源质量的提高,既:
正弦性、对称性、三相电压平衡性。
过去,单相-三相转换系统通过连接配备自耦变压器的无源器件来实现,这类系统有着众所周知的缺点与限制。
那时,运用半导体功率二极管和闸流元件的电力电子器件才刚刚出现。
在某些著作中,这些使用气体导管和玻璃泡的所谓电力电子器件被称作工业电子器件,而运用可控硅整流元件的电力电子器件直到二十世纪六十年代初才开始出现在市场上。
从固态电力电子器件出现起,半导体设备就是用来拖动功率处理器的主要技术手段。
在了解原来应用在可控整流器上的半导体装置的基础上将其与新的技术做比较,使我们能够成功的认识到该领域令人惊讶的进展。
除了有关电力开关的改进,在回路拓扑领域,如:
三相-三相、单相-单相、三相-单相转换领域的创新活动也十分活跃。
单相-三相功率转换器被分成两个主要方向:
1)组件数量减少的构造;2)组件数量增加的构造。
由于电力开关器件成本过高第一个方向(减少组件数量的拓扑结构)是多年来的趋势,故而转换器的铁心柱有时会使用中心电容来替代。
然而,随着半导体器件价格的不断降低,这种趋势也发生了变化,特别在追求高可靠性、高效率、低失真的情况下,增加组件数量的结构已经成为一种令人感兴趣的选择。
本篇文章不仅对两种结构进行了全面的回顾,而且包含了单相ac-三相ac直接转换器(无dc-link电容)以及旨在降低dc-link电压波动的转换器的结构。
本文的目的只在于向对单相-三相功率转换拓扑学有兴趣的专家学者们提供完整的技术现状的范围。
作者本人也不完全了解这篇文章里包含的所有介绍最新技术的调研结果。
如图
(1),传统结构基本上被分为两大类。
值得注意的是,为了方便比较,本文中对每种结构做了新的标识,比如:
图(1.a)被标识为C1,图(1.b)被标识为C2,以此类推。
由于其输入输出转换段的所有变量都可控,C2结构成为了单相-三相电力转换器的一种更令人感兴趣的实现方案。
而如图
(2)所示,C1结构是一种更为廉价的解决方案,但是它的输入电流和dc-link电压完全不可控。
图(2.a)和(2.b)分别展示了C1和C2结构的转换结果。
值得一提的是,这两种结构都为新技术提供了参考参考,既:
新的拓扑学研究旨在控制输出波形更接近结构C1而远离结构C2。
图(3)描述了一种能实现C2控制无偏性的可行性控制策略的应用(图中标有“*”的变量为引用变量)。
同时,由图可知其结构包含三个控制单元和一个同步单元。
当控制系统较为复杂时,这种控制策略可以表现出一些优势。
本文中提到的开关中能量的无规则分布是单相-三相电力转换器中的另一个需要特别注意的特点,如图(4),单相-三相转换器总损耗的63%产生于整流环节中,而剩下的37%产生于逆变环节中。
由这些数据我们可以推测出开关所受的应力,既:
每个整流开关承受转换器总损耗的15.7%,而每个逆变开关承担6.1%。
开关应力为衡量电力转换失败概率提供了重要的参数,第三部分将会讲到的并联整流系统,本文中涉及的所有配置方案都有这种问题(较大的分布能量损失)。
不同型号的开关损耗估计可在文献中查阅。
本文中,通过回归模型来实现损失估计,这种方法已经经过试验检测并有了相关著作。
实验测试中使用的电力开关为由SKHI-10(SEMIKRON)驱动的双绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块CM50DY-24H(POWEREX)。
该开关损耗模型包括:
1)IGBT和二极管的导通损耗;2)IGBT的开通损失;3)IGBT关断损耗;4)二极管关断损耗。
导言之后本文将分为六个部分,第二部分主要介绍减少或者消除元件的配置方案,具体分为两个小节。
而第三部分将主要介绍增加元件数量的配置方案。
单相-三相转换器的应用将在第四部分做出详细介绍。
