新型三相-單相矩陣變換器的研究與實現

摘要：提出一種新型三相-單相矩陣變換器拓撲，采用小容量功率補償單元解決因單相交流輸出脈動功率引起的三相輸入電流畸變、功率因數低等問題。詳細介紹了帶功率補償單元的三相-單相矩陣變換器調制策略，推導出負載與功率補償單元上電壓關系、調制比、占空比等一系列表達式；分析了三相輸入電流與虛擬直流母線電流的關系，比較了有、無功率單元兩種情況下的輸入電流諧波含量。同時研究表明，當負載與功率補償單元滿足一定約束條件時，由單相輸出功率脈動引起的輸入電流畸變可得到改善。研制原理樣機，實驗結果表明所提出的新型三相-單相矩陣變換器拓撲結構合理，性能優良。
關鍵詞：變換器；功率補償單元；脈動功率

1 引言
三相-單相矩陣變換器可為單相用電設備提供單相交流電，也可將其應用在開關電源中，將三相工頻交流電變換為單相高頻交流電，用于諧振感應加熱，還可將其應用于電氣鐵道輔機系統。
三相-單相矩陣變換器的三相輸入電流低頻諧波含量較大，單相脈動功率輸出是引起這一問題的主要原因。針對這一問題，國外學者進行了相關研究。文獻采用在輸入側單獨串聯電感元件的方法，通過合理設計，雖達到輸出三相平衡電壓的目標，但需要使用的電感體積和重量均較大。文獻對三相一單相矩陣變換器提出了一種新的調制策略，但其三相輸入電流畸變嚴重，諧波含量大。此處研究的新型三相-單相矩陣變換器采用小容量儲能LC對單相脈動功率進行補償，可實現輸入電流正弦化，減小輸入電流諧波污染。

2 新型三相-單相矩陣變換器調制策略
圖1為新型三相-單相矩陣變換器等效電路。針對此處提出的新型三相-單相矩陣變換器的調制策略研究，依然可將其虛擬為整流級和逆變級兩部分。圖中，A，C相為負載相，為負載提供單相交流電，B，C相為功率補償相，對單相脈動功率進行補償；虛擬整流環節采用電流型整流調制策略，逆變級采用SPWM方式。綜合虛擬整流級SVPWM和虛擬逆變級SPWM并消去中間直流環節，即可得到三相-單相矩陣變換器的控制規律。

2．1 虛擬直流母線電流
設虛擬逆變級負載相上電壓調制函數為：

由式(4)可知，當輸出為單相交流輸出時，虛擬直流母線上的電流不僅含有直流分量，而且含有交流分量。
2．2 輸入電流分析
三相輸入電流經過電流型整流調制策略后可以表示為：

由上式可見，三相輸入電流除含有與輸入電壓同頻的基波電流外，還含有兩個其他低頻諧波電流，會對網側電流造成污染。