第五部分对不同结构的特点做了简单的比较,突出了每种拓扑结构的主要特征。
最后,将在第六部分中下结论。
本文结构的完整图示见图(5),每部分中,我们尽可能以时间顺序陈述以便让读者能清楚了解到单相-三相变换器的发展过程。
2.减少或消除元件的配置方案
在转换信号波形质量没有显著变化的前提下进行元件数量的减少曾经并且仍然是许多转换器设计者的目标,而这一前提往往没办法实现,尤其是在放弃了许多元件的转换器中。
尽管如此,因为这类转换器的优点,那些不是很完美的波形还是可以接受的。
A.减少半导体器件数量的结构
1)Dc-link中点连接:
dc-link中点连接已经被运用在很多ac转换器上以实现电力开关的减少。
这意味着每条支路至少由两个电力开关构成的理论已经不再实用。
但是,只有在减少电力晶体管器件的情况下不影响更高的设备额定值和电解电容更多的能量存储,这种方案减少成本的方案才有意义。
另一个方面,电解电容的寿命比电力开关的短,这也十分重要。
Dc-link电容电流谐波频谱(图(6.a))以及半桥结(图(6.b)、(6.c))构突出表现dc-link中点连接对使用寿命及转换效率的影响。
由图(6.a),dc-link电容电流计算公式为:
其中τg1到τl3依次为开关qg1到ql3关断的时间间隔,Ts为开关周期。
假定参考极电压在Ts恒定,则时间间隔τj(j=g1tol3)可由参考极电压表示。
比如,τg1可由如下公式给出:
由
(1)和
(2),dc-link电容电流可写为:
其中v?
g=v?
g10?
v?
g20。
同样的,对于输入输出半桥拓扑结构,我们可以知道dc-link电流的如下关系:
由于存在基于电网电流和负载电流的额外分量,输入输出半桥结构电容电流的表达式相比传统结构有所不同。
放大图(6)可以看到这个额外分量。
Dc-link高频功率损耗可由如下公式算出:
其中
3.增加元件数量的配置方案
在交错或者多级结构中,如果能够提高转换器波形质量,那么增加元件数量的结构就是可行的。
虽然在三相-三相转换系统中不再需要降低dc-link电压波动,但其在单相-三相转换器中仍可用来衡量元件的增加是否值得。
研究表明电能纹波减少的频率是电源的两倍,这些专家进一步提出了具有电源解耦功能的单相-三相变换器结构以及控制方式。
这种回路的优点在于其dc-link区不需要大电抗和大滤波电容,其拓扑结构的实现建立在对电源纹波进行有源缓冲解耦的间接矩阵变换器的基础上。
另一方面,单相-三相转换器的特点也在于输入输出两侧中半导体器件内电流的不规则分部。
在传统结构中,整流开关元件的电流及功率的额定值比逆变器一侧的要大。
考虑到这些因素,含有两个并联整流器的单相-三相转换器结构被提出,如图(26)。
尽管增加了器件数量,这类拓扑结构却有着如下的优点:
1)降低了整流器电流;2)交错技术的使用使得总谐波失真得到改进;3)降低了dc-link电容应力以及整流器线路的容错能力。
并联整流技术的使用使得整流区产生了算法可控的循环电流。
根据相同的原理,有的学者提出了由两个并联整流器及一条输入输出转换侧共用支路构成的单相-三相转换器结构,如图(28)。
当输入输出频率相同时,这种结构表现出如下的优势:
1)当开关工作在相同额定功率的前提下,降低整流开关的额定功率;2)较少因为使用高额定功率整流开关而产生的额外成本;3)容错能力的提高。
四.应用
前文提到的许多单相-三相拓扑结构已经被应用于实际生活中,比如:
电力转换器被当做有源电力滤波器来减少开关过程中的能量损耗。
这些应用将在本部分中得到具体介绍。
具体应用有:
1.适用于单相-三相转换器的有源滤波器。
这类研究可能在提高对线性和非线性负载的供电质量的同时实现对功率因数的矫正。
不仅如此,这类研究也深入到了三相-单相转换器,对农村地区供电时使用的单线接地回路系统是这类结构的典型应用。
它的主要优势有:
1)电力转换过程损耗只占负载功率和调节dc-link电压所需能量的一小部分;2)普通操作时dc侧可以无源化。
但三相负载线电压幅值受单相电压限制是它的主要缺陷,而三相负载三角连接可以将这种缺陷降到最小。
为了解决低负载电压时的一些问题,专家们试图找到一种可以应用于单相-三相系统的万能电源滤波器,如图(31.a)、(31.b)所示。
两者都可以对电网电压失真、负载引起的谐波和能量耗损进行补偿,两种回路的区别在于串联和并联滤波器的位置不同,既:
图(31.a)中,串联滤波器位于电网测,并联有源滤波器位于负载侧,而在图(31.b)中,它们的位置恰好相反。
由于部分能量直接通过电线传输,这两种结构的过程损耗都比传统拓扑结构低。
因此,较之传统结构,这类构想的额定功率更低。
2.单相-三相转换器还可能应用与电力牵引中,比如:
应用在需要经由单相电源启动的辅助风机和泵中,在作为电力机车的辅助交流电机中,农村地区的农业生产中。
3.单相-三相转换技术也被应用于热电联供系统及分步生产工厂中最大功率点跟踪等领域。
4.单相-三相转换器在不间断供电系统中也有所应用。
同时,增加三端机械开关的转换理论也被提出,在该系统中,开关状态必须与电机运行速度相符,有专家认为这种转换器可以被应用于空调系统中。
5.单相-三相转换器中也可以添加容错系统。
5.一般比较
本部分旨在对文中提到的单相-三相转换器结构进行简单的比较,比较的内容包括应用于结构中的电子元件(开关、二极管、电容等)及其主要功能参数,如:
单相-三相转换器的整形能力、输出电压的频率范围,dc-link电压的波动减少系数。
表
对每种结构的重要特点做了大致强调。
表中用“*”标识运用于四线转换单相-三相系统中的结构。
请注意,关于每种拓扑结构中使用单向开关的数目情况,C3结构拥有最小的器件数目,C4和C10仅采用四个开关,C1,C5,C7,C11,C13,C18,C28配置有六个开关,C24有7个开关,C6,C8,C9,C12,C14,C15,C17和C25拓扑结构使用8个开关,C2,C16,C19,C27,和C2910包含十个开关,C26包含十四个开关。
C20-C23不使用单向开关。
每种拓扑结构的其他特性,可以直接在表中观察得到。
6.
结论
本文的目的在于展示单相-三相转换领域的最新成果,介绍最为重要的转换器结构以及其特点。
常年来一直存在着两种主要的技术趋势,既:
减少元件数量的结构和增加元件数量的结构,而本文也将这两种结构分别收录并做了比较。
对于两种结构的对比一般包括其应用于拓扑结构中的特征与基本要素。
110余篇文章在本文中被引用,而我们在每一部分中按时间先后的顺序做出介绍。
在减少半导体器件的结构中,dc-link中点连接是第一个被提出的拓扑学方案;由于电力开关的价格比dc-link电容高很多,这种方案的可行性很高。
输入-输出转换侧的支路共享结构式第二种解决方案,尤其是当输入输出频率相同时,这种方案尤为引人入胜。
尽管使用dc-link电容消除的单相-三相转换器结构被很多学者所认同,但它却不是一种让人感兴趣的选择。
特别是当应用于其功率密度高、尺寸小的优点并不被特别需要的农村或偏远地区。
由于增加元件数量的结构的某些固有特性,如:
总谐波失真的改进、高可靠性、高效率,它在单相-三相变换领域中很令人感兴趣。
此外,这类结构有可能解决如dc-link电压波动等存在于单相-三相系统中的具体的问题。
由于一些大国(如巴西)在电力传输领域的现况以及三相负载相比于单相负载所表现出的一些优势,可以断定单相-三相电力转换系统将仍被运用于农村地区。
就未来研究而言,增加元件数量的结构将凭借其特定优势成为未来研究的趋势。
